鋼中氮和殘余元素對螺紋鋼的影響

鋼中氮和殘余元素對螺紋鋼的影響

1鋼坯直接堆場cose堅果爐的過程包括：廢除鋼的連續(xù)鉆孔（coseil）、lf精煉、方桿連接、切割、加熱、小型連綿劑、精裝包儲存。它的特點是流程短,大部分鋼坯直接熱裝到小型連軋加熱爐中,節(jié)能效果好;但是投產(chǎn)后生產(chǎn)的螺紋鋼,生產(chǎn)?φ25mm以上規(guī)格的螺紋鋼時較正常,而當(dāng)規(guī)格在?φ14mm~22mm時出現(xiàn)了大量的屈服效應(yīng)不明顯現(xiàn)象,初檢合格率僅為59.83%,最終合格率只為74.57%,不合格品中85.23%的樣品是因屈服效應(yīng)不明顯,而檢測σ0.2仍不合格造成,所以解決?φ14mm~22mm螺紋鋼的屈服效應(yīng)不明顯現(xiàn)象問題是非常必要的。2測試方法2.1u2004c2003HRB335螺紋鋼的成分要求如表1所示。其中碳當(dāng)量Ceq值可按式(1)計算:Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15(1)Ceq=C+Μn/6+(Cr+V+Μo)/5+(Cu+Νi)/15(1)HRB335螺紋鋼的力學(xué)性能要求如表2所示。2.2拉伸試驗試驗取46條試樣,規(guī)格為?φ14mm的18條與?φ20mm的28條,每條試樣切成3根為一組,每組各取1根試樣(共46根)進(jìn)行拉伸試驗。對其中出現(xiàn)屈服效應(yīng)不明顯的試樣中,隨機(jī)抽取7根(試樣號為50、52、53、60、66、67、68)拉伸試樣,在熱處理爐中400℃保溫2h,然后空冷至室溫再進(jìn)行拉伸試驗。2.3材料的電鏡分析用于做拉伸試驗的試樣都取一小塊做金相檢驗,另取兩塊屈服效應(yīng)不明顯的試樣(試樣號為60、67)及其相對應(yīng)的400℃回火后的試樣進(jìn)行電鏡分析。2.4分析的弱化拉伸試驗后的試樣,都進(jìn)行化學(xué)成分分析。3試驗結(jié)果3.1拉伸和拉伸試驗對46根試樣進(jìn)行拉伸試驗,出現(xiàn)屈服效應(yīng)不明顯34根,出現(xiàn)有屈服效應(yīng)平臺的12根。在34根屈服效應(yīng)不明顯試樣中隨機(jī)抽取的7根試樣,經(jīng)400℃回火處理后,進(jìn)行拉伸試驗,都出現(xiàn)了屈服效應(yīng)平臺,而且屈服點(σs)較高(390~445MPa),抗拉強(qiáng)度(σb)沒有變化,伸長率(δ)明顯提高,見表3示。在顯微鏡、掃描電鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)屈服效應(yīng)不明顯的試樣的軋態(tài)組織中有較多含“小島”狀組織(即M-A組織)的粒狀貝氏體,經(jīng)顯微硬度試驗,也發(fā)現(xiàn)“小島”區(qū)的硬度較基體硬度高很多。而經(jīng)400℃回火后的試樣,觀察發(fā)現(xiàn)粒狀貝氏體中的M-A組織得到了分解。46根試樣的金相檢驗結(jié)果如表4所示,典型拉伸曲線如圖1所示。3.2mneq的爐數(shù)關(guān)系46根試樣氮含量分析結(jié)果顯示,試樣的氮含量較高,平均0.0156%,最高0.0282%。氮含量大于0.014%的試樣有27根,全部都是屈服效應(yīng)不明顯的試樣;有19根試樣的氮含量分布在0.0076%~0.0133%之間,其中12根試樣有屈服效應(yīng),7根試樣無屈服點。錳當(dāng)量的分布與屈服效應(yīng)不明顯的爐數(shù)關(guān)系如圖2。其中,Mneq=Mn+3.28Mo+0.64Cr+0.5W+0.37Ni+0.23Cu+0.03Si+22.2N此關(guān)系式是由抗拉強(qiáng)度與化學(xué)成分回歸分析得到初步表達(dá)式,考慮各元素對淬透性影響的大小,經(jīng)過反復(fù)修正和反復(fù)驗證Mneq與屈服效應(yīng)不明顯概率的相關(guān)性,從而得到此關(guān)系式。關(guān)系式中未考慮碳含量的影響,是因為韶鋼此生產(chǎn)線經(jīng)LF精煉后,碳含量控制的很好,基本都在0.17%~0.20%之間,故不考慮碳含量的波動對屈服現(xiàn)象不明顯的影響。4分析與討論4.1沖壓試驗結(jié)果分析由表4中可以看出,當(dāng)粒狀貝氏體量較多(約占20%以上)時,所有試樣屈服現(xiàn)象都不明顯,說明粒狀貝氏體量占20%以上時,HRB335螺紋鋼就會出現(xiàn)屈服現(xiàn)象不明顯;當(dāng)粒狀貝氏體量低于20%時,隨粒狀貝氏體量的減少,出現(xiàn)屈服現(xiàn)象不明顯的機(jī)會越少;當(dāng)粒狀貝氏體量少于5%時,出現(xiàn)屈服現(xiàn)象不明顯的可能性就很低。含粒狀貝氏體量20%以上的試樣經(jīng)400℃回火后進(jìn)行拉伸試驗時,則出現(xiàn)了明顯的屈服平臺,即有屈服效應(yīng)。利用掃描電鏡觀察400℃回火試樣中的“小島”狀組織,發(fā)現(xiàn)粒狀貝氏體中的島狀M-A組織已經(jīng)分解。說明造成HRB335螺紋鋼屈服現(xiàn)象不明顯主要是由出現(xiàn)較多的粒狀貝氏體。在具有鐵素體和少量的珠光體組織的低碳鋼(HRB335也屬于此)中出現(xiàn)的屈服現(xiàn)象,是位錯與溶質(zhì)原子的交互作用在力學(xué)性能上的強(qiáng)烈反應(yīng)。低碳鋼在受力前,位錯受到強(qiáng)烈釘扎,位錯密度也較小;為了以一定的速度實現(xiàn)變形,就要較高的位錯運動速度,這就要求不斷增大的外力來保證,但是,一旦在外力作用下位錯大量脫釘和增殖時,位錯密度就陡然增加,而應(yīng)變速率基本恒定,這樣外應(yīng)力將不得不減少以使位錯運動速度降低,這就是屈服現(xiàn)象產(chǎn)生的原因;而當(dāng)運動位錯密度增加引起強(qiáng)烈的位錯交互作用時,屈服就結(jié)束了;屈服現(xiàn)象的明顯程度決定于位錯密度的變化速率。當(dāng)貝氏體含量較高時,晶體中的位錯密度較高,強(qiáng)化作用較大,受力時位錯之間相互作用強(qiáng)烈,應(yīng)變硬化的行為突出,所以屈服現(xiàn)象不明顯。粒狀貝氏體是由塊狀的鐵素體和富碳奧氏體區(qū)所組成,試樣中觀察到的粒狀貝氏體就是α-γ組織(即M-A組織)。4.2化學(xué)成分與屈服之間的未知關(guān)系4.2.1螺紋鋼的屈服現(xiàn)象對46根螺紋鋼試樣檢測氮含量,檢測結(jié)果顯示,氮含量大于0.014%的試樣有27根,全部都是屈服效應(yīng)不明顯的試樣。另有19根試樣的氮含量分布在0.0076%~0.0133%之間,其中12根試樣有屈服現(xiàn)象,7根試樣無屈服現(xiàn)象,沒有顯示出氮含量與屈服不明顯的關(guān)系。此后對屈服現(xiàn)象不明顯試樣的氮含量做了大量的檢測,發(fā)現(xiàn)氮含量大于0.014%的試樣占了83%。這表明,氮含量偏高是造成螺紋鋼屈服現(xiàn)象不明顯的重要原因。這些工作是在Consteel電爐投產(chǎn)初期進(jìn)行的,這期間由于電爐與LF的原因,生產(chǎn)的螺紋鋼氮含量顯著偏高,脫氧用鋁量少(<0.05%),氮在鋼中主要呈固溶形態(tài)。氮是一種很強(qiáng)的奧氏體形成和穩(wěn)定元素,其效果約20倍于鎳,氮增大奧氏體穩(wěn)定性,使得在一定冷卻速度下,從奧氏體轉(zhuǎn)變到“鐵素體+珠光體”組織的正常轉(zhuǎn)變不完全,還有一部分的奧氏體轉(zhuǎn)變成粒狀貝氏體。4.2.2mneq的產(chǎn)品品質(zhì)由圖3可明顯看出,當(dāng)Mneq>1.84%時,出現(xiàn)屈服現(xiàn)象不明顯的概率很高,達(dá)到了94%;而當(dāng)Mneq<1.84%時,就不易出現(xiàn)屈服不明,僅為9%。這種現(xiàn)象通過對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的隨機(jī)抽查統(tǒng)計驗證,也出現(xiàn)了類似的結(jié)果。對2001年3月~2001年5月間所生產(chǎn)的螺紋鋼,取規(guī)格為?φ14mm~22mm100爐有屈服平臺的且各項性能指標(biāo)都合格的試樣,則發(fā)現(xiàn)有84爐的Mneq在1.66%~1.84%,并對此做顯著性水平檢驗,取a=0.05,而平均值x=1.79%、方差s=0.06%,檢驗結(jié)果Mneq<1.84%是顯著的;此期間共出現(xiàn)的屈服現(xiàn)象不明顯試樣共36爐,其中有32爐的Mneq>1.84%,只有4爐的Mneq<1.84%。如前所述,屈服不明主要由于產(chǎn)生了粒狀貝氏體所致,而產(chǎn)生粒狀貝氏體的影響因素中,主要與化學(xué)成分與冷卻速度有關(guān),圖3中忽略了冷卻速度因素(假定軋后的冷卻速度相對穩(wěn)定),仍然反映出Mneq與屈服現(xiàn)象不明顯之間的較強(qiáng)相關(guān)性。錳當(dāng)量式中的所有元素都是使連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)右移的元素,也就是增大奧氏體穩(wěn)定性,使得在一定冷卻速度下,從奧氏體轉(zhuǎn)變到“鐵素體+珠光體”組織的正常轉(zhuǎn)變不完全,還有部分的奧氏體在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變成粒狀貝氏體,導(dǎo)致拉伸曲線上無屈服平臺,即屈服現(xiàn)象不明顯。錳當(dāng)量(Mneq)指標(biāo)定量地反映出了螺紋鋼屈服現(xiàn)象不明顯現(xiàn)象與化學(xué)成分的內(nèi)在聯(lián)系。5減少殘余元素含量,提高錳的含量預(yù)防螺紋鋼屈服不明的工藝方法,是控制合適的錳當(dāng)量,在保證螺紋鋼強(qiáng)度的前提下,避免鋼的組織中出現(xiàn)粒狀貝氏體。生產(chǎn)中采取了三方面的措施:一是在電爐爐料中加入20%~30%的鐵水,稀釋鋼中的殘余元素含量;二是防止冶煉過程中鋼液吸氮,并使用鋁脫氧固氮,減少鋼中固溶氮的含量;三是根據(jù)鋼中鉬、鎢、鉻、鎳、銅等殘余元素含量來調(diào)整錳的含量,保證Mneq在1.66%~1.84%之間。采取以上措施后,規(guī)格為?φ14mm~22mm的螺紋鋼屈服不明的問題得到了很好的解決。在沒有改變軋鋼工藝的情況下,初驗屈服不明率從34%下降到3%以下,性能合格率從75%上升99%,隨著操作的進(jìn)一步完善,合格率還