影響鋼材性能指標(biāo)的幾點(diǎn)探討

一、冷彎性能

1.鋼坯連鑄工藝對(duì)冷彎性能起決定因素。

2.冷彎性能隨著S含量的升高而變壞,一般情況下,S＜0.025%安排軋制25以上規(guī)格產(chǎn)品以降低冷彎性能對(duì)S的敏感性.

3.對(duì)冷彎影響大小的排序?yàn)?條帶狀MnS＞鏈狀硅酸鹽等夾雜物＞帶狀組織。球化夾雜物的影響大為降低。

4.軋后冷速過快，馬氏體增多惡化冷彎性能。

5.螺紋鋼表面質(zhì)量如發(fā)紋,皮下氣泡,折疊等,會(huì)造成冷彎裂紋,但一般情況不會(huì)造成冷彎斷裂;而鋼材內(nèi)部缺陷如分層,內(nèi)裂等大多情況下直接造成冷彎斷裂。

7.螺紋鋼內(nèi)應(yīng)力過大惡化冷彎性能,主要為冷卻工藝（風(fēng)冷或不正常冷卻速度等原因）不合理。

8.混晶組織，魏氏組織降低冷彎性能。

二、韌性

1、在強(qiáng)化機(jī)理中，只有細(xì)晶強(qiáng)化降低鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

2、在成分中，只有Mn和Ni能降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，而Mn含量＞0.4%才起作用。其它元素如Nb、V、Ti實(shí)際是通過細(xì)化組織晶粒而起作用。

3、組織細(xì)小、均勻，脆性轉(zhuǎn)變溫度低，反之則高。

4、魏氏組織和混晶組織，使沖擊值降低。

5、S、P惡化韌性。

6、夾雜物惡化韌性，可通過降低O含量和使夾雜物變性來減輕其影響.

7、冶煉中采用Al、Si復(fù)合脫O 的工藝，鋼材的韌性明顯提高。

8、低的終軋溫度可以明顯提高韌性。

以上是定性地分析，但實(shí)際上，很多性能是相互矛盾的，因此生產(chǎn)中，一定要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，找出最薄弱點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化工藝，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

三、幾種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)韌性的影響

1）固溶強(qiáng)化：隨著合金元素的增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度上升，只有Mn（大于0.4%）Ni能使轉(zhuǎn)變溫度降低。間隙式固溶強(qiáng)化韌性下降明顯，而置換式基本上不消弱基體的韌性。C、N都屬于間隙式固溶。

2）位錯(cuò)強(qiáng)化：由于位錯(cuò)的合并以及在障礙處的塞積會(huì)促進(jìn)裂紋形核，使得韌性降低。

3）沉淀強(qiáng)化：這種強(qiáng)化方式使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，原因是在鐵素體內(nèi)析出的質(zhì)點(diǎn)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得韌性下降。

4）細(xì)晶強(qiáng)化：組織為細(xì)小晶粒增加了晶界面積，而晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶界可把塑性變形限定在一定的范圍內(nèi)，使變形均勻化，同時(shí)晶界又是裂紋擴(kuò)展的阻力，因此可提高強(qiáng)度，改善韌性。

可見，細(xì)晶強(qiáng)化是改善韌性的唯一強(qiáng)化方式。

四、開軋、終軋溫度對(duì)韌性的影響

降低開軋、終軋溫度可以改善鋼材的韌性，主要原因是細(xì)化了鐵素體晶粒。

五、控制軋制對(duì)韌性的影響

一般軋制分三個(gè)階段，即奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，兩相區(qū)軋制。一般控軋都是在奧氏體再結(jié)晶和未再結(jié)晶區(qū)完成，控軋的目的也就是獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，使得最終獲得細(xì)小的組織。奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制主要是通過反復(fù)再結(jié)晶得到細(xì)小的奧氏體晶粒，而未再結(jié)晶區(qū)軋制主要是增加奧氏體晶粒內(nèi)部的變形帶密度，使的組織轉(zhuǎn)變時(shí)形核點(diǎn)多，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。兩個(gè)階段相比，第二階段對(duì)韌性的提高作用更大，且壓下量越大越明顯，因此建議降低精軋機(jī)開軋溫度和終軋溫度，同時(shí)適當(dāng)?shù)靥岣叩来螇合铝浚愿纳祈g性指標(biāo)。

六、冷卻制度對(duì)韌性的影響

在控軋之后進(jìn)行控冷可以控制相變組織，對(duì)低C鋼來說，相變?nèi)拷Y(jié)束后，冷卻速度對(duì)組織沒有什麼影響，但由于軋后組織為奧氏體，必須進(jìn)行冷卻，使組織轉(zhuǎn)變盡快完成，以達(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒，提高韌性的目的，但要以不出現(xiàn)異常組織為原則。

七、Als作用介紹

1）在煉鋼中Al是作為脫O元素而加入的，它不僅能降低鋼中的O含量，還有細(xì)化晶粒，改善韌性，防止時(shí)效的作用。

2） Al與N的親和力很大，可以起到固N(yùn)的作用，因而防止時(shí)效，另外Als能阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，特別是在800-950℃溫度范圍內(nèi)能保證奧氏體有細(xì)小的晶粒尺寸，使得最終組織細(xì)小，韌性提高。

3） Al如果含量過高，形成的氧化物多，會(huì)起到相反的作用，因此一般控制范圍為0.010-0.030%。

八、魏氏組織的危害：

1. 在最終熱處理會(huì)有增大變形的傾向；

2. 使鋼的力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低，同時(shí)使脆性轉(zhuǎn)折溫度升高。

綜上述原因，生產(chǎn)線生產(chǎn)大規(guī)格螺紋鋼筋時(shí)，經(jīng)常連續(xù)出現(xiàn)力學(xué)試樣冷彎性能不合格，因橫肋根部出現(xiàn)橫向裂紋而造成大批鋼筋變?yōu)閺U品，嚴(yán)重影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，且影響到市場(chǎng)信譽(yù)。

軋鋼可以優(yōu)化及存在的問題分析：

1）、應(yīng)力集中造成。月牙肋鋼筋其橫肋與內(nèi)徑表面相交處因無(wú)圓弧過渡，軋制過程中產(chǎn)生的不均勻變形，會(huì)使橫肋根部與基體表面之間產(chǎn)生拉應(yīng)力，鋼筋在冷彎過程中，受彎曲應(yīng)力的作用，鋼筋受彎曲部位的外表始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，這種殘余拉應(yīng)力的存在，使得橫肋根部的塑性、韌性遠(yuǎn)小于基圓部分的塑性、韌性。其抗斷裂能力大為降低。而且此應(yīng)力值可隨著橫肋斜角角度增加而使應(yīng)力集中的趨勢(shì)愈加明顯。在冷彎過程中此處產(chǎn)生裂紋的可能性就愈大。

2）、前滑影響。由于前滑的存在，軋件在某點(diǎn)的線速度大于軋輥在該點(diǎn)的線速度，造成軋輥槽底刮擦橫肋，導(dǎo)致橫肋底部產(chǎn)生微裂紋，但此時(shí)裂紋較輕微，成品檢驗(yàn)時(shí)不容易發(fā)現(xiàn)，冷彎時(shí)則成為重要裂紋源。

基于以上思路，對(duì)大規(guī)格螺紋鋼筋的橫肋尺寸構(gòu)成及成品孔型的前滑值進(jìn)行重新確認(rèn)和驗(yàn)算。

某車間案例：(某車間生產(chǎn)36以上大規(guī)格鋼筋，出現(xiàn)冷彎性能不合格材比率4.09%)

原φ36、φ40、φ50螺紋鋼筋的橫肋斷面為等腰梯形，底角ａ均為50度，且橫肋與鋼筋中心線的夾角均為69度。如圖1所示：

圖1 原月牙肋鋼筋（帶縱肋）表面及截面形狀圖

又對(duì)各規(guī)格鋼筋的前滑值進(jìn)行計(jì)算，φ36、φ40、φ50螺紋的取值分別為10%、5%、5%。

分析認(rèn)為，為減小鋼筋在軋制過程中的前滑對(duì)橫肋根部的影響，應(yīng)對(duì)橫肋底角及橫肋與鋼筋的夾角進(jìn)行必要的修改。

措施和實(shí)施方案

1）將橫肋斷面由等腰梯形改為不等腰梯形，沿鋼筋軋制方向的底角由原50度改為45度，以減小橫肋脫槽困難及底部應(yīng)力集中的趨勢(shì)，如圖2。

圖2 改進(jìn)后月牙肋鋼筋橫筋界面圖

2）將橫肋與鋼筋長(zhǎng)度方向的夾角由原69度改為50度，以減少因前滑造成的軋輥刮擦橫肋現(xiàn)象，如圖3。

圖3 改進(jìn)后月牙肋鋼筋表面圖

3）為有效緩解橫肋根部的應(yīng)力集中趨勢(shì)，對(duì)新軋槽上線使用前，采取人工打磨方法，將橫肋根部磨出一較小圓弧。

經(jīng)上述措施實(shí)施之后，冷彎性能全部合格，達(dá)到彌補(bǔ)質(zhì)量缺陷的目的。

魏氏體的起因:

一是加工的加熱溫度過高；

二是冷卻速度過快所致；在亞共析鋼或過共析鋼中，由高溫以較快的速度冷卻時(shí)，先共析的鐵素體或滲碳體從奧氏體晶界上沿著奧氏體的一定晶面向晶內(nèi)生長(zhǎng)，呈針狀析出。在光學(xué)顯微鏡下可以觀察到從奧氏體晶界上生長(zhǎng)出來的鐵素體或滲碳體近似平行，呈羽毛狀或三角形，其間存在著珠光體的組織。沿著過飽和固溶體的特定晶面析出，并在母相內(nèi)呈一定規(guī)律的片狀或針狀分布的第二相形成的復(fù)相組織，這樣特征的組織稱為魏氏組織。實(shí)際生產(chǎn)中遇到的魏氏組織大多是鐵素體魏氏組織.魏氏組織常伴隨著奧氏體晶粒粗大而出現(xiàn).魏氏組織容易出現(xiàn)在過熱鋼中，因此，奧氏體晶粒越粗大，越容易出現(xiàn)魏氏組織。鋼由高溫較快地冷卻下來往往容易出現(xiàn)魏氏組織，慢冷則不易出現(xiàn)。含碳量＜0.5%時(shí)，先共析鐵素體常分為:軸狀、網(wǎng)狀及針狀三類奧氏體晶粒較細(xì)，冷速較快，多呈軸狀；奧氏體晶粒較粗，冷速較慢，多呈網(wǎng)；奧氏體晶粒粗大，冷速較適中，多呈針狀。所以魏氏組織是在奧氏體晶粒粗大的前提下，空冷時(shí)在適中的冷速下析出片狀、針狀鐵素體形成的。

魏氏組織與貝氏體:

在亞共析鋼中常見的魏氏體組織組織是羽毛狀。也有等邊三角形的。有鐵素體相互垂直的，也有混合的魏氏體組織。

魏氏體組織特點(diǎn)及對(duì)性能的影響

過共析鋼，在一定冷卻條件下，滲碳體沿奧氏體一定晶面析出，也能形成魏氏體組織。魏氏體組織的存在，如果伴隨晶粒的粗大，則使鋼的力學(xué)性能下降，尤其以沖擊性能下降。

貝氏體相變的特點(diǎn)

貝氏體相變有碳的擴(kuò)散，但是無(wú)合金元素的擴(kuò)散，相變的領(lǐng)先相位鐵素體（過飽和的碳），貝氏體實(shí)質(zhì)為過飽和的鐵素體+滲碳體，轉(zhuǎn)變不能完全進(jìn)行。繼續(xù)轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生馬氏體和殘余奧氏體。貝氏體的晶界形核向晶內(nèi)長(zhǎng)達(dá)，一般不穿過晶粒。

上貝氏體：上貝氏體一般形成溫度550-350，形狀為羽毛狀，平行的板條狀分布（位向夾角較小，有效晶粒度較大，韌性較差就是此原因）板條間分別不連續(xù)碳化物，沖擊韌性較差。

下貝氏體：下貝氏體形成溫度為350一下（貝氏體形成溫度越低，其碳的過飽和度也越大）形狀為透鏡片狀。片狀之間存在細(xì)小的碳化物，沖擊韌性較好。

魏氏體組織和貝氏體組織相同點(diǎn):形態(tài)上魏氏體組織和上貝氏體均為羽毛狀，卻均為鐵素體。

相異點(diǎn):從組成上來分，貝氏體為含過飽和固溶碳的鐵素體+碳化物；過共析鋼的魏氏體組織為碳化物，亞共析鋼的魏氏體組織為鐵素體（固溶碳，非過飽和）。

從形態(tài)上來看:魏氏體組織較粗大，末端較尖細(xì)，可貫穿幾個(gè)晶粒。并且伴隨有珠光體的存在；貝氏體組織較細(xì)小，一般在一個(gè)晶粒內(nèi)。

從形成原因來分：魏氏體組織轉(zhuǎn)變是由于組織過熱或高溫區(qū)冷度快導(dǎo)致，一般伴隨組織粗大；貝氏體則由于中溫區(qū)轉(zhuǎn)變范圍造成

從轉(zhuǎn)變溫度來分:魏氏體組織轉(zhuǎn)變屬高溫轉(zhuǎn)變，在珠光體的轉(zhuǎn)變的范圍內(nèi)，即550度以上；貝氏體組織轉(zhuǎn)變屬中溫轉(zhuǎn)變，在550—Ms點(diǎn)范圍內(nèi)。

從元素的擴(kuò)散來分；魏氏體組織領(lǐng)先相若為鐵素體，則轉(zhuǎn)變伴隨合金元素和碳的擴(kuò)散，鐵素體中無(wú)過飽和合金元素和碳，硬度也較低；而貝氏體轉(zhuǎn)變僅有碳的擴(kuò)散，不含合金元素的擴(kuò)散，且鐵素體中的碳不能完全擴(kuò)散，因此鐵素體中含有過好飽和的碳和合金元素，硬度較高。

從危害程度來分:魏氏體組織為有害組織，將強(qiáng)烈降低材料的沖擊性能，危害很大，材料中一般不希望存在魏氏體組織；上貝氏體組織也會(huì)影響材料性能，但危害程度一般來講小于魏氏體組織，下貝氏體組織沖擊性能相對(duì)較好，螺紋鋼中并不是都不應(yīng)許貝氏體的存在，也有專門利用貝氏體的這種特點(diǎn)來專用貝氏體鋼。

附：金相組織小知識(shí)：用金相方法觀察到的金屬及合金的內(nèi)部組織.可以分為:1.宏觀組織.2.顯微組織.

金相即金相學(xué)，就是研究金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的科學(xué)。不僅如此，它還研究當(dāng)外界條件或內(nèi)在因素改變時(shí)，對(duì)金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。所謂外部條件就是指溫度、加工變形、澆注情況等。所謂內(nèi)在因素主要指金屬或合金的化學(xué)成分。金相組織是反映金屬金相的具體形態(tài)，如馬氏體，奧氏體，鐵素體，珠光體等等。

1.奧氏體－碳與合金元素溶解在γ-fe中的固溶體，仍保持γ-fe的面心立方晶格。晶界比較直，呈規(guī)則多邊形；淬火鋼中殘余奧氏體分布在馬氏體間的空隙處

2.鐵素體－碳與合金元素溶解在a-fe中的固溶體。亞共析鋼中的慢冷鐵素體呈塊狀，晶界比較圓滑，當(dāng)碳含量接近共析成分時(shí)，鐵素體沿晶粒邊界析出。

3.滲碳體－碳與鐵形成的一種化合物。在液態(tài)鐵碳合金中，首先單獨(dú)結(jié)晶的滲碳體（一次滲碳體）為塊狀，角不尖銳，共晶滲碳體呈骨骼狀。過共析鋼冷卻時(shí)沿acm線析出的碳化物（二次滲碳體）呈網(wǎng)結(jié)狀，共析滲碳體呈片狀。鐵碳合金冷卻到ar1以下時(shí)，由鐵素體中析出滲碳體（三次滲碳體），在二次滲碳體上或晶界處呈不連續(xù)薄片狀。

4.珠光體－鐵碳合金中共析反應(yīng)所形成的鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物。珠光體的片間距離取決于奧氏體分解時(shí)的過冷度。過冷度越大，所形成的珠光體片間距離越小。在a1~650℃形成的珠光體片層較厚，在金相顯微鏡下放大400倍以上可分辨出平行的寬條鐵素體和細(xì)條滲碳體，稱為粗珠光體、片狀珠光體，簡(jiǎn)稱珠光體。在650~600℃形成的珠光體用金相顯微鏡放大500倍，從珠光體的滲碳體上僅看到一條黑線，只有放大1000倍才能分辨的片層，稱為索氏體。在600~550℃形成的珠光體用金相顯微鏡放大500倍，不能分辨珠光體片層，僅看到黑色的球團(tuán)狀組織，只有用電子顯微鏡放大10000倍才能分辨的片層稱為屈氏體。

5.上貝氏體－過飽和針狀鐵素體和滲碳體的混合物，滲碳體在鐵素體針間。過冷奧氏體在中溫（約350~550℃）的相變產(chǎn)物，其典型形態(tài)是一束大致平行位向差為6~8od鐵素體板條，并在各板條間分布著沿板條長(zhǎng)軸方向排列的碳化物短棒或小片；典型上貝氏體呈羽毛狀，晶界為對(duì)稱軸，由于方位不同，羽毛可對(duì)稱或不對(duì)稱，鐵素體羽毛可呈針狀、點(diǎn)狀、塊狀。若是高碳高合金鋼，看不清針狀羽毛；中碳中合金鋼，針狀羽毛較清楚；低碳低合金鋼，羽毛很清楚，針粗。轉(zhuǎn)變時(shí)先在晶界處形成上貝氏體，往晶內(nèi)長(zhǎng)大，不穿晶。

6.下貝氏體－同上，但滲碳體在鐵素體針內(nèi)。過冷奧氏體在350℃~ms的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。其典型形態(tài)是雙凸透鏡狀含過飽和碳的鐵素體，并在其內(nèi)分布著單方向排列的碳化物小薄片；在晶內(nèi)呈針狀，針葉不交叉，但可交接。與回火馬氏體不同，馬氏體有層次之分，下貝氏體則顏色一致，下貝氏體的碳化物質(zhì)點(diǎn)比回火馬氏體粗，易受侵蝕變黑，回火馬氏體顏色較淺，不易受侵蝕。高碳高合金鋼的碳化物分散度比低碳低合金鋼高，針葉比低碳低合金鋼細(xì)。

7.粒狀貝氏體－大塊狀或條狀的鐵素體內(nèi)分布著眾多小島的復(fù)相組織。過冷奧氏體在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的最上部的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。剛形成時(shí)是由條狀鐵素體合并而成的塊狀鐵素體和小島狀富碳奧氏體組成，富碳奧氏體在隨后的冷卻過程中，可能全部保留成為殘余奧氏體；也可能部分或全部分解為鐵素體和滲碳體的混合物（珠光體或貝氏體）；最可能部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，部分保留下來而形成兩相混合物，稱為m-a組織。

8.無(wú)碳化物貝氏體－板條狀鐵素體單相組成的組織，也稱為鐵素體貝氏體。形成溫度在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的最上部。板條鐵素體之間為富碳奧氏體，富碳奧氏體在隨后的冷卻過程中也有類似上面的轉(zhuǎn)變。無(wú)碳化物貝氏體一般出現(xiàn)在低碳鋼中，在硅、鋁含量高的鋼中也容易形成。

9.馬氏體－碳在a-fe中的過飽和固溶體。板條馬氏體：在低、中碳鋼及不銹鋼中形成，由許多相互平行的板條組成一個(gè)板條束，一個(gè)奧氏體晶粒可轉(zhuǎn)變成幾個(gè)板條束（通常3到5個(gè)）。片狀馬氏體（針狀馬氏體）：常見于高、中碳鋼及高ni的fe-ni合金中，針葉中有一條縫線將馬氏體分為兩半，由于方位不同可呈針狀或塊狀，針與針呈120o角排列，高碳馬氏體的針葉晶界清楚，細(xì)針狀馬氏體呈布紋狀，稱為隱晶馬氏體。

10.回火馬氏體－馬氏體分解得到極細(xì)的過渡型碳化物與過飽和（含碳較低）的a-相混合組織它由馬氏體在150~250℃時(shí)回火形成。這種組織極易受腐蝕，光學(xué)顯微鏡下呈暗黑色針狀組織（保持淬火馬氏體位向），與下貝氏體很相似，只有在高倍電子顯微鏡下才能看到極細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)。

11.回火屈氏體－碳化物和a-相的混合物。它由馬氏體在350~500℃時(shí)中溫回火形成。其組織特征是鐵素體基體內(nèi)分布著極細(xì)小的粒狀碳化物，針狀形態(tài)已逐漸消失，但仍隱約可見，碳化物在光學(xué)顯微鏡下不能分辨，僅觀察到暗黑的組織，在電鏡下才能清晰分辨兩相，可看出碳化物顆粒已明顯長(zhǎng)大。

12.回火索氏體－以鐵素體為基體，基體上分布著均勻碳化物顆粒。它由馬氏體在500~650℃時(shí)高溫回火形成。其組織特征是由等軸狀鐵素體和細(xì)粒狀碳化物構(gòu)成的復(fù)相組織，馬氏體片的痕跡已消失，滲碳體的外形已較清晰，但在光鏡下也難分辨，在電鏡下可看到的滲碳體顆粒較大。

13.萊氏體－奧氏體與滲碳體的共晶混合物。呈樹枝狀的奧氏體分布在滲碳體的基體上。

14.粒狀珠光體－由鐵素體和粒狀碳化物組成。它是經(jīng)球化退火或馬氏體在650℃~a1溫度范圍內(nèi)回火形成。其特征是碳化物呈顆粒狀分布在鐵素體上。

15.魏氏組織－如果奧氏體晶粒比較粗大，冷卻速度又比較適宜，先共析相有可能呈針狀（片狀）形態(tài)與片狀珠光體混合存在，稱為魏氏組織。亞共析鋼中魏氏組織的鐵素體的形態(tài)有片狀、羽毛狀或三角形，粗大鐵素體呈平行或三角形分布。它出現(xiàn)在奧氏體晶界，同時(shí)向晶內(nèi)生長(zhǎng)。過共析鋼中魏氏組織滲碳體的形態(tài)有針狀或桿狀，它出現(xiàn)在奧氏體晶粒的內(nèi)部。

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