q345e鋼低溫沖擊性能研究

q345e鋼低溫沖擊性能研究

低合金高強(qiáng)度鋼是指當(dāng)碳含量小于0.20%（質(zhì)量比）時，增加cr、ni、mo、v、nb、ti等納米材料，用材料強(qiáng)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度工程的結(jié)構(gòu)鋼。該類鋼種因其良好的綜合性能與經(jīng)濟(jì)性，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、運(yùn)輸及海洋工程等領(lǐng)域。隨著國家“十三五”規(guī)劃的實(shí)施，橋梁建筑安全性、耐蝕性及經(jīng)濟(jì)性越來越受到人們的關(guān)注，面臨自然災(zāi)害發(fā)生時，橋梁自身安全性方面的要求決定了橋梁防止落梁裝置，因此，該研究日益急迫，防落梁裝置的材料性能亟待優(yōu)化與提高Q345E鋼為典型的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，該鋼具有良好的綜合性能，即優(yōu)異的強(qiáng)韌配合性、較高的抗疲勞性能、良好的加工性能及較高的低溫沖擊性能1化學(xué)成分的驗(yàn)用試驗(yàn)材料取自市售Q345E鋼，該鋼的生產(chǎn)工序?yàn)檗D(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→真空脫氧處理→連鑄方坯→連軋成型，最后加工成試棒。試驗(yàn)用Q345E鋼的化學(xué)成分見表1所示。采用SX-4-10型箱式電阻爐進(jìn)行正火熱處理試驗(yàn)，采用材料試驗(yàn)機(jī)以及ZBC2302-C型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行不同試樣強(qiáng)度及沖擊功的測定。利用LeicaDMI5000M金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。在JEM-2100型透射電鏡上進(jìn)行微區(qū)高倍組織觀察。在Quanta650FEG掃描電子顯微鏡上進(jìn)行斷口及表面形貌觀察。2熱處理對不合格蘇對Q345E鋼進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，取樣位置按照GB/T2975《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》執(zhí)行，該鋼的抗拉強(qiáng)度（R由表中可知，Q345E鋼的力學(xué)性能波動較大，沖擊功大部分滿足不了技術(shù)要求，難以交貨使用。因此，很有必要對不合格Q345E鋼重新進(jìn)行熱處理優(yōu)化，從而達(dá)到技術(shù)要求的性能指標(biāo)。本文針對Q345E鋼低溫沖擊不合格的現(xiàn)象，經(jīng)過初步解剖分析與資料調(diào)研，認(rèn)為熱處理工藝制度帶來的組織狀態(tài)不同，對低溫沖擊具有一定程度的影響，尤其是晶粒度的影響較為嚴(yán)重。因此，本文研究了不同正火溫度和保溫時間對Q345E鋼力學(xué)性能的影響，并利用掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡及透射電鏡對Q345E鋼的微觀組織進(jìn)行了觀察分析，以期得出Q345E鋼性能不合格原因，并獲得性能合格的熱處理工藝制度。2.1對3g45e鋼力學(xué)性能的影響制定科學(xué)、合理的熱處理工藝，對獲得滿足性能要求的Q345E鋼至關(guān)重要。熱處理工藝制度的制定，需根據(jù)該鋼在加熱、冷卻過程中的相變原理進(jìn)行綜合考慮，本文借助熱力學(xué)模擬軟件JMatpro，對Q345E鋼的加熱、冷卻過程進(jìn)行模擬，確定相類型、相比例和溫度等之間的關(guān)系，從而針對性地選取熱處理溫度，對Q345E鋼的組織與性能進(jìn)行研究。圖1所示為Q345E鋼在加熱過程中相含量隨溫度升高的變化趨勢數(shù)值模擬結(jié)果。數(shù)值模擬輸入?yún)?shù)為：加熱溫度為1200℃，加熱速率為0.17℃/s，保溫時間為1h。由圖中可知，對于Q345E鋼而言，在加熱速率為0.17℃/s條件下，相變接近平衡狀態(tài)，由于驅(qū)動力較低，鐵素體（F）+奧氏體（A）向奧氏體的轉(zhuǎn)變較珠光體（P）向奧氏體轉(zhuǎn)變時間略微延遲。但隨著溫度的升高，奧氏體含量達(dá)到預(yù)期平衡狀態(tài)，且在溫度大于833℃時，奧氏體化較為均勻。圖2所示為Q345鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。由圖中可知，在冷卻過程中，Q345E鋼存在珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變及馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間。在冷卻速度為0.1℃/s條件下，該鋼的珠光體轉(zhuǎn)變與貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間較窄，相應(yīng)的性能控制區(qū)間較為狹窄；隨著冷卻速度的增加，其不同相的轉(zhuǎn)變區(qū)間有所變寬，但相類型會隨冷卻速度的急速增加而有所改變。因此，為滿足高技術(shù)要求Q345E鋼的力學(xué)性能，需根據(jù)該鋼的CCT曲線進(jìn)行顯微組織、冷卻速度等多種因素綜合分析，從而制定符合高力學(xué)性能、屈強(qiáng)比要求的熱處理工藝制度。根據(jù)對Q345E鋼加熱和冷卻過程中的相變數(shù)值模擬與分析，對Q345E鋼分別進(jìn)行910℃/3h、960℃/5h及1050℃/5h的正火處理，力學(xué)性能結(jié)果如表3所示。由表中可知，隨正火溫度的提高，材料的強(qiáng)度處于技術(shù)要求范圍之內(nèi)，但-40℃沖擊功隨正火溫度的提高而降低，尤其當(dāng)正火溫度為1050℃時，低溫沖擊功急劇降低，接近于原始態(tài)棒料。表4和表5所示分別為正火溫度對Q345E鋼晶粒度和顯微組織的影響。隨正火溫度的提高，Q345E鋼的晶粒度略微降低，晶粒尺寸相應(yīng)增加。對于顯微組織中各種相比例，隨著正火溫度的提高，鐵素體與珠光體的相比例總體變化不大，鐵素體含量略微降低。2.2不同沖擊斷口解理斷裂單元尺尺原始態(tài)和正火態(tài)（910℃）的沖擊功分別為19J和158J，其斷口形貌如圖3所示。Q345E鋼棒原始態(tài)和正火態(tài)的沖擊斷口均為解理狀，不同的是斷口上的解理斷裂單元尺寸有所不同。原始態(tài)沖擊斷口的解理單元尺寸較大，而經(jīng)910℃正火處理后的沖擊斷口解理斷裂單元尺寸相對較小。通常，解理斷裂單元尺寸與組織的有效晶粒尺寸有關(guān)，組織有效晶粒尺寸越小，解理斷裂單元尺寸也越小，裂紋擴(kuò)展路徑越曲折，擴(kuò)展過程消耗能量越大，材料的韌性越好，沖擊功也會越高。2.3不同狀態(tài)下有效顯微組織原始態(tài)和不同正火溫度處理的Q345E鋼的顯微組織電鏡觀察見圖4～6所示。原始態(tài)與不同溫度正火處理后Q345E鋼的顯微組織組成均為鐵素體和珠光體，而不同狀態(tài)的差異主要體現(xiàn)在組織形貌和尺寸上。從組織形貌上看，3種狀態(tài)的顯微組織分布相對較為均勻，但原始態(tài)和經(jīng)1050℃正火后的珠光體組織，形貌呈現(xiàn)出塊狀、針狀和等軸狀的混合形貌特征，而960℃正火后的珠光體組織主要以等軸狀的晶粒為主，沒有明顯的針狀或塊狀組織，組織均勻性相對較高。此外，通過組織的局部放大，3種狀態(tài)下的Q345E鋼的晶界和晶內(nèi)的析出相較少，幾乎觀察不到。因此，可以忽略析出相對該鋼低溫沖擊功的影響。2.4不同狀態(tài)試驗(yàn)樣品的組織形貌觀察不同狀態(tài)下Q345E鋼的微觀組織觀察如圖7所示。其中，圖7(a）和（b）為原始狀態(tài)下Q345E鋼沖擊試樣的微觀組織照片，圖7(c）和（d）為960℃正火狀態(tài)下Q345E鋼沖擊試樣的微觀組織照片。由TEM觀察，可以清楚地看到珠光體的微觀形貌特征為層狀鐵素體與滲碳體的混合物。同樣，在透射電鏡高倍觀察下，不同狀態(tài)試樣的晶界并沒有發(fā)現(xiàn)析出相，不同的是，兩種狀態(tài)下的組織中滑移線（圖中箭頭所示）的數(shù)量有所不同。相比較而言，原始狀態(tài)下的滑移線比經(jīng)過960℃正火態(tài)下的滑移線相對較多。這是因?yàn)椋紤B(tài)的Q345E鋼經(jīng)過熱軋之后，出現(xiàn)大量的塑性變形，位錯運(yùn)動導(dǎo)致滑移帶的增殖；而原始態(tài)的棒料經(jīng)過正火處理后，組織發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，滑移線相應(yīng)減少。一般材料的屈服強(qiáng)度與滑移線相關(guān)，滑移線越多，材料發(fā)生塑性變形所需的阻力越大，材料的屈服強(qiáng)度也就越高。3分析與討論3.1正火溫度文獻(xiàn)此外，吳尚超等式中：A、m為常數(shù)；D為鐵素體晶粒尺寸，μm;T在Q345E鋼的熱處理工藝試驗(yàn)研究中，正火溫度處于910～960℃時，材料的沖擊性能與組織狀態(tài)、尺寸都處于最佳狀態(tài)；當(dāng)正火溫度高于1000℃時，晶粒長大，晶粒度處于8.5級左右，性能無法滿足使用要求。因此，對于性能不合格的Q345E鋼，應(yīng)進(jìn)行重新正火處理，在合理的熱處理工藝制度下，使得顯微組織與晶粒大小發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到預(yù)期的組織形態(tài)和相應(yīng)的力學(xué)性能。3.2顯微組織的種類根據(jù)Q345E鋼的CCT曲線可知，在不同的冷卻速度條件下，該鋼的顯微組織為珠光體+鐵素體組織、珠光體+鐵素體+貝氏體組織、貝氏體+鐵素體組織以及馬氏體組織等。不同的顯微組織對應(yīng)于不同的強(qiáng)度和韌性特征。對于低合金高強(qiáng)度Q345E鋼，顯微組織類型、組織比例對該鋼的低溫沖擊韌性影響較大。在該鋼的化學(xué)成分一定時，采用熱處理工藝優(yōu)化，獲得具備不同低溫韌性特征的組織狀態(tài)。一般而言，不同組織的韌脆轉(zhuǎn)變溫度按高低順序4熱處理制度對p45e鋼力學(xué)性能的影響(1）通過對Q345E鋼進(jìn)行熱處理優(yōu)化，獲得了綜合性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求的合格產(chǎn)品，解決了Q345E鋼力學(xué)性能不穩(wěn)定、低溫沖