熱軋h型鋼翼緣和腹板性能對比分析

熱軋h型鋼翼緣和腹板性能對比分析

目前，中國的h鋼采用二輥開拱和研磨工藝生產?？锥螜M截面上各區(qū)域的變形條件不同。隨著現(xiàn)有螺絲刀h的形狀限制，大面積h的h鋼鋼絲繩的總壓縮分辨率有限，產品的翼邊緣和腹部的力學特性差異很大。為了改善熱軋H型鋼產品在橫截面上的力學性能均勻性,優(yōu)化軋制工藝,有必要開展翼緣和腹板力學性能及顯微組織對比分析。1試驗材料及試樣尺寸由于異型坯和熱軋H型鋼均為雙軸對稱外形,開坯段和粗軋段的變形也為雙對稱,雖然從翼緣端部到根部的變形存在差距,但四塊半翼緣同一位置的總變形量分配在軋制過程中一致,而腹板均由水平輥軋制,其沿產品高度方向上的變形分配量基本一致。由于軋件呈“H形”在輥道上運輸,加上在上冷床前不翻鋼,下內腔散熱差,造成下翼緣溫度較上翼緣高。由于上內腔的冷卻水蓄流導致腹板表面溫度相對較低,尤其是腹板中間位置冷卻最快,為了突出對比試驗的差異性,力學性能和金相試樣分別在下翼緣和腹板取樣。試驗鋼牌號為Q345NQR2,規(guī)格為H600mm×200mm×11mm×17mm,選擇4支同牌號同規(guī)格及同批次的熱軋H型鋼,分別編號A、B、C、D,化學成分見表1。從4支試驗鋼上分別割取一段800mm長整體樣,在翼緣以1/6寬度為試樣軸線,在腹板以1/2高度為試樣軸線,按照標準GB/T228.1和GB/T229要求制取全厚度矩形短比例拉伸試樣和深度為2mm的V型缺口標準沖擊試樣,沿軋制方向切取金相試樣,試樣尺寸見表2。采用Z050/SN3A型拉伸試驗機,按照GB/T228.1要求進行室溫拉伸試驗;采用PKP450型沖擊試驗機,按照GB/T229要求進行-40℃沖擊試驗;金相試樣經磨制、拋光和4%硝酸酒精腐蝕后,采用ZEISSImagerA2M型光學顯微鏡觀察橫截面顯微組織形貌。2試驗結果2.1緣樣強度及強度提升幅度由表3可知,A、B、C和D試驗鋼的腹板樣屈服強度和抗拉強度均高于翼緣樣,其中屈服強度高10~25MPa,提升幅度為2%~6%,抗拉強度高21~39MPa,提升幅度為4%~7%。而腹板樣斷后伸長率均低于翼緣樣,差值為1.0%~2.0%,降低幅度為4%~6%。2.2低溫試驗由表4可知,A、B、C和D試驗鋼的腹板樣-40℃沖擊功(KV2.3顯微組織的特征由表5和圖2可知,A、B、C和D試驗鋼,翼緣樣和腹板樣的顯微組織均為鐵素體和少量珠光體,鐵素體含量為88%~91%,差別很小,珠光體分布均存在一定方向性,但未形成明顯帶狀,且珠光體領域的形貌基本一致。由對比可知,在翼緣樣顯微組織中,鐵素體晶粒多為等軸狀,而腹板樣的鐵素體晶粒多為扁平狀,長軸方向平行于產品高度方向,由軋制過程中腹板壓下寬展引起。腹板樣絕大部分的鐵素體晶粒短軸方向尺寸小于同一分段的翼緣樣鐵素體等軸狀晶粒,在長軸方向上,部分晶粒尺寸大于翼緣樣,但占比較小。腹板樣鐵素體晶粒短軸方向尺寸為4~19μm,長軸方向尺寸為7~49μm,而翼緣樣鐵素體晶粒尺寸為7~50μm,B和C試驗鋼存在明顯的混晶。3化學成分分析由試驗結果對比可知,A、B、C和D試驗鋼的翼緣樣和腹板樣顯微組織均為塊狀鐵素體少量未呈帶狀分布的珠光體,鐵素體含量差別很小,差值最大僅為3%,同一分段上翼緣和腹板的化學成分也基本一致,僅鐵素體晶粒外形和尺寸有明顯區(qū)別。而翼緣樣和腹板樣,在力學性能方面卻有明顯差別,所以鐵素體晶粒外形和尺寸,是此條件下的關鍵影響因素。3.1應力集中程度的影響研究表明,軋制變形形成的扁平狀鐵素體晶粒存在自發(fā)向等軸狀晶粒轉變的趨勢,以期通過減少晶界面積來降低界面能。由于腹板樣均為扁平狀晶粒,相對翼緣樣而言,其晶粒尺寸細小,所以腹板樣的晶界總面積大于翼緣樣。在多晶體變形中,塑性變形是由相鄰晶粒協(xié)調變形激發(fā)的,而在其晶界附近的應力集中是激發(fā)關鍵,存在臨界值。大量試驗證明,在外力作用一定的情況下,應力集中程度隨晶界面積增大而降低,只有繼續(xù)施加更大外力,才累積到激發(fā)塑性變形的應力集中程度,宏觀上造成了材料的屈服強度升高。所以,腹板樣的屈服強度高于翼緣樣由于晶粒尺寸越小,尺寸分布越均勻,在塑性變形過程中,晶粒內部和晶界附近的應變差小,且承擔塑性變形的晶粒數(shù)量越多,每個晶粒分擔的變形越小,從而降低了因應力集中引起材料開裂的機會。只有塑性變形繼續(xù)進行,位錯數(shù)量增加,位錯交割加強,通過位錯塞積引起的應力集中超過臨界值,才能引發(fā)材料發(fā)生開裂進而發(fā)生斷裂。材料的晶粒尺寸越細小,尺寸分布越均勻,每個晶粒的變形分配量越少,抗斷裂能力加強,從而使得腹板樣的抗拉強度高于翼緣樣。3.2晶粒轉動對變形的影響斷后伸長率反映的是材料在斷裂前的塑性變形能力。雖然腹板樣總體晶粒尺寸細小,且更均勻,有利于材料塑性的發(fā)揮,但其長軸和短軸尺寸比約為2∶1,塑性變形在長軸和短軸方向的變形量有差距,且扁平狀晶粒轉動引起更大的的畸變能,對整體均勻塑性變形存在不利影響。從試驗結果看,腹板樣的斷后伸長率稍低于翼緣樣,表明在其他條件相同的情況下,扁平狀晶粒的均勻塑性變形能力稍弱于等軸狀晶粒,在進入失穩(wěn)的局部塑性變形前,扁平狀晶粒的塑性變形量較小,但因存在總體晶粒尺寸細小和均勻的有利因素,所以腹板樣的斷后伸長率降低程度很小。3.3腹板樣低溫沖擊功與翼緣樣的尺寸變化及其尺寸差異不同于室溫拉伸較為緩慢的變形過程,-40℃沖擊試驗的載荷是瞬間加載到沖擊試樣上的。雖然在室溫下,扁平狀晶粒的宏觀塑性變形量稍小于同尺寸等軸狀晶粒,但在降低至一定溫度后,瞬間變形分配能力的強弱變成了影響材料低溫沖擊功的主導因素。腹板樣的總體晶粒尺寸更細小,尺寸更均勻,瞬間變形的分配能力明顯優(yōu)于翼緣樣,從而導致其低溫沖擊功高于翼緣樣。翼緣樣存在明顯的混晶,其瞬間變形的分布不均勻,大尺寸晶粒已發(fā)生屈服,小尺寸晶粒還未轉動,晶界兩邊的應變差顯著增大,在三個晶粒交界處最為明顯,從而很容易形成微裂紋進而引發(fā)斷裂。所以腹板樣的低溫沖擊功較翼緣樣有明顯提升,且幅度遠大于屈服強度和抗拉強度的提升。晶粒尺寸越細小、越均勻,軋件條形不同位置的晶粒尺寸差異也越小,所以沿著軋制方向制取的同組三個沖擊試樣的顯微組織,尤其是晶粒尺寸差別小,使得腹板樣低溫沖擊功同組三個單值的散差小于翼緣樣。相比翼緣樣的等軸狀鐵素體晶粒而言,腹板樣的扁平狀晶粒,由于其尺寸細小且分布均勻,在稍微降低材料斷后伸長率的情況下,屈服強度和抗拉強度有小幅提升,低溫沖擊吸收功則大幅提升,其綜合力學性能明顯改善。4顯微組織的尺寸(1)熱軋H型鋼腹板取樣的屈服強度、抗拉強度和低溫沖擊功高于翼緣取樣,強度高10~39MPa,低溫沖擊吸收功提升幅度達到125%~159%,但斷后伸長率稍低于翼緣取樣。(2)熱軋H型鋼腹板的顯微組織主要為扁平狀鐵素體晶粒,其短軸尺寸為4~19μm,長軸方向尺寸為7~