线棒材产品有HRB400E螺纹钢、HRB500E螺纹钢、45钢等，H型钢产品有Q235B钢、Q355B钢等。这些钢种在生产中经常出现不合格试样，为减少不合格试样，研究人员从生产试样中选取了一部分典型钢种的合格试样和不合格试样，并对其进行金相检验，分析其显微组织、脱碳层、晶粒度等指标，发现不合格试样中存在缺陷组织，这些缺陷组织严重影响了钢材的力学性能。研究人员对钢材中的典型缺陷组织进行分析，阐述了缺陷组织产生的原因，并提出改进措施，以期提高钢产品的合格率。

1、试验材料与方法

1.1 试验材料

     选取HRB400E螺纹钢、45钢以及Q355B钢的合格试样和不合格试样进行金相检验。钢材的规格如表1所示。

1.2 试验方法

     在试验钢材上截取金相试样，将试样依次进行粗磨、细磨、抛光、腐蚀处理，然后将试样置于光学显微镜下观察，对试样的显微组织、脱碳层、晶粒度等进行分析。

2、试验结果

2.1 正常的组织

      试样1~5正常显微组织形貌如图1所示。由图1可知：HRB400E钢是亚共析钢，试样1~3在室温下的正常组织是铁素体+珠光体，依据GB/T 6394—2017 《金属平均晶粒度测定方法》判定试样1~3的晶粒度分别为9.0，10.0，10.0级；Q355B钢、45钢也是亚共析钢，45钢的正常组织是铁素体+ 珠光体，晶粒度是8.5级；Q355B钢正常组织是铁素体+珠光体，晶粒度是9.0级。

2.2 缺陷组织

     HRB400E钢棒材基体组织中不只有铁素体和珠光体，还存在贝氏体，贝氏体为缺陷组织（见图2）。45钢和HRB400E钢棒材中存在粗大的珠光体和网状铁素体，网状铁素体为缺陷组织（见图3）。在测量脱碳层时，45钢一般不脱碳或者轻微脱碳，当脱碳层深度超过试样直径的1% 时，即为缺陷组织（见图4）。45钢、HRB400E钢棒材和HRB400E钢线材组织中细针状铁素体沿着一定晶面向晶内生长，即魏氏组织，且存在珠光体，即为缺陷组织（见图5）。Q355B钢组织为铁素体和第二类组织平行排列，即带状组织，带状组织为缺陷组织（见图6）。

3、缺陷组织产生的原因

3.1 HRB400E钢棒材中的贝氏体

      在HRB400E钢棒材轧钢过程中，正常上冷床温度为980℃，缓慢冷却至室温，得到铁素体+珠光体，如果轧后冷却速率过快，上冷床的温度过低，就会接近贝氏体转变温度。钢材在Ar1（加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度）以下快速冷却至贝氏体转变温度，且持续了一段时间，导致材料基体中出现贝氏体。

3.2 45钢和HRB400E钢棒材中的网状铁素体

     从轧钢工艺角度分析，45钢和HRB400E钢的终轧温度偏高，冷却速率较慢，导致材料形成大块珠光体和沿晶界分布的细网状铁素体。网状铁素体的晶界结合力较弱，晶界处强度低，导致材料的强度降低。

3.3 45钢表面脱碳

     45钢表面脱碳过程主要发生在加热炉中，钢材在加热过程中，钢中的碳与氧发生反应，导致钢材表面的碳元素含量减少，边部组织中珠光体减少，甚至仅有铁素体。钢材表面脱碳的原因为加热温度偏高、加热时间较长，以及脱碳速率大于氧化速率。钢材表面脱碳会导致其力学性能变差。

3.4 HRB400E钢、45钢棒材中的魏氏组织

      魏氏组织一般是因加热温度过高或冷却速率较快而产生的。在实际生产中，为了加快轧制速率，使轧钢压下量减小。加热炉的温度普遍高于1000℃，导致钢中的奥氏体晶粒变得粗大。轧制时，冷却速率过快会使材料中产生魏氏组织。在一定的冷却速率下，铁素体首先在奥氏体晶界上成核，沿奥氏体晶粒内部呈羽毛状长大，导致碳原子发生扩散。随着加热温度的升高，晶粒趋向粗大，在较低的冷却速率下，材料中出现魏氏组织。钢中的魏氏组织主要来自于先共析铁素体。先共析铁素体含量取决于钢中碳元素的含量，因此钢中碳元素含量也是导致魏氏组织产生的重要因素之一。

3.5 Q355B钢中的带状组织

     Q355B钢中出现带状组织的原因为：溶解在奥氏体中的碳元素和杂质元素的扩散速率有显著差异；杂质元素和合金元素影响了奥氏体化温度A3，当热变形钢从奥氏体相区冷却时，铁素体将在A3较高的区域先产生，直到温度降低至Ar1时，保留到最后的奥氏体转变成珠光体。根据H型钢的取样位置，R角处易形成带状组织，其他部位组织正常。说明在控制轧制过程中，H型钢R角处的铁素体先从A3较高的区域内析出，而未分解的奥氏体转变成珠光体，从而形成带状组织。

4、改进措施

    （1）为防止HRB400E钢棒材基体中出现贝氏体，应控制好轧钢冷却工艺。重点监控上冷床的温度，如有异常情况出现，应及时调整轧后冷却速率和上冷床后的冷却速率。

    （2）为防止HRB400E钢棒材和45钢中出现网状铁素体，应避免出精轧温度过高，使其保持在正常温度；在天气炎热的情况下对冷却速率进行调整，避免冷却速率过慢。

   （3）为防止45钢出现表面脱碳现象，应在轧制过程中，选择合适的加热温度和加热时间，控制加热炉气氛，使钢材的脱碳速率和氧化速率基本相当。

   （4）为防止HRB400E钢棒材、线材，以及45钢出现魏氏组织，在轧制过程中要注意控制冷却速率，特别是上冷床后的冷却速率不宜过快，注意环境温度对冷却速率的影响。

    （5）为防止Q355B钢中出现带状组织，在炼钢过程中，应避免碳元素和合金元素出现偏析。在轧钢过程中，建议选择合理的轧后冷却工艺，使钢材的冷却速率均匀一致。

5、结论

     在生产过程中，由于钢材加热温度、出精轧温度或者轧后冷却速率等工艺参数发生变化，导致钢材产生缺陷组织，如贝氏体、网状铁素体、魏氏组织、带状组织等。选择合适的改进措施可以避免这些缺陷组织的产生，研究结果可为提高产品的合格率提供支持。

作者：王开，韩北方，冯江波，张成龙，常瑜

单位：首钢长治钢铁有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第9期