王墉哲，刘俊亮，丁 晨

（宝山钢铁股份研究院分析测试研究中心，上海201900）

0 引 言

轻量化、节能减排是当今汽车发展的主要方向，其中提高汽车用钢板强度是实现此目标最有效的方法之一［1］。提高钢板强度常用的材料强化方式有固溶强化、析出强化、相变强化、细晶强化等。目前热轧高强钢主要采用低碳含量的微合金钢，并采用锰、钛等元素固溶强化来提高钢板的强度。

高强钢除了要具有500MPa以上屈服强度外，也应具有较高的韧性。因此冲击性能也是高强钢出厂时必须考虑的指标。通常来说，强度的提高意味着韧性的降低，所以随着高强钢强度的提高，韧性也会降低。同时由于热轧高强钢组织比较复杂，因此其冲击功存在不稳定的现象，即使化学成分和生产工艺相同的钢，其不同部位的冲击功相差也较大。

钢的性能与显微组织密切相关，关于常规组织如多边铁素体/珠光体的晶粒尺寸、珠光体片层间距等对钢冲击功的影响已有较多研究［2-3］。同时钢板的化学成分、夹杂物和有害元素（砷、锡、铅、锑、铋）等对钢冲击功影响也较大［4-5］。此外，热处理温度和加工条件等对钢冲击功也有影响［6-7］。为解决此类高强钢冲击功不稳定或偏低的问题，作者通过对某热轧高强钢冲击试样进行显微组织分析和电子探针面分布分析，研究了导致钢板低温冲击功较低的主要原因。

1 试样制备与试验方法

试验材料取自某厂生产的700MPa级热轧高强钢板，钢板厚度10mm，其化学成分如表1所示。在钢板的边部和中心处分别取两组尺寸为10mm×10mm×55mm的夏氏V型缺口横向冲击试样N1和N2，V型缺口沿厚度方向。采用ZCJ100型落锤冲击试验机，依照GB/T 229《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》在-20℃进行冲击试验，结果取3个试样平均值。由表2可见，N1试样冲击功均低于标准要求的40J。

采用ZEISS Ultra 55型扫描电镜（SEM）对冲击断口进行观察；沿平行于轧制方向切取金相试样，经研磨、抛光后用体积分数3%硝酸酒精溶液腐蚀，然后采用LEICA 600M型光学显微镜观察显微组织。使用JXA-8230型电子探针对冲击试样截面进行元素面分布分析。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of test steel（mass） %

表2 试样在-20℃下的冲击功Tab.2 Impact energy of samples tested at-20℃ J

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可见，N2试样冲击断口形貌呈典型的韧性断裂特征，断口中可见较多韧窝，韧窝的底部较洁净，未见夹杂物存在，韧窝的尺寸也较大，所以N2试样的塑性较好，冲击功较高；而N1试样冲击断口则为典型的脆性解理形貌，无明显塑性变形，同时在其1/2厚度处有明显断裂源，断口上分布有较多的二次裂纹，也未见夹杂物存在。通常情况下冲击试样断口除了断口底部的断裂源外，一般由纤维区、放射区和剪切唇三部分组成，如N2试样断口所示。断口上这三个区域所占比例的大小，标志着钢材韧性的优劣。而N1试样冲击断口形貌上这三个区域并不明显，主要以脆性断裂为主，所以冲击功较N2试样的低。

图1 N1、N2试样冲击断口的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of the fractures of N1and N2specimens：（a）N1specimen at low magnification；（b）N1specimen at high magnification；（c）N2specimen at low magnification and（d）N2specimen at high magnification

由图2可见，两个试样的显微组织都主要为针状铁素体和多边铁素体。在N1试样板厚度的1/2处发现有黑色偏析带贯穿整个视场，偏析带组织主要为珠光体。N1试样断口的裂纹正是沿偏析带开裂并延伸的。N2试样的冲击功较高，在显微组织中只可见颜色较浅的珠光体偏析带，但偏析带较分散、不连续，较N1试样的轻。珠光体偏析带的存在会明显降低钢材的塑性和冷成型性能，以及阻止裂纹扩展能力，并可能使得韧脆转变温度升高，从而使钢的低温冲击韧性变差［3］。

图2 N1和N2试样纵截面的显微组织Fig.2 Microstructure of vertical section of N1（a）and N2（b）specimens

从图3可以看到，在N1试样珠光体偏析带上及其附近还有较大颗粒状夹杂物，能谱分析表明，颗粒夹杂物主要成分是TiC和NbC，同时还含有铁、锰、硫、钙、铝等成分。这些尺寸在2～6μm的含钛、铌夹杂物由于尺寸较大已起不到强化的作用，相反因为在轧制过程中难以变形而容易在基体中引起微裂纹，降低钢板的韧性。

图3 N1试样中夹杂物的SEM形貌和EDS谱Fig.3 SEM morphology（a）and EDS pattern（b）of inclusions in the N1specimen

2.2 元素面分布

从图4可见，N1试样中心偏析带主要是碳元素偏析即珠光体偏析，同时还有较为严重的锰元素偏析，因为此钢种中锰的含量（质量分数）在1.55%～1.70%，所以极易引起偏析。低合金钢铸坯经酸腐蚀后可见，锰偏析主要表现为铸坯组织中心的白线与黑线，钢的铸态组织中树枝间富含溶质（锰元素），而树枝干富铁，成分较纯［7-8］。在连铸坯冷却过程中，锰含量较高会影响奥氏体向铁素体的转变温度，奥氏体先析出铁素体时，铁素体将在较纯的树枝干上形核并长大，而富含锰等溶质的树枝间就形成了珠光体，且锰、碳等元素易在铸坯中心区域富集，所以会最终导致钢板中心区域形成较宽的珠光体偏析带［9］。

从图4还可见，在珠光体偏析带上有较多尺寸在2～6μm的钛和铌颗粒夹杂物。试验用的高强钢正是采用钛和铌等元素析出进行强化的，但是当TiC颗粒较大时（大于0.5μm）［10］，它们既不能阻止奥氏体晶粒长大，也不会起到沉淀强化的作用，相反这些大的颗粒在连铸过程中很难消失，且TiC是一种坚硬的菱形不变形夹杂物，所以在轧制过程中极易在与基体的交界处产生微裂纹，从而使轧板的冲击韧性下降。

图4 N1试样中心偏析带碳、锰、钛、铌元素面扫描结果Fig.4 Element section distribution of C，Mn，Ti，Nb in the center segregation band of N1specimen

3 结 论

（1）该700MPa级热轧高强钢低温冲击功不稳定、冲击韧性较低的主要原因是在钢板厚度1/2处有比较严重的珠光体偏析带。

（2）冲击功较低试样的珠光体偏析带上均有锰元素偏析，该高强钢中锰含量较高，板中心富锰溶质，是导致中心产生珠光体偏析的原因。

（3）中心偏析带上分布有尺寸较大的TiC和NbC等颗粒夹杂物，轧制时容易在基体中产生微裂纹，从而降低钢板的冲击韧性。

［1］衣海龙，王晓南，王国栋.701MPa级热轧高强钢的组织性能［J］.东北大学学报，2009，30（10）：1421-1428.

［2］李冰，高珊，张才毅.微观组织对一种高强度船板用钢低温冲击韧性的影响［J］.宝钢技术，2012（5）：23-28.

［3］ SCHINO A D，GUARNASCHELLI C.Microstructure and cleavage resistance of high strength steels［J］.Materials Science Forum，2010，638/642：3188-3193.

［4］衣海龙，麻庆申，杜林秀，等.显微组织对X80管线钢冲击性能的影响［J］.机械工程材料，2009，33（7）：64-71.

［5］杨建维，刘军会，耿兆明.Q345D钢低温冲击不合格的分析和改进［J］.河北冶金，2011（5）：52-55.

［6］罗玉英，李松涛.影响1Cr13钢冲击韧性的几个因素［J］.热处理技术与装备，2012，33（4）：7-11.

［7］唐明华，黄开有，胡双开.亚温淬火对石油套管用25MnV钢冲击韧性的影响［J］.机械工程材料，2012，36（9）：8-11.

［8］姚上卫.中心偏析对连铸钢及其HAZ冲击性能的影响［J］.材料开发与应用，2005，20（2）：5-8.

［9］陈训浩.中心偏析原因、危害、评定及预防［J］.冶金标准化与质量，1998（4）：12-17.

［10］YAMASHITA T，TORZUKA S，NAGAI K.Effect of Manganese segregation on fine-grained feerite structure in lowcarbon steel slabs［J］.ISIJ International，2003，43（11）：1833-1841.