氮、铝元素对Q345E角钢低温韧性影响的研究.docxVIP

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氮、铝元素对Q345E角钢低温韧性影响的研究

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刘大为

摘要：E级钢的低温韧性成品检测中最主要的技术指标，如何保证在-40℃试验条件下的冲击功是开发生产Q345E角钢的关键因素，本文研究了合金元素对低温韧性的影响，重点是通过实验室试制和工业化生产，对氮、铝元素对Q345E角钢低温韧性的影响规律进行了研究。结果表明，氮含量越低，角钢的低温冲击韧性越好，生产中应严格控制氮含量，铝含量低于100ppm或高于200ppm时样品冲击性能较好，而当铝含量在100-200ppm范围时冲击韧性降低，因此生产中应尽量避免该铝含量范围。

关键词：E级钢；合金元素；低温韧性

0引言

角钢做为结构钢的一种，用途广泛，如建筑、厂房、桥梁、船舶、铁塔、塔机设备等。国内常见的材质主要是普碳钢和低合金钢，如Q235、Q345、Q420；国外如欧标、美标、德标、日标也基本是相同的强度级别。近年来，随着国外市场的开发，一些桥梁、舰船、机场建设工程对温度更低的角钢有了明显的需求和增长，宣钢进行了Q345E级角钢的研究。

1合金元素的选择

按照宣钢B、C级生产经验，主要是以C、Si、Mn保强度，少量V细化晶粒，P、S控制在要求范围内即可。而Q345E为保证-40℃的低温冲击韧性，不仅需控制P、S，还要适当调整其它合金元素。减少碳含量、增加锰含量能显著降低钢材的韧脆转变温度，锰碳比越高，韧脆转变温度越低。此外，硫、磷等元素均会损害钢的韧性，提高韧脆转变温度[1]-[2]。一般认为，这些元素会在晶界偏析，降低晶界的表面能，促进沿晶断裂[3]。

锰、镍使钢材的韧脆转变温度降低，铝几乎没有影响；钛、钒之类的微合金元素在含量较低时提高韧脆转变温度，达到某一含量后，使其降低；其它合金元素都会不同程度地提高韧脆转变温度，其中碳、硅、磷之类的固溶原子对韧脆转变温度的升高作用特别显著。最终确定V、Al复合微合金化，以达到最优的力学性能。

V在加热条件下可以充分溶解[4]，在冷却过程中，以碳、氮化物的形式在钢中大量析出，这些处于共格状态的细小弥散析出物提高了基体强度。同时，钒元素在基体与晶界上以碳、氮化物的形式存在还可以阻止晶粒的继续长大，最终得到晶粒细小的铁素体组织，达到增强钢材韧性的效果。

铝作为一种强氧化剂，具有较高的稳定性，可以生成细小的氧化物弥散分布在钢中。氧化物能作为夹杂物形核的中心，诱导氮化物、硫化物和碳化物的附着析出。增加钢材中的含铝量可以降低钢材中的氧含量，从而去除钢材中的各种氧化物与硫化物等杂质，使钢材的纯净度提高。同时，铝还是一种强的定氮剂，形成纳米级的AlN析出物，提高钢的热稳定性，抑制钢在热循环过程中的奥氏体晶粒粗大化，最终使钢材的韧性得到改善[5]。

2实验室分析

实验室分为四种成分试验钢进行模拟分析，即：

（1）钒铝含量相同情况下，研究氮含量对组织与性能的影响。

（2）钒氮含量相同情况下，研究铝含量对组织与性能的影响。

2.1实验室冶炼

将原料在真空电磁感应炉里熔炼，按照实验设计浇铸四种Al含量不同的钢锭，钢锭质量为50kg，钢锭断面为150mm×150mm。然后将钢锭经过热轧，热轧参数为：加热温度1150℃，保温1小时，开轧温度1050℃，轧制速度1.0m/s。钢锭经过9道次轧制轧成15mm厚的钢板，最大道次压下量为28.6%，轧制道次及每道次压下量如表1所示。对试验钢成分进行光谱分析，实际化学成分如表2所示，实际检测成分与设计成分基本保持一致。

2.2检测与分析

（1）拉伸试验

将热轧后的钢板制成标准拉伸试样在拉伸试验机上进行拉伸，拉伸力学性能如表3所示。试验表明，2#试验钢塑性最好，但屈服强度和抗拉强度最低。1#试验钢的强度略高于2#，塑性略低于2#。3#试验钢强度最好，4#试验钢的塑性最差。

可以得到如下结论：当添加0.008%的Al元素时，钢的屈服强度降低了10MPa，伸长率略有提升。当Al含量添加量达到0.03%时，屈服强度上升了5MPa，但伸长率急剧下降。保持Al含量不变，提高N含量时，钢的屈服强度和抗拉强度都大幅度提高，但伸长率下降。

（2）冲击试验

试验温度分别设定在20℃、-20℃、-40℃以及-60℃。室温下，4种试验钢的冲击功平均值均在200J左右，远远高于Q345系列的室温冲击功国标规定，并且均匀性良好。在-20℃时，4种试验钢的冲击功平均值也均高于100J，2#試验钢仍保持在200J以上。在-40℃时，4种试验钢的冲击功平均值都高于国标规定的34J，但冲击功的均匀性欠佳。在-60℃时，3#、4#试验钢冲击功平均值不达标，1#、2#试验钢冲击功平均值也仅满足国标规定，同样均匀性不好。对比各个试验温度下的冲击功，2#试验钢性能最好，1#和3#次之，4#最差。

由此可知，（1）含微量Al钢的冲击功