某批次熱機械軋制鋼板(TMCP)材料為Q420GJC鋼，厚度為55mm。按照 GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》，在鋼板1/4厚度處取直徑為10mm的圓棒拉伸試樣，并按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行拉伸試驗，并在鋼板1/4厚度附近位置取樣，再次進行2次拉伸試驗，3次力學性能測試的結果如表1所示。由表1可知：初始測得的屈服強度為375MPa，抗拉強度為543MPa，其中屈服強度比標準要求的下限410MPa低了35MPa；2次復驗測得的屈服強度分別為401MPa和418MPa，比初始測得的屈服強度增大了約40MPa，且2次復驗測得的抗拉強度也相差41MPa。
該鋼板的力學性能差異較大，對拉伸試驗過程進行排查，排除了人為和試驗設備的原因。針對這一問題，研究人員進行了一系列理化檢驗，研究了該Q420GJC鋼板力學性能不合格以及測試結果差異大的原因，并提出了相關改進建議，以避免對鋼板產品性能的判定出現(xiàn)爭議。
1、 理化檢驗
1.1 化學成分分析
對該Q420GJC鋼板進行化學成分分析，結果如表2所示，可見鋼板的主要化學元素的含量均符合產品標準規(guī)定，因此可以排除鋼板取樣、制樣或煉鋼過程化學成分控制偏離的原因。
1.2 不同厚度位置的拉伸試驗
考慮到鋼板厚度為55mm，且力學性能測試結果的差異較大，有可能是圓棒拉伸試樣的取樣位置存在偏差所致，因此在鋼板7個不同厚度位置取樣進行拉伸試驗，取樣位置如圖1所示，其中位置1位于上表面下方12mm處，位置2位于上表面下方14mm(1/4厚度)處，位置3位于上表面下方17mm處，位置4位于鋼板心部(1/2厚度)，位置5位于下表面上方17mm處，位置6位于下表面上方14mm(3/4厚度)處，位置7位于下表面上方12mm處。
將試樣加工成直徑為10mm的圓棒試樣，此外還加工了一個全厚度矩形截面拉伸試樣，對試樣進行拉伸試驗，結果如表3所示。由表3可知：位置1~7的屈服強度和抗拉強度變化趨勢總體一致，其中位置1和位置7的力學性能最好，其屈服強度分別為459MPa和488MPa，抗拉強度分別為604MPa和631MPa；鋼板1/4厚度處(位置2)和3/4厚度處 (位置6)的屈服強度分別降低至415MPa和432MPa，抗拉強度分別降低至575MPa和587MPa；鋼板中心(位置3和位置5)的屈服強度和抗拉強度繼續(xù)降低，其中屈服強度分別降至394MPa和409MPa，已經低于標準要求的下限(410MPa)，鋼板中心處(位置4)的屈服強度和抗拉強度最低，分別為372MPa和531MPa；全厚度矩形拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度分別為438MPa和589MPa，大于鋼板1/4厚度處和3/4厚度處的屈服強度和抗拉強度，且滿足標準要求。
1.3 不同厚度位置的硬度測試
從鋼板上表面沿鋼板厚度方向每隔2mm取樣，進行維氏硬度測試，直到覆蓋鋼板全厚度，鋼板厚度方向的硬度分布曲線如圖2所示。圖2中的曲線形狀呈現(xiàn)出兩頭高、中間低的“碗”形分布特征，其中鋼板上、下表面的硬度最大，約為220HV；鋼板1/4和3/4厚度處的硬度降至183HV和194HV；鋼板心部處的硬度最低降至165HV，比鋼板表面硬度降低了55HV。硬度測試結果與力學性能測試結果基本吻合，符合碳鋼硬度與抗拉強度成正比關系的一般規(guī)律。
1.4 金相檢驗
在拉伸試樣的鄰近位置截取全厚度金相試樣，經研磨、拋光后，用4%(體積分數(shù))硝酸乙醇溶液腐蝕，然后在光學顯微鏡下對鋼板不同厚度處的顯微組織進行觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：鋼板上、下表面附近的組織為貝氏體+少量針狀鐵素體；1/4厚度處的組織是針狀鐵素體+珠光體，且中間夾雜著少量粗大多邊形鐵素體；1/2厚度處的組織是鐵素體+珠光體，其中粗大多邊形鐵素體含量較多，晶粒尺寸較大；3/4厚度處的顯微組織主要是貝氏體+少量鐵素體，該處的晶粒尺寸比上、下表面附近的晶粒尺寸大。
2、 綜合分析
基于該實驗室的試驗機能力以及GB/T 2975—2018的要求，對于厚規(guī)格(厚度大于50mm)TMCP鋼板，通常采用1/4厚度處的圓截面拉伸試樣進行拉伸試驗，而此次試驗中，該位置圓棒拉伸試樣的屈服強度波動較大，上述位置2和位置3的拉伸試樣取樣位置僅相差3mm，屈服強度相差21MPa。雖然鋼板全厚度矩形拉伸試樣的屈服強度滿足產品規(guī)定，但鋼板1/4厚度處的圓棒力學性能已無法代表鋼板的整體性能。從鋼板不同厚度位置的硬度分布曲線上也能發(fā)現(xiàn)，鋼板1/4厚度處的硬度變化非常大，這與力學性能測試結果相吻合。從金相檢驗結果可知，不同厚度位置的組織差異較大，1/4厚度處的顯微組織無法代表全厚度的組織形態(tài)?？紤]到實際試樣加工過程中的位置偏差不可避免，采用1/4厚度處的圓棒拉伸試樣在特殊情況下會影響產品的性能判定。因此，對于 TMCP鋼板，當機加工和試驗機能力允許時，應使用全厚度試樣，或在產品協(xié)議中對拉伸試樣的類型進行明確規(guī)定，否則容易引起性能異議。
按照鋼板的化學成分和軋制工藝，正常情況下鋼板的顯微組織應為貝氏體，且不同厚度位置的組織應相對均勻一致，而該鋼板不同厚度位置的顯微組織截然不同，產生該異?，F(xiàn)象的原因可能是軋制過程中某個控制步驟出現(xiàn)了偏差，如終軋溫度偏高、冷卻速率較慢等，從而影響了鋼板內部組織的相變過程，導致貝氏體轉變僅發(fā)生在鋼板的上、下表面處，鋼板內部發(fā)生的是鐵素體和珠光體轉變，最終使鋼板在不同厚度位置形成了差異較大的顯微組織。要探究發(fā)生該異常的確切原因需要對鋼板整個軋制工藝過程進行更深入的調查。
3、 結論與建議
(1)該鋼板力學性能異常原因是鋼板軋制過程中某些控制步驟出現(xiàn)偏差，導致鋼板內部在厚度方向上的顯微組織分布不均勻，造成1/4厚度處圓棒試樣的力學性能不穩(wěn)定，無法有效代表鋼板的整體性能。
(2)對于TMCP厚規(guī)格鋼板，供貨雙方宜在產品協(xié)議中對拉伸試樣的類型進行規(guī)定，當產品性能有爭議時，應采用全厚度矩形拉伸試樣進行仲裁。此外，在新產品開發(fā)或發(fā)生產品性能質量糾紛時，可對鋼板不同厚度處的力學性能進行全面分析。
作者：張華
單位：寶山鋼鐵股份有限公司 制造管理部
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第6期
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