中碳鋼是碳素鋼的一種，使用范圍較為廣泛，除用于制造建筑結構外，還大量用于制造各種機械零件。中碳鋼具有一定的塑性和韌性、較高的強度，以及良好的切削性，但其焊接性能較差，淬火、回火后具有良好的綜合力學性能。

1、 試驗材料及方法

     選用某牌號中碳鋼，碳元素質量分數為0.30%~0.50%，含有Mn、Si、Ti、Al、B等合金元素。在相同軋制條件下，選取卷曲溫度為680，600，520℃對中碳鋼進行加工，分別編號為1~3號。鋼板的厚度為8mm，在板寬1/4處分別切取平行于軋向、垂直于軋制面的試樣，對試樣進行室溫拉伸試驗、維氏硬度測試、金相檢驗及掃描電鏡（SEM）分析，分析卷曲溫度對中碳鋼組織及力學性能的影響。研究結果可為提高中碳鋼的力學性能提供理論支撐。

2、 試驗結果

2.1拉伸試驗

     按照GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試驗制備》及GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，切取軋制方向試樣進行機械加工，試樣長度為350mm，寬度為35mm，平行長度為120mm，平行寬度為25mm（見圖1）。測量試樣厚度、寬度并計算出試樣的原始橫截面積，標記試樣原始標距為短比例標距。

     試樣1~3 拉伸試驗結果如表1所示。由表1可知：隨著卷曲溫度的降低，試樣的規定總延伸強度和抗拉強度均逐漸增大，斷后伸長率逐漸減小，材料的塑性變差。

2.2 維氏硬度測試

      維氏硬度測試對試樣表面的粗糙度要求較高，因此試驗前需對試樣進行磨拋處理，以保證試樣表面平整光滑、無水漬或油脂等污染物。

     依據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，將待檢試樣平穩放置在試驗臺上，試驗力為10N。為保證試驗數據的準確性，試驗時測量的第一點不計入原始數據，自第二點起測量6點并計算平均值，測量時任一壓痕中心到試樣邊緣距離至少應為壓痕對角線長度的2.5 倍，兩相鄰壓痕中心之間的距離至少應為壓痕對角線長度的3倍。試樣1~3維氏硬度測試結果如表2所示。由表2可知：隨著卷曲溫度的降低，材料的硬度逐漸增大，材料的耐磨性變好。

2.3金相檢驗

     中碳鋼的顯微組織是決定其力學性能的重要因素之一。熱軋卷板的顯微組織是由冷卻過程中的中間溫度與終冷溫度決定的。材料中的帶狀組織是由元素偏析導致的，是一種常見的顯微組織缺陷，不僅影響鋼的強度、韌性等力學性能，而且會影響鋼的熱加工和焊接性能。

      依據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，將試樣1~3依次磨制、拋光、腐蝕處理，利用光學顯微鏡觀察試樣，結果如圖2所示。由圖2可知：按照GB/T 34474.1—2017《鋼中帶狀組織的評定 第1部分：標準評級圖法》，試樣1~3的帶狀級別分別評定為2.0，2.0，1.0級；試樣1~3 的顯微組織均為鐵素體+珠光體，試樣1有明顯的鐵素體條帶，四周鐵素體條帶和珠光體條帶沿軋制方向呈不連續分布，且分布不均，晶粒尺寸較為粗大；試樣2鐵素體和珠光體分布較均勻，晶粒尺寸較小且均勻；試樣3整體晶粒尺寸較小，組織更加致密，鐵素體和珠光體分布的均勻性最好，沿軋制方向呈不連續條帶。

2.4SEM分析

     試樣1~3的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣1鐵素體和珠光體條帶比較分明，呈不連續分布，晶粒尺寸粗大；試樣2 鐵素體和珠光體分布較均勻，鐵素體基體上分布了大量珠光體，且晶粒尺寸較試樣1細小均勻；試樣3組織形態整體分布較均勻，鐵素體基體上分布了大量的珠光體團，沿軋制方向呈不連續分布。

     試樣1~3的珠光體片層間距測量結果如表3所示。由表3可知：試樣1珠光體片層間距平均值為393.4nm，試樣2 珠光體片層間距平均值為258nm，試樣3珠光體片層間距平均值為195.3nm。試樣3的卷曲溫度較低，試樣中部分珠光體片層被打斷，會影響材料的強度、硬度等力學性能。

3、 綜合分析

     綜合上述分析可知，試樣1~3組織均主要為鐵素體+珠光體。高溫軋制后，卷曲溫度較高，導致材料的珠光體粗大，片層間距加厚，最終導致材料的力學性能較低。珠光體片層間距是影響材料力學性能的關鍵因素，隨著卷曲溫度的降低，珠光體的片層組織逐漸細化，使得材料的強度和硬度變大，更易于滿足客戶對材料后續的加工檢驗需求。隨著卷曲溫度的降低，試樣的強度、硬度變大，塑性變小，在后期對材料進行折彎、抽引等加工時，材料易出現微裂紋。隨著卷曲溫度的降低，試樣的顯微組織形貌也發生變化，鐵素體和珠光體分布更加均勻，帶狀級別越來越小，帶狀組織越來越不明顯。

4、 結論

   （1）降低卷曲溫度可以改變材料的顯微組織形貌，隨著卷曲溫度的降低，鐵素體和珠光體分布更加均勻，珠光體片層間距減小，帶狀級別越來越小，帶狀組織越來越不明顯。

   （2）隨著卷曲溫度的降低，材料強度、韌性、硬度明顯變大，塑性變差。

作者：沈潔，單顯飛，張敬蕊，雷娜，周志超，楊艷龍，張秀麗

單位：北京首鋼股份有限公司

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第11期