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摘 要： E级钢的低温韧性成品检测中最主要的技术指标，如何保证在-40℃试验条件下的冲击功是开发生产Q345E角钢的关键因素，本文研究了合金元素对低温韧性的影响，重点是通过实验室试制和工业化生产，对氮、铝元素对Q345E角钢低温韧性的影响规律进行了研究。结果表明，氮含量越低，角钢的低温冲击韧性越好，生产中应严格控制氮含量，铝含量低于100ppm或高于200ppm时样品冲击性能较好，而当铝含量在100-200ppm范围时冲击韧性降低，因此生产中应尽量避免该铝含量范围。
关键词： E级钢；合金元素；低温韧性
0 引言
角钢做为结构钢的一种，用途广泛，如建筑、厂房、桥梁、船舶、铁塔、塔机设备等。国内常见的材质主要是普碳钢和低合金钢，如Q235、Q345、Q420；国外如欧标、美标、德标、日标也基本是相同的强度级别。近年来，随着国外市场的开发，一些桥梁、舰船、机场建设工程对温度更低的角钢有了明显的需求和增长，宣钢进行了Q345E级角钢的研究。
1 合金元素的选择
按照宣钢B、C级生产经验，主要是以C、Si、Mn保强度，少量V细化晶粒，P、S控制在要求范围内即可。而Q345E为保证-40℃的低温冲击韧性，不仅需控制P、S，还要适当调整其它合金元素。减少碳含量、增加锰含量能显著降低钢材的韧脆转变温度，锰碳比越高，韧脆转变温度越低。此外，硫、磷等元素均会损害钢的韧性，提高韧脆转变温度[1]-[2]。一般认为，这些元素会在晶界偏析，降低晶界的表面能，促进沿晶断裂[3]。
锰、镍使钢材的韧脆转变温度降低，铝几乎没有影响；钛、钒之类的微合金元素在含量较低时提高韧脆转变温度，达到某一含量后，使其降低；其它合金元素都会不同程度地提高韧脆转变温度，其中碳、硅、磷之类的固溶原子对韧脆转变温度的升高作用特别显著。最终确定V、Al复合微合金化，以达到最优的力学性能。
V在加热条件下可以充分溶解[4]，在冷却过程中，以碳、氮化物的形式在钢中大量析出，这些处于共格状态的细小弥散析出物提高了基体强度。同时，钒元素在基体与晶界上以碳、氮化物的形式存在还可以阻止晶粒的继续长大，最终得到晶粒细小的铁素体组织，达到增强钢材韧性的效果。
铝作为一种强氧化剂，具有较高的稳定性，可以生成细小的氧化物弥散分布在钢中。氧化物能作为夹杂物形核的中心，诱导氮化物、硫化物和碳化物的附着析出。增加钢材中的含铝量可以降低钢材中的氧含量，从而去除钢材中的各种氧化物与硫化物等杂质，使钢材的纯净度提高。同时，铝还是一种强的定氮剂，形成纳米级的AlN析出物，提高钢的热稳定性，抑制钢在热循环过程中的奥氏体晶粒粗大化，最终使钢材的韧性得到改善[5]。
2 实验室分析
实验室分为四种成分试验钢进行模拟分析，即：
（1）钒铝含量相同情况下，研究氮含量对组织与性能的影响。
（2）钒氮含量相同情况下，研究铝含量对组织与性能的影响。
2.1 实验室冶炼
将原料在真空电磁感应炉里熔炼，按照实验设计浇铸四种Al含量不同的钢锭，钢锭质量为50kg，钢锭断面为150mm×150mm。然后将钢锭经过热轧，热轧参数为：加热温度1150℃，保温1小时，开轧温度1050℃，轧制速度1.0m/s。钢锭经过9道次轧制轧成15mm厚的钢板，最大道次压下量为28.6%，轧制道次及每道次压下量如表1所示。对试验钢成分进行光谱分析，实际化学成分如表2所示，实际检测成分与设计成分基本保持一致。
2.2 检测与分析
（1）拉伸试验
将热轧后的钢板制成标准拉伸试样在拉伸试验机上进行拉伸，拉伸力学性能如表3所示。试验表明，2#试验钢塑性最好，但屈服强度和抗拉强度最低。1#试验钢的强度略高于2#，塑性略低于2#。3#试验钢强度最好，4#试验钢的塑性最差。
可以得到如下结论：当添加0.008%的Al元素时，钢的屈服强度降低了10MPa，伸长率略有提升。当Al含量添加量达到0.03%时，屈服强度上升了5MPa，但伸长率急剧下降。保持Al含量不变，提高N含量时，钢的屈服强度和抗拉强度都大幅度提高，但伸长率下降。
（2）冲击试验
试验温度分别设定在20℃、-20℃、-40℃以及-60℃。室温下，4种试验钢的冲击功平均值均在200J左右，远远高于Q345系列的室温冲击功国标规定，并且均匀性良好。在-20℃时，4种试验钢的冲击功平均值也均高于100J，2#試验钢仍保持在200J以上。在-40℃时，4种试验钢的冲击功平均值都高于国标规定的34J，但冲击功的均匀性欠佳。在-60℃时，3#、4#试验钢冲击功平均值不达标，1#、2#试验钢冲击功平均值也仅满足国标规定，同样均匀性不好。对比各个试验温度下的冲击功，2#试验钢性能最好，1#和3#次之，4#最差。
由此可知，（1）含微量Al钢的冲击功均在无Al钢之上，即从室温到低温冲击功都得到了提高。即使在-60℃的情况下，2#试验钢仍能保证冲击功合格。（2）对比4#试验钢，可以发现随着Al含量的增加，冲击功略有下降，特别是低温下，这说明Al的加入量并不是越多越好。（3）在Al含量相同的条件下，2#试验钢的氮含量为70ppm，3#试验钢的氮含量为 140ppm，而2#试验钢各温度下的冲击功均好于3#试验钢，这证明N含量的增加不利于冲击性能的提高。（4）以上数据显示，添加微量Al元素，控制N含量，保证钢中没有较大颗粒的夹杂物，保证钢材的-40℃冲击功合格是完全可行的。
（3）金相分析
100倍下钢的金相组织，4种试验钢均有明显的带状组织，其级别与Al的有无及多少无对应关系，应归因于工艺制度。带状组织不是影响钢材低温冲击值的重要因素，Al元素提高低溫冲击性能的原因也与带状组织无关。 （4）冲击断口SEM观察
冲击试样的断口可以反映出断裂的机制，不同断裂机制下发生的断裂所吸收的能量差异很大，断裂方式与冲击韧性关系密切。
利用SEM观察-40℃ 1#试验钢的冲击断口中纤维区韧窝的形貌，发现1#试验钢断口中的韧窝密集，分布也较均匀，并且各个韧窝都较深，说明在冲击时塑性变形强烈，在低温冲击时吸收了大量的冲击功。
冲击断裂虽然是在较短的时间内发生的，但它仍然是一个裂纹的萌生与扩展的过程。在这一过程中，靠近缺口的位置最先受压应力的作用，而且力矩最大，首先发生断裂，裂纹的萌生也产生于此。根据能量理论，裂纹的萌生过程与裂纹的扩展过程相比，需要更高的能量，这是因为裂纹一旦形成，其扩展过程会沿着能量最低的路径进行下去，所需克服的阻力减小。因此，靠近缺口的区域在断裂之前吸收了更多的能量，表现在断口形貌上，就是发生了较大的塑性变形，形成许多微小的山脉状突起以及许多微小的孔洞。随着断裂过程的继续，萌生后的裂纹开始向试样心部扩展，该区域的受力状态由最初的压应力转变为拉应力，裂纹沿着基体结合最薄弱的路径（通常是晶体的解理面）快速扩展，使基体在未能产生明显塑性变形的情况下就已经发生断裂，形成较为平坦的河流状断口。
（5）结论：1）微量Al的加入使得钢在-40℃时的低温冲击韧性显著提高，冲击功高于90J，远大于国标要求。说明钢中加入微量Al以提高钢材的冲击韧性的思路是可行的。2）随着Al含量的增加，冲击功下降，这说明Al含量不是越多越有利，应控制在一定范围内。3）N含量的增加使冲击功急剧下降，应严格控制N含量。
3 工业化生产
3.1 工艺设计
生产工艺流程为：铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→连铸→轧制角钢。
其中，熔炼过程添加微合金化元素V时采用钒铁合金代替钒氮合金，并在精炼过程中全程吹氩，达到控制钢中N含量的目的。熔炼成分应符合表4之规定。
样品共计6炉次，其中第一、二炉次为低铝含量（0～100ppm），第三、四炉次为中铝含量（100～200ppm），第五、六炉次为高铝含量（200～300ppm）。考虑第一炉料受早前熔炼合金的影响造成成分偏差，故取样分析时只取后五炉次进行分析，其中每一炉次包含两批次角钢样品，不同批次角钢样品除化学成分不同外，角钢规格也有差异，厚度不同，样品编号及厚度尺寸如表5所示。
3.2 化学成分
样品化学成分分析结果显示所有成分检测结果均为不同位置处9次测量的平均值。可见，与设计成分相比，Al元素含量基本在设计范围之内，但是C含量普遍偏高，其中71号样品C含量达到0.18%。其它元素含量均在控制范围之内。
3.3 拉伸性能
所有样品在室温下的屈服强度、抗拉强度和伸长量均满足国标要求；且除51#，其它样品的屈服强度在420-470MPa之间，伸长率在28%-33%之间，均远高于标准要求。因此样品力学性能具有较大的调节空间，可通过进一步降低强度的方式增加钢材韧性。
4 结论
（1）从分析结果来看，本次工业生产钢材性能满足标准要求。钢材拉伸性能强度指标较高，有较大余量，所有试样呈明显塑性断裂特征。
（2）样品满足-40℃冲击性能要求，且有较大余量。
（3）Al含量对Q345E角钢冲击性能有较明显的影响，当Al含量低于100ppm或高于200ppm时样品冲击性能较好，而当铝含量在100-200ppm范围时冲击韧性降低，因此生产中应尽量避免该铝含量范围。
（4）N含量越低，角钢的低温冲击韧性越好，生产中应严格控制N含量，尽量降低原料中N的带入和吹炼及精炼过程中N的加入。■
参考文献
[1]杨富尧 ，李现兵，陈新，等.输电铁塔用角钢的应用及低温服役性能研究[J].中国电机工程学报，2013，33（1）：117-122.
[2]徐志东，朱敏，范植金，等.一种韧脆转变温度低的铁塔用角钢及生产方法[P].中国专利：CN104073721A，2014-10-01.
[3]冯昌文.U71Mn与Q370qE钢埋弧焊接工艺及接头组织研究[D]，华中科技大学，2013.
[4]张开华.钒在低温大变形条件下对晶粒细化的影响 [J].钢铁钒钛，2004，25（4）：29-32.
[5]李家彬.低碳铝镇静钢Al2O3夾杂物分析与控制[J].現代冶金，2011，39（4）：13-15.
关键词： E级钢；合金元素；低温韧性
0 引言
角钢做为结构钢的一种，用途广泛，如建筑、厂房、桥梁、船舶、铁塔、塔机设备等。国内常见的材质主要是普碳钢和低合金钢，如Q235、Q345、Q420；国外如欧标、美标、德标、日标也基本是相同的强度级别。近年来，随着国外市场的开发，一些桥梁、舰船、机场建设工程对温度更低的角钢有了明显的需求和增长，宣钢进行了Q345E级角钢的研究。
1 合金元素的选择
按照宣钢B、C级生产经验，主要是以C、Si、Mn保强度，少量V细化晶粒，P、S控制在要求范围内即可。而Q345E为保证-40℃的低温冲击韧性，不仅需控制P、S，还要适当调整其它合金元素。减少碳含量、增加锰含量能显著降低钢材的韧脆转变温度，锰碳比越高，韧脆转变温度越低。此外，硫、磷等元素均会损害钢的韧性，提高韧脆转变温度[1]-[2]。一般认为，这些元素会在晶界偏析，降低晶界的表面能，促进沿晶断裂[3]。
锰、镍使钢材的韧脆转变温度降低，铝几乎没有影响；钛、钒之类的微合金元素在含量较低时提高韧脆转变温度，达到某一含量后，使其降低；其它合金元素都会不同程度地提高韧脆转变温度，其中碳、硅、磷之类的固溶原子对韧脆转变温度的升高作用特别显著。最终确定V、Al复合微合金化，以达到最优的力学性能。
V在加热条件下可以充分溶解[4]，在冷却过程中，以碳、氮化物的形式在钢中大量析出，这些处于共格状态的细小弥散析出物提高了基体强度。同时，钒元素在基体与晶界上以碳、氮化物的形式存在还可以阻止晶粒的继续长大，最终得到晶粒细小的铁素体组织，达到增强钢材韧性的效果。
铝作为一种强氧化剂，具有较高的稳定性，可以生成细小的氧化物弥散分布在钢中。氧化物能作为夹杂物形核的中心，诱导氮化物、硫化物和碳化物的附着析出。增加钢材中的含铝量可以降低钢材中的氧含量，从而去除钢材中的各种氧化物与硫化物等杂质，使钢材的纯净度提高。同时，铝还是一种强的定氮剂，形成纳米级的AlN析出物，提高钢的热稳定性，抑制钢在热循环过程中的奥氏体晶粒粗大化，最终使钢材的韧性得到改善[5]。
2 实验室分析
实验室分为四种成分试验钢进行模拟分析，即：
（1）钒铝含量相同情况下，研究氮含量对组织与性能的影响。
（2）钒氮含量相同情况下，研究铝含量对组织与性能的影响。
2.1 实验室冶炼
将原料在真空电磁感应炉里熔炼，按照实验设计浇铸四种Al含量不同的钢锭，钢锭质量为50kg，钢锭断面为150mm×150mm。然后将钢锭经过热轧，热轧参数为：加热温度1150℃，保温1小时，开轧温度1050℃，轧制速度1.0m/s。钢锭经过9道次轧制轧成15mm厚的钢板，最大道次压下量为28.6%，轧制道次及每道次压下量如表1所示。对试验钢成分进行光谱分析，实际化学成分如表2所示，实际检测成分与设计成分基本保持一致。
2.2 检测与分析
（1）拉伸试验
将热轧后的钢板制成标准拉伸试样在拉伸试验机上进行拉伸，拉伸力学性能如表3所示。试验表明，2#试验钢塑性最好，但屈服强度和抗拉强度最低。1#试验钢的强度略高于2#，塑性略低于2#。3#试验钢强度最好，4#试验钢的塑性最差。
可以得到如下结论：当添加0.008%的Al元素时，钢的屈服强度降低了10MPa，伸长率略有提升。当Al含量添加量达到0.03%时，屈服强度上升了5MPa，但伸长率急剧下降。保持Al含量不变，提高N含量时，钢的屈服强度和抗拉强度都大幅度提高，但伸长率下降。
（2）冲击试验
试验温度分别设定在20℃、-20℃、-40℃以及-60℃。室温下，4种试验钢的冲击功平均值均在200J左右，远远高于Q345系列的室温冲击功国标规定，并且均匀性良好。在-20℃时，4种试验钢的冲击功平均值也均高于100J，2#試验钢仍保持在200J以上。在-40℃时，4种试验钢的冲击功平均值都高于国标规定的34J，但冲击功的均匀性欠佳。在-60℃时，3#、4#试验钢冲击功平均值不达标，1#、2#试验钢冲击功平均值也仅满足国标规定，同样均匀性不好。对比各个试验温度下的冲击功，2#试验钢性能最好，1#和3#次之，4#最差。
由此可知，（1）含微量Al钢的冲击功均在无Al钢之上，即从室温到低温冲击功都得到了提高。即使在-60℃的情况下，2#试验钢仍能保证冲击功合格。（2）对比4#试验钢，可以发现随着Al含量的增加，冲击功略有下降，特别是低温下，这说明Al的加入量并不是越多越好。（3）在Al含量相同的条件下，2#试验钢的氮含量为70ppm，3#试验钢的氮含量为 140ppm，而2#试验钢各温度下的冲击功均好于3#试验钢，这证明N含量的增加不利于冲击性能的提高。（4）以上数据显示，添加微量Al元素，控制N含量，保证钢中没有较大颗粒的夹杂物，保证钢材的-40℃冲击功合格是完全可行的。
（3）金相分析
100倍下钢的金相组织，4种试验钢均有明显的带状组织，其级别与Al的有无及多少无对应关系，应归因于工艺制度。带状组织不是影响钢材低温冲击值的重要因素，Al元素提高低溫冲击性能的原因也与带状组织无关。 （4）冲击断口SEM观察
冲击试样的断口可以反映出断裂的机制，不同断裂机制下发生的断裂所吸收的能量差异很大，断裂方式与冲击韧性关系密切。
利用SEM观察-40℃ 1#试验钢的冲击断口中纤维区韧窝的形貌，发现1#试验钢断口中的韧窝密集，分布也较均匀，并且各个韧窝都较深，说明在冲击时塑性变形强烈，在低温冲击时吸收了大量的冲击功。
冲击断裂虽然是在较短的时间内发生的，但它仍然是一个裂纹的萌生与扩展的过程。在这一过程中，靠近缺口的位置最先受压应力的作用，而且力矩最大，首先发生断裂，裂纹的萌生也产生于此。根据能量理论，裂纹的萌生过程与裂纹的扩展过程相比，需要更高的能量，这是因为裂纹一旦形成，其扩展过程会沿着能量最低的路径进行下去，所需克服的阻力减小。因此，靠近缺口的区域在断裂之前吸收了更多的能量，表现在断口形貌上，就是发生了较大的塑性变形，形成许多微小的山脉状突起以及许多微小的孔洞。随着断裂过程的继续，萌生后的裂纹开始向试样心部扩展，该区域的受力状态由最初的压应力转变为拉应力，裂纹沿着基体结合最薄弱的路径（通常是晶体的解理面）快速扩展，使基体在未能产生明显塑性变形的情况下就已经发生断裂，形成较为平坦的河流状断口。
（5）结论：1）微量Al的加入使得钢在-40℃时的低温冲击韧性显著提高，冲击功高于90J，远大于国标要求。说明钢中加入微量Al以提高钢材的冲击韧性的思路是可行的。2）随着Al含量的增加，冲击功下降，这说明Al含量不是越多越有利，应控制在一定范围内。3）N含量的增加使冲击功急剧下降，应严格控制N含量。
3 工业化生产
3.1 工艺设计
生产工艺流程为：铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→连铸→轧制角钢。
其中，熔炼过程添加微合金化元素V时采用钒铁合金代替钒氮合金，并在精炼过程中全程吹氩，达到控制钢中N含量的目的。熔炼成分应符合表4之规定。
样品共计6炉次，其中第一、二炉次为低铝含量（0～100ppm），第三、四炉次为中铝含量（100～200ppm），第五、六炉次为高铝含量（200～300ppm）。考虑第一炉料受早前熔炼合金的影响造成成分偏差，故取样分析时只取后五炉次进行分析，其中每一炉次包含两批次角钢样品，不同批次角钢样品除化学成分不同外，角钢规格也有差异，厚度不同，样品编号及厚度尺寸如表5所示。
3.2 化学成分
样品化学成分分析结果显示所有成分检测结果均为不同位置处9次测量的平均值。可见，与设计成分相比，Al元素含量基本在设计范围之内，但是C含量普遍偏高，其中71号样品C含量达到0.18%。其它元素含量均在控制范围之内。
3.3 拉伸性能
所有样品在室温下的屈服强度、抗拉强度和伸长量均满足国标要求；且除51#，其它样品的屈服强度在420-470MPa之间，伸长率在28%-33%之间，均远高于标准要求。因此样品力学性能具有较大的调节空间，可通过进一步降低强度的方式增加钢材韧性。
4 结论
（1）从分析结果来看，本次工业生产钢材性能满足标准要求。钢材拉伸性能强度指标较高，有较大余量，所有试样呈明显塑性断裂特征。
（2）样品满足-40℃冲击性能要求，且有较大余量。
（3）Al含量对Q345E角钢冲击性能有较明显的影响，当Al含量低于100ppm或高于200ppm时样品冲击性能较好，而当铝含量在100-200ppm范围时冲击韧性降低，因此生产中应尽量避免该铝含量范围。
（4）N含量越低，角钢的低温冲击韧性越好，生产中应严格控制N含量，尽量降低原料中N的带入和吹炼及精炼过程中N的加入。■
参考文献
[1]杨富尧 ，李现兵，陈新，等.输电铁塔用角钢的应用及低温服役性能研究[J].中国电机工程学报，2013，33（1）：117-122.
[2]徐志东，朱敏，范植金，等.一种韧脆转变温度低的铁塔用角钢及生产方法[P].中国专利：CN104073721A，2014-10-01.
[3]冯昌文.U71Mn与Q370qE钢埋弧焊接工艺及接头组织研究[D]，华中科技大学，2013.
[4]张开华.钒在低温大变形条件下对晶粒细化的影响 [J].钢铁钒钛，2004，25（4）：29-32.
[5]李家彬.低碳铝镇静钢Al2O3夾杂物分析与控制[J].現代冶金，2011，39（4）：13-15.