中碳钢是碳素钢的一种，使用范围较为广泛，除用于制造建筑结构外，还大量用于制造各种机械零件。中碳钢具有一定的塑性和韧性、较高的强度，以及良好的切削性，但其焊接性能较差，淬火、回火后具有良好的综合力学性能。

1、 试验材料及方法

     选用某牌号中碳钢，碳元素质量分数为0.30%~0.50%，含有Mn、Si、Ti、Al、B等合金元素。在相同轧制条件下，选取卷曲温度为680，600，520℃对中碳钢进行加工，分别编号为1~3号。钢板的厚度为8mm，在板宽1/4处分别切取平行于轧向、垂直于轧制面的试样，对试样进行室温拉伸试验、维氏硬度测试、金相检验及扫描电镜（SEM）分析，分析卷曲温度对中碳钢组织及力学性能的影响。研究结果可为提高中碳钢的力学性能提供理论支撑。

2、 试验结果

2.1拉伸试验

     按照GB/T 2975—2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试验制备》及GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，切取轧制方向试样进行机械加工，试样长度为350mm，宽度为35mm，平行长度为120mm，平行宽度为25mm（见图1）。测量试样厚度、宽度并计算出试样的原始横截面积，标记试样原始标距为短比例标距。

     试样1~3 拉伸试验结果如表1所示。由表1可知：随着卷曲温度的降低，试样的规定总延伸强度和抗拉强度均逐渐增大，断后伸长率逐渐减小，材料的塑性变差。

2.2 维氏硬度测试

      维氏硬度测试对试样表面的粗糙度要求较高，因此试验前需对试样进行磨抛处理，以保证试样表面平整光滑、无水渍或油脂等污染物。

     依据GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，将待检试样平稳放置在试验台上，试验力为10N。为保证试验数据的准确性，试验时测量的第一点不计入原始数据，自第二点起测量6点并计算平均值，测量时任一压痕中心到试样边缘距离至少应为压痕对角线长度的2.5 倍，两相邻压痕中心之间的距离至少应为压痕对角线长度的3倍。试样1~3维氏硬度测试结果如表2所示。由表2可知：随着卷曲温度的降低，材料的硬度逐渐增大，材料的耐磨性变好。

2.3金相检验

     中碳钢的显微组织是决定其力学性能的重要因素之一。热轧卷板的显微组织是由冷却过程中的中间温度与终冷温度决定的。材料中的带状组织是由元素偏析导致的，是一种常见的显微组织缺陷，不仅影响钢的强度、韧性等力学性能，而且会影响钢的热加工和焊接性能。

      依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》，将试样1~3依次磨制、抛光、腐蚀处理，利用光学显微镜观察试样，结果如图2所示。由图2可知：按照GB/T 34474.1—2017《钢中带状组织的评定 第1部分：标准评级图法》，试样1~3的带状级别分别评定为2.0，2.0，1.0级；试样1~3 的显微组织均为铁素体+珠光体，试样1有明显的铁素体条带，四周铁素体条带和珠光体条带沿轧制方向呈不连续分布，且分布不均，晶粒尺寸较为粗大；试样2铁素体和珠光体分布较均匀，晶粒尺寸较小且均匀；试样3整体晶粒尺寸较小，组织更加致密，铁素体和珠光体分布的均匀性最好，沿轧制方向呈不连续条带。

2.4SEM分析

     试样1~3的SEM形貌如图3所示。由图3可知：试样1铁素体和珠光体条带比较分明，呈不连续分布，晶粒尺寸粗大；试样2 铁素体和珠光体分布较均匀，铁素体基体上分布了大量珠光体，且晶粒尺寸较试样1细小均匀；试样3组织形态整体分布较均匀，铁素体基体上分布了大量的珠光体团，沿轧制方向呈不连续分布。

     试样1~3的珠光体片层间距测量结果如表3所示。由表3可知：试样1珠光体片层间距平均值为393.4nm，试样2 珠光体片层间距平均值为258nm，试样3珠光体片层间距平均值为195.3nm。试样3的卷曲温度较低，试样中部分珠光体片层被打断，会影响材料的强度、硬度等力学性能。

3、 综合分析

     综合上述分析可知，试样1~3组织均主要为铁素体+珠光体。高温轧制后，卷曲温度较高，导致材料的珠光体粗大，片层间距加厚，最终导致材料的力学性能较低。珠光体片层间距是影响材料力学性能的关键因素，随着卷曲温度的降低，珠光体的片层组织逐渐细化，使得材料的强度和硬度变大，更易于满足客户对材料后续的加工检验需求。随着卷曲温度的降低，试样的强度、硬度变大，塑性变小，在后期对材料进行折弯、抽引等加工时，材料易出现微裂纹。随着卷曲温度的降低，试样的显微组织形貌也发生变化，铁素体和珠光体分布更加均匀，带状级别越来越小，带状组织越来越不明显。

4、 结论

   （1）降低卷曲温度可以改变材料的显微组织形貌，随着卷曲温度的降低，铁素体和珠光体分布更加均匀，珠光体片层间距减小，带状级别越来越小，带状组织越来越不明显。

   （2）随着卷曲温度的降低，材料强度、韧性、硬度明显变大，塑性变差。

作者：沈洁，单显飞，张敬蕊，雷娜，周志超，杨艳龙，张秀丽

单位：北京首钢股份有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2024年第11期