李 艷，麻 衡，李文強(qiáng)

（山東鋼鐵股份有限公司 萊蕪分公司，山東 濟(jì)南271104）

1 前 言

俄羅斯阿穆?tīng)柟睬喑悄骋患託錈捇摻Y(jié)構(gòu)項(xiàng)目從萊鋼采購(gòu)GOST 27772—1988《建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材》標(biāo)準(zhǔn)中的C345系列產(chǎn)品，針對(duì)用戶(hù)提出采用1988版本的標(biāo)準(zhǔn)要求，萊鋼技術(shù)研發(fā)人員深入研究1988 版和2015 版標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別，并采用Nb-Ti-Ni 系合金化設(shè)計(jì)，通過(guò)潔凈鋼冶煉、控軋控冷工藝，開(kāi)發(fā)了低溫沖擊韌性和冷彎性良好的8～60 mm厚度規(guī)格C345系列（包括C345-1和C345-3）結(jié)構(gòu)用鋼板，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量化和規(guī)?；?/p>

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

C345-1、C345-3 結(jié)構(gòu)鋼板的力學(xué)性能及工藝性能見(jiàn)表1。為保證鋼板的強(qiáng)韌性、時(shí)效性、冷彎性和焊接性，其化學(xué)成分設(shè)計(jì)采取低碳中錳方案及Nb-Ti-Ni 微合金化處理［1］，同時(shí)嚴(yán)格控制鋼中P、S等有害元素含量，鋼板的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 C345系列鋼的力學(xué)和工藝性能要求

2.2 生產(chǎn)工藝控制

冶煉工況：嚴(yán)格按照C345 系列結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)成分進(jìn)行冶煉，有害元素的控制目標(biāo)：w（P）≤0.020%，w（S）≤0.010%，w（N）≤60×10-6，w（H）≤2.0×10-6，w（T.O）≤12×10-6。鑄坯中心偏析控制在1.5 級(jí)以下，中心疏松控制在0.5級(jí)以下。

軋制工藝：板坯加熱至1 160～1 250 ℃，采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)和奧氏體未再結(jié)晶區(qū)兩階段軋制工藝［2］，在4 300 mm寬厚板生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行熱軋。粗軋開(kāi)軋溫度1 120～1 220 ℃，終軋溫度大于1 050 ℃，精軋終軋溫度小于860 ℃。熱軋后以6～9 ℃/s 的速率進(jìn)行層流冷卻，冷卻后進(jìn)行矯直。

2.3 性能測(cè)試

各項(xiàng)性能檢測(cè)均從鋼板寬度的1/4處垂直于軋制方向切取試板進(jìn)行試樣加工，且均為雙倍試樣。

拉伸性能檢測(cè)：厚度≤25 mm 的鋼板采用扁平試樣，厚度＞25 mm 的鋼板采用圓柱型試樣，在型號(hào)為WAW-600D的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，測(cè)量量程為0～600 kN。

沖擊韌性檢測(cè)：厚度≥10 mm的鋼板，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。厚度＜10 mm 的鋼板，沖擊試樣尺寸為10 mm×5 mm×55 mm，沖擊缺口為U型。-40 ℃溫度下至少保持15 min后在型號(hào)為ZBC-2602的擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行橫向沖擊試驗(yàn)，測(cè)量量程為0～600 J。

時(shí)效沖擊韌性檢測(cè)：試樣拉伸10%后，在250 ℃溫度下保溫1 h，并在空氣中自然冷卻，20 ℃溫度下至少保持15 min后在ZBC-2602擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行橫向U型缺口沖擊試驗(yàn)。

冷彎性能檢測(cè)：厚度≥25 mm的鋼板，彎曲試樣厚度可機(jī)加工減薄至≮25 mm，且保留一個(gè)原表面；厚度＜25 mm 的鋼板，彎曲試樣厚度為原厚度，寬度均為20～50 mm。在型號(hào)為SBW-3000的連續(xù)彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行180°橫向彎曲試驗(yàn)，測(cè)量量程為0～180°。肉眼觀(guān)察彎曲后試樣表面是否有裂紋。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 顯微組織

熱軋后，在12 mm 厚度C345-1 鋼板上切取全厚度試樣，應(yīng)用砂紙逐級(jí)打磨和機(jī)械拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣不同厚度處的顯微組織進(jìn)行觀(guān)察分析，如圖1所示。C345-1鋼板的基體組織為鐵素體+珠光體，心部晶粒較為均勻細(xì)小，基本在8.0～8.5 級(jí)，帶狀組織在1.5～2.0 級(jí)。夾雜物以Ds 類(lèi)為主，等級(jí)在1.0～1.5級(jí)，夾雜物總和均在3級(jí)以下，說(shuō)明鋼質(zhì)純凈度較好，均達(dá)到預(yù)期組織形態(tài)。

圖1 C345-1鋼板的光學(xué)顯微金相組織

利用sigma500 掃描電鏡進(jìn)行微觀(guān)組織觀(guān)察分析，如圖2 所示。從圖2 可以明顯地看出，鋼板表面、1/4 厚度位置和芯部的珠光體組織主要以片狀形態(tài)存在于基體中，且鋼板厚度方向組織均勻，這為具有較好的強(qiáng)韌性提供了有利保證。

圖2 C345-1鋼板厚度方向掃描電鏡顯微組織

3.2 力學(xué)性能

對(duì)8、10、20、40、60 mm 幾種典型厚度規(guī)格的C345-1和C345-3鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：屈服強(qiáng)度≥400 MPa，抗拉強(qiáng)度≥500 MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥25.0%，鋼板力學(xué)性能良好，不僅具有較高強(qiáng)度，而且斷后伸長(zhǎng)率較好，各厚度規(guī)格鋼板性能穩(wěn)定、均勻。

3.3 沖擊韌性

影響鋼材沖擊韌性的因素有材料的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)、冶煉方法、內(nèi)在缺陷、加工工藝及環(huán)境溫度［3］。對(duì)8、10、20、40、60 mm 幾種典型厚度規(guī)格的C345-1 和C345-3 鋼板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明：鋼板-40 ℃U 型沖擊韌性良好，沖擊韌性單值和均值都在200 J/cm2以上，甚至有的達(dá)到300 J/cm2以上，完全滿(mǎn)足用戶(hù)在低溫寒冷環(huán)境中的使用要求。將12 mm 厚度C345-1 鋼板分別在0 ℃（V 型）、-20 ℃（V 型）、-40 ℃（V 型）、-60 ℃（V 型）、-20 ℃（U 型）、-40 ℃（U 型）進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)，試樣的沖擊韌性值隨溫度的降低呈下降趨勢(shì)，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-60 ℃。相同溫度下，試樣U 型沖擊韌性值高于V型沖擊韌性值。

圖3 12 mm厚C345-1鋼各溫度下沖擊韌性

3.4 時(shí)效沖擊韌性

時(shí)效的目的是消除工件的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機(jī)械性能等［4］。采用人工時(shí)效方式：試樣拉伸10%后，在250 ℃溫度下保溫1 h，并在空氣中自然冷卻。時(shí)效后在室溫（20 ℃）下進(jìn)行U 型沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明：時(shí)效后的沖擊韌性較好，時(shí)效單值和均值都在160 J/cm2以上，但與未時(shí)效的沖擊韌性相比，沖擊韌性值有一定的降低。

3.5 冷彎性能

鋼材的冷彎性能指標(biāo)用試件在常溫下能承受的彎曲程度表示。彎曲程度則通過(guò)試件被彎曲的角度和彎心直徑對(duì)試件的厚度的比值來(lái)區(qū)分。試件采用的彎曲角度越大，彎心直徑對(duì)試件厚度的比值越小，表示對(duì)冷彎性能的要求越高。冷彎試驗(yàn)試件的彎曲處會(huì)產(chǎn)生不均勻塑性變形，能在一定程度上揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織的不均勻、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物、未熔合和微裂紋等缺陷［5］。因此，冷彎性能可反映鋼材的冶煉質(zhì)量和焊接質(zhì)量。幾種典型規(guī)格的C345-1 和C345-3 鋼板冷彎性能結(jié)果全部合格，表明鋼板的冶煉質(zhì)量較好。

4 結(jié) 論

4.1 根據(jù)俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼的性能要求，在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上應(yīng)用Nb-Ti-Ni微合金化設(shè)計(jì)了C345-1、C345-3鋼板的化學(xué)成分，形成了一整套采用控軋控冷生產(chǎn)較高強(qiáng)度、具有良好低溫韌性、時(shí)效性、冷彎性的低合金結(jié)構(gòu)鋼的控制理論和工藝技術(shù)。

4.2 C345-1、C345-3 結(jié)構(gòu)鋼的組織主要為鐵素體和片狀珠光體。8～60 mm 厚鋼板板形良好，冷彎性能合格，鋼板具有較好的時(shí)效沖擊性，組織和性能在厚度方向上分布均勻。

4.3 不同規(guī)格C345系列鋼板的研制成功表明，利用較低的合金元素配合相應(yīng)軋制工藝能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良的工程結(jié)構(gòu)用鋼板，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化批量生產(chǎn)，填補(bǔ)了萊鋼俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 27772產(chǎn)品的空白。