中碳鋼是碳素鋼的一種,使用范圍較為廣泛,除用于制造建筑結(jié)構(gòu)外,還大量用于制造各種機(jī)械零件[1]。中碳鋼具有一定的塑性和韌性、較高的強(qiáng)度,以及良好的切削性,但其焊接性能較差,淬火、回火后具有良好的綜合力學(xué)性能。 

1.   試驗(yàn)材料及方法

選用某牌號(hào)中碳鋼,碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%~0.50%,含有Mn、Si、Ti、Al、B等合金元素。在相同軋制條件下,選取卷曲溫度為680,600,520 ℃對(duì)中碳鋼進(jìn)行加工,分別編號(hào)為1~3號(hào)。鋼板的厚度為8 mm,在板寬1/4處分別切取平行于軋向、垂直于軋制面的試樣,對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)、維氏硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)及掃描電鏡（SEM）分析,分析卷曲溫度對(duì)中碳鋼組織及力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果可為提高中碳鋼的力學(xué)性能提供理論支撐。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   拉伸試驗(yàn)

按照GB/T 2975—2018 《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試驗(yàn)制備》及GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》,切取軋制方向試樣進(jìn)行機(jī)械加工,試樣長(zhǎng)度為350 mm,寬度為35 mm,平行長(zhǎng)度為120 mm,平行寬度為25 mm（見(jiàn)圖1）。測(cè)量試樣厚度、寬度并計(jì)算出試樣的原始橫截面積,標(biāo)記試樣原始標(biāo)距為短比例標(biāo)距。 

圖  1  拉伸試樣尺寸示意

試樣1~3拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：隨著卷曲溫度的降低,試樣的規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均逐漸增大,斷后伸長(zhǎng)率逐漸減小,材料的塑性變差。 

2.2   維氏硬度測(cè)試

維氏硬度測(cè)試對(duì)試樣表面的粗糙度要求較高,因此試驗(yàn)前需對(duì)試樣進(jìn)行磨拋處理,以保證試樣表面平整光滑、無(wú)水漬或油脂等污染物。 

依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》,將待檢試樣平穩(wěn)放置在試驗(yàn)臺(tái)上,試驗(yàn)力為10 N。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)時(shí)測(cè)量的第一點(diǎn)不計(jì)入原始數(shù)據(jù),自第二點(diǎn)起測(cè)量6點(diǎn)并計(jì)算平均值,測(cè)量時(shí)任一壓痕中心到試樣邊緣距離至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的2.5倍,兩相鄰壓痕中心之間的距離至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的3倍。試樣1~3維氏硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知：隨著卷曲溫度的降低,材料的硬度逐漸增大,材料的耐磨性變好。 

2.3   金相檢驗(yàn)

中碳鋼的顯微組織是決定其力學(xué)性能的重要因素之一。熱軋卷板的顯微組織是由冷卻過(guò)程中的中間溫度與終冷溫度決定的[2-3]。材料中的帶狀組織是由元素偏析導(dǎo)致的,是一種常見(jiàn)的顯微組織缺陷,不僅影響鋼的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能,而且會(huì)影響鋼的熱加工和焊接性能[4]。 

依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,將試樣1~3依次磨制、拋光、腐蝕處理,利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：按照GB/T 34474.1—2017 《鋼中帶狀組織的評(píng)定 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》,試樣1~3的帶狀級(jí)別分別評(píng)定為2.0,2.0,1.0級(jí)；試樣1~3的顯微組織均為鐵素體+珠光體,試樣1有明顯的鐵素體條帶,四周鐵素體條帶和珠光體條帶沿軋制方向呈不連續(xù)分布,且分布不均,晶粒尺寸較為粗大；試樣2鐵素體和珠光體分布較均勻,晶粒尺寸較小且均勻；試樣3整體晶粒尺寸較小,組織更加致密,鐵素體和珠光體分布的均勻性最好,沿軋制方向呈不連續(xù)條帶。 

圖  2  試樣1~3的顯微組織形貌

2.4   SEM分析

試樣1~3的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣1鐵素體和珠光體條帶比較分明,呈不連續(xù)分布,晶粒尺寸粗大；試樣2鐵素體和珠光體分布較均勻,鐵素體基體上分布了大量珠光體,且晶粒尺寸較試樣1細(xì)小均勻；試樣3組織形態(tài)整體分布較均勻,鐵素體基體上分布了大量的珠光體團(tuán),沿軋制方向呈不連續(xù)分布。 

圖  3  試樣1~3的SEM形貌

試樣1~3的珠光體片層間距測(cè)量結(jié)果如表3所示。由表3可知：試樣1珠光體片層間距平均值為393.4 nm,試樣2珠光體片層間距平均值為258 nm,試樣3珠光體片層間距平均值為195.3 nm。試樣3的卷曲溫度較低,試樣中部分珠光體片層被打斷,會(huì)影響材料的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能。 

3.   綜合分析

綜合上述分析可知,試樣1~3組織均主要為鐵素體+珠光體。高溫軋制后,卷曲溫度較高,導(dǎo)致材料的珠光體粗大,片層間距加厚,最終導(dǎo)致材料的力學(xué)性能較低。珠光體片層間距是影響材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素,隨著卷曲溫度的降低,珠光體的片層組織逐漸細(xì)化,使得材料的強(qiáng)度和硬度變大,更易于滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)材料后續(xù)的加工檢驗(yàn)需求。隨著卷曲溫度的降低,試樣的強(qiáng)度、硬度變大,塑性變小,在后期對(duì)材料進(jìn)行折彎、抽引等加工時(shí),材料易出現(xiàn)微裂紋。隨著卷曲溫度的降低,試樣的顯微組織形貌也發(fā)生變化,鐵素體和珠光體分布更加均勻,帶狀級(jí)別越來(lái)越小,帶狀組織越來(lái)越不明顯。 

4.   結(jié)論

（1）降低卷曲溫度可以改變材料的顯微組織形貌,隨著卷曲溫度的降低,鐵素體和珠光體分布更加均勻,珠光體片層間距減小,帶狀級(jí)別越來(lái)越小,帶狀組織越來(lái)越不明顯。 

（2）隨著卷曲溫度的降低,材料強(qiáng)度、韌性、硬度明顯變大,塑性變差。

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