薄板生产中几种反常组织(原)

薄板生产中几种反常组织

浦绍康

摘要：本文介绍了低碳薄板生产中常见的几种非正常组织——热轧薄板表层大晶粒、表层混晶、表层变形晶粒、表层细小晶粒和冷轧薄板的表层大晶粒。描述了这些反常组织的显微特征。用金属学的基本原理并联系生产工艺对这些组织形成的原因进行了分析。提出严格控制钢坯的表面脱碳和终轧温度是消除这些表层反常组织的关键。

在低碳薄板的生产检验中常常碰到一些非正常的显微组织，即在同一薄板的厚度截面上显微组织从钢板的表面到心部发生明显的差异。表现为热轧薄板中的表层大晶粒，表层混晶组织，表层变形晶粒，表层细小晶粒和冷轧薄板退火后的表层大晶粒等反常组织现象。这些组织特征反映薄板显微组织的不均匀性，他们势必对薄板的性能产生影响。因而研究和分析这些反常组织产生的原因，以便在生产中有针对性地采取措施避免这些非正常组织的产生，这对于薄板的生产具有重要意义。

显微组织是材料化学成分和生产工艺的一面“镜子”，它是一定化学成分和生产工艺的反映。研究材料的显微组织与生产工艺的关系，并从显微组织的变化和特征来分析、判断生产上各工艺因素的影响，进而指导更完善生产工艺的制定是企业材料工程技术人员的重要职责。为此，本文在归纳若干检验实例的基础上，对上述非正常组织的特征分别举例介绍，并试图联系生产工艺分析其生产原因，以期对薄板的生产和研究有所裨益。

一、热轧薄板的表层大晶粒组织

图1为热轧板表层大晶粒的一个例子。在显微镜下观察时，钢板的厚度截面上明显可见一层比中部较大的晶粒。这层晶粒一般比正常部位大2－3个晶粒度级别，有时甚至大4－5个级别。该层深度一般0.1-0.3mm。大晶粒层的珠光体量（亦即碳含量）明显比正常部位低。

图1 Q235B热轧钢带表层粗晶 ×200

从组织特征分析，热轧薄板表层大晶粒的产生可能有如下原因：

a） 由于热轧前板坯加热时表面脱碳，表面形成比中部较粗大的奥氏体晶粒。较粗大的初始奥氏体晶粒在热变形过程中通过形变再结晶的细化程度比中部小，因而终轧后表面具有比中部尺寸较大的奥氏体晶粒。

b） 由于终轧后钢板表面与中部奥氏体晶粒尺寸的明显差异，γ—α相变时表层较大的奥氏体晶粒可供形核的位置（晶界）相对来说比中部少。较少的晶核数使相变后的晶粒（铁素体晶粒）长大充分，最后得到比中部较大尺寸的铁素体晶粒。

c） 由于钢板表面脱碳，表层相对于中部具有较高的AC3温度点。相变时表层的铁素体晶粒将在较高的温度下形成，因而比中部在较低温度形成的铁素体晶粒具有较大的尺寸。

二、表层混晶组织

图2 热轧钢带表层混晶组织 ×100

图2为热轧薄板表层混晶组织的特征。在钢板厚度截面上，表层显微组织由尺寸悬殊的几类晶粒组成。大小晶粒的尺寸相差几个晶粒度级别。小晶粒成簇聚集分布于大晶粒之间，大晶粒的形状不太规则，表现出长大过程中遇阻而停止的形态。而钢板中部的组织则由尺寸相近的另一类晶粒组成。

从显微组织特征分析，造成这类表层混晶的原因可能有如下两个方面：

a） 在热轧过程的终轧阶段，钢板较薄，由于某种因素的影响（如喷水或轧辊的影响），致使钢板表面降温过大。表层的奥氏体晶粒形变后不能完全再结晶，只能发生部分再结晶。而这些未再结晶的奥氏体中遗留下的形变亚结构（或形变带）分布极不均匀。在相变时，形变带密度较高的区域能产生大量的铁素体晶核，转变后的铁素体晶粒就很细小，形成细小的晶粒群。另一方面，在形变带密度低的部位，由于形核率低，相变后的晶粒长大比较充分，晶粒尺寸也就较为粗大。其结果造成钢板表层混晶。

b） 在终轧温度偏低的情况下，由于钢板表面脱碳现象（表层AC3温度点较中部高），钢板的表层将会在终轧道次前形成少许铁素体晶粒。这些铁素体晶粒经终轧形变后储存一定量的畸变能（例如满足晶粒异常长大的临界压下量）。而当在较高卷取温度卷取后，某些晶粒会在卷取温度下发生晶界迁移（形变诱导晶界迁移），形成晶粒尺寸较大的晶粒。

三、表层变形晶粒组织

图3 表层伸长晶粒和混晶组织 ×100

在某些热轧薄板的纵向截面里往往会观察到钢板表层具有一系列经形变而伸长的铁素体晶粒，而伸长晶粒的内层又往往有混晶现象。这些形变晶粒的延伸度大小不均匀，某些伸长晶粒的晶界上有时会聚集少许极为细小的等轴晶粒。在光学显微镜下一些伸长晶粒内隐约可见形变亚结构的回复痕迹。图3为这种表层伸长晶粒的一个例子。 产生表层变形晶粒的薄板往往含碳量偏低或者表面脱碳（即表层具有较高的AC3温度点）。当终轧温度偏低时，由于表面稍大的温降，在终轧的一两个道次前钢板表面可能处于两相（α+γ）区。在表面层发生铁素体相变而生成一些铁素体晶粒。他们经终轧后沿轧制方向变形延伸，形成伸长晶粒。在轧后的卷取温度下，部分形变晶粒的晶界附近可能发生铁素体再结晶，产生一些极细小的再结晶晶粒，而大部分伸长晶粒则不能发生再结晶，但在晶内能隐约可见回复的形变痕迹。值得指出的是，在一些钢卷中，靠近卷宽边部所取的试样具有上述表层变形晶粒（或混晶）的组织，而在卷宽中部取样观察则无此类组织。图4和5分别为钢卷相同部位卷宽边部和中部试样近表层的显微组织。这种情况进一步证实了上述有关表层混晶和表层变形晶粒的形成原因。因为钢板边部相对于中部来说降温快，容易满足产生这类反常组织的条件。

图4 Q235B热轧钢带卷宽边部试样近表层组织×200 图5 Q235B热轧钢带卷宽中部试样近表层组织×200

四、表层小晶粒组织

显微镜下观察时，常可见一些热轧薄板的表面有一层较细小的晶粒。这层组织的晶粒尺寸一般比中部正常部位小1—2个晶粒度级别。细小晶粒层的厚度比上述几种异常组织薄，一般在0.1—0.15mm范围。细晶区与正常组织之间无明显界限，图6为此类组织的一个例子。

表面层小晶粒的组织属于一般热轧薄板的正常组织，在稍厚的薄板中比较常见。它是由于薄板热轧后相变时表面层和中部冷却速度的差异引起的。由于表面的冷却速度相对来说比中部快，相变时的过冷度大，形核率亦比中部大。从而导致组织转变后形成比中部尺寸细小的晶粒。

五、冷轧—退火薄板表面层大晶粒

在检验冷轧—退火薄板的显微组织时，有时会观察到类似热轧薄板表层大晶粒的组织。靠近薄板表面有一层尺寸比中部大几个级别的晶粒。该层组织除晶粒尺寸大外，碳化物也明显比中部少，这表明表层的碳含量偏低。图7为这种组织的一个例子。

冷轧—退火薄板表层大晶粒的产生是由于钢坯加热时脱碳和热轧表层形成的大晶粒层“遗传”的结果。作者研究冷轧薄板退火时的再结晶过程证实了这一推断。

图8为一种表面脱碳热轧板的冷轧组织。可以看到，热轧板表面层的大晶粒经冷轧后形成伸长度颇大的形变“带晶”。和中部的组织相比较，表面层具有较少的形变晶界和碳化物颗粒，晶内形变带痕迹也无中部明显。该试样在500℃保温30分钟后可见中部已开始再结晶，而表面层则仍处于回复阶段（见图9）。520℃保温30分钟后，试样中部已有颇大数量的再结晶，表面层则仅有个别位置发生再结晶（见图10）。由于表面层的晶界和碳化物量比中部少，冷轧时基体所受到的形变约束和抵抗形变的程度较小，形变储能亦较小。因而回复和再结晶过程比中部较为缓慢。

试样于540℃保温30分钟后，中部已完全再结晶，而表面层则仅有少许的再结晶晶粒（见图11）。继续升温到660℃保温30分钟后，表层和中部均已完全再结晶。在近表层得到比中部大几个晶粒度级别的大晶粒组织（图12）。这是由于表层冷轧组织中的形变亚结构密度低，形变储能较小，再结晶过程中可作为形核的位置亦较少。由于晶核数少，再结晶晶粒在形变基体上的长大较充分，退火后则得到较大晶粒的组织。

综合上述分析，薄板中几种非正常的表层组织几乎都和钢板表面脱碳或终轧道次的温度相关，因而严格控制钢坯加热时的表面脱碳和热轧终轧温度是消除这些表层反常组织的关键。

应该指出，尽管低碳薄板的显微组织比较简单，但由于薄板的生产是一个从冶炼—连铸—热连轧—冷轧—退火的复杂过程。由于生产工序长，影响因素多，还可能产生一些其它类型的非正常组织。例如在有的热轧薄板表层下约1/4厚度处形成一层较细小的晶粒，尺寸与其余部位相差2—3个级别。某些铝镇静钢薄板经冷轧—退火后表层为饼形晶粒、中部为等轴晶粒，或表层为等轴晶粒、中部为饼形晶粒，有时甚至出现三层不同形状和尺寸的晶粒。造成这些组织的原因目前尚不太清楚，除生产工序上的影响外，还可能与钢板厚度上成分分布的不均匀性有关。许多薄板中的非正常组织现象仍需继续不断地深入研究，才能更准确地认识它们的形成原因、对性能的影响及提出避免措施。