摘 要

Q235钢材是生产建筑中使用最为广泛的碳素结构钢之一，在使用时一般是通过热处理提高性能的。某公司生产汽车零部件支架产品，材质要求为Q235，若能在铸态下实现其性能的要求，不仅节约能源，缩短生产周期，还能降低生产制造成本。本课题拟从理论分析、成分设计、低合金化及变质处理等方面开发铸态性能达到热处理它Q235性能的材料，并探讨成分与工艺对铸态组织和性能的影响，为开发铸态支架汽车零部件提供参考。 本研究计划先进行市场调研及文献检索，了解国内外关于Q235钢的研究概况和发展趋势，再通过得到的信息选择和确定基本的化学成份、低合金化元素和适宜的变质剂，用中频感应电炉熔制合金并浇注Y型试块，制备试样。再采用金相显微镜、光谱成分分析仪、布氏硬度测试仪、万能材料性能试验及电子探针等仪器设备分析其成分、组织和性能。并讨论材料的成分，组织和性能之间的关系。研究结果表明，改进成分微合金化后铸态性能达到Q235性能要求。

关键词：Q235碳钢，晶粒细化，合金化，微观组织，力学性能

Abstract

Q235 steel is one of the most widely used carbon structural steels in production buildings. When used, it is generally improved by heat treatment. A company's production of automotive parts stents, the material requirements for Q235, if you can achieve its performance requirements in the as-cast state, we can not only save energy and shorten the production cycle, but also reduce production costs. This project intends to develop materials whose as-cast properties have reached the Q235 properties of heat treatment from the aspects of theoretical analysis, composition design, low alloying and metamorphic treatment, and discusses the influence of components and processes on the as-cast microstructure and properties, for the development of as-cast support vehicles. On the other hand, this research project will first conduct market research and literature search to understand the research situation and development trend of Q235 steel at home and abroad, and then select and determine the basic chemical composition , low alloying elements and suitable modificators through the information obtained, and use the medium frequency induction. The electric furnace melts the alloy and casts a Y-shaped test block to prepare a sample. Then use metallographic microscope, spectral composition analyzer, Brinell hardness tester, universal material performance test and electronic probes and other equipment to analyze its composition, organization and performance. And discuss the composition of the material, the relationship between organization and performance. The results of the study show that the properties of as-cast Q235 steel improved by alloying can fulfill the requirements.

Key words: Q235 carbon steel, grain refinement, alloying, microstructure，mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 Q235钢的发展现状 2

1.2.1化学成分对碳钢性能的影响 2

1.2.2变质处理对Q235钢性能的影响 3

1.3研究的目的、意义及主要研究内容 4

1.3.1研究的目的与意义 4

1.3.2主要研究内容 4

第2章 实验过程与方法 4

2.1实验材料选择 5

2.2实验设备与方法 5

2.2.1合金的熔炼 5

2.2.2金相组织分析 9

2.2.3化学成分测定 10

2.2.3电子探针成分分析 10

2.2.4布氏硬度测试 11

2.2.6拉伸试验 12

第3章 实验结果与分析 13

3.1成分分析 13

3.2 EPMA微区分析 13

3.3金相显微组织分析 14

3.4力学性能分析 14

3.5改进实验分析 16

3.6讨论 16

第4章 结论 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1研究背景

Q235钢是一种在工程中很是常见的材料，它的含碳量为0.14%～0.22%，是一种低碳钢，碳含量适中，还含有少量的Si、Mn、S、P及微量的Cr、Cu、Mo等其它合金元素，具有比较好的综合性能，强度，硬度等机械性能以及焊接性能有着良好的配合，因而具有十分广泛的用途，尤其因为其作为结构用钢时能够满足钢筋混凝土和一般钢结构的要求，而且成本比较低。因此Q235号钢在日常的生产建筑过程，如桥梁，船舶，车辆^[1] ，锅炉，容器的制造等，还大量被用于制造要求一定综合性能的机械零件，如一些磨具把手，以及其他不重要的磨具零件。目前，国内外在应用Q235钢材料制备机器零件时，一般采用热处理来提高其性能。常用的热处理工艺为调质处理和正火处理，一般作正火处理，.其目的是消除可能的内应力，使晶粒细化并让其中的碳化物分布均匀化，以提升强度、韧性等综合性能。不常对Q235钢进行调质处理是由于其含碳量以及各种合金元素的含量都较低，因而对其进行淬火处理并不能有效提升强度与硬度，淬硬层的深度也不理想，理论上可以对其进行渗碳处理再淬火从而增加淬硬层深度，大大提升强度硬度，但是渗碳的速度很慢，不仅会加长生产周期，还会提高成本。因而现在生产生活中对材料强度有较高要求的地方一般都不会采用Q235钢。

Q235钢一般用于工程上需要大量用到钢材的地方，体积或数量巨大，一般是热轧后就直接使用，热轧也就是进行了正火热处理。总的来说，会用到Q235钢的地方对于强度的要求不会太高。但对于一些特殊的零件，也可能会有比较高的要求，如汽车支架等汽车零部件。汽车支架是汽车底盘件的十分重要的部件，被安装在车前桥的两端，作用是支撑整车，在汽车的行驶中会受到冲击和振动的作用，要求承受比较大的载荷。因而对材料的性能有着较高的要求，以保证产品的质量。某公司采用Q235材质来生产汽车支架，对其机械性能的要求比较高，不仅要求具有较高的强度，还要求具有较好塑性，这就要求钢具有含量适中的铁素体和珠光体，从而具有良好的强韧。国家标准中铸钢牌号中没有能够达到这一要求的。因而该公司目前的生产工艺为铸造成型后，采用完全退火工艺以提高强度。表1-1列出了该公司对汽车支架材质的性能要求，国家牌号铸钢的性能，以及目前该公司采用的热处理后的Q235钢的性能。对比可见，对应的国家牌号钢种的性能达不到要求。如果能够通过研究实验，使得铸态Q235钢的性能达到该公司的要求，那么不仅生产周期可以大大缩短，成本也会有所降低。因此，研究铸态Q235材质具有重要的发展应用前景^[2]。

表1-1 Q235的性能要求及对比分析

1.2Q235钢的发展现状

1.2.1化学成分对碳钢性能的影响

众所周知，化学成分和处理工艺能够很大程度上影响金属材料的组织和性能。碳钢的主要成分有Fe、C、Mn、Si，以及微量的P、S和其他合金元素等。研究表明^[3]，对碳钢的力学性能起决定性的作用是钢中的碳含量，碳在碳钢中通常与铁形成碳化物，如 Fe₃C，随着碳含量增加，碳化物含量也增加，从而增加了珠光体数量，碳钢的强度和硬度也随之提高。此外，这些碳化物可看作为液态金属的非均质核，在凝固过程中可以作为非均质核增加形核率，从而使得组织晶粒变细，从而也能提高碳钢的强度与硬度。通常，随着碳含量增加，碳钢中的珠光体含量增加，强度和硬度会随之提高，但塑性、韧性会随之降低。在生产、生活中用到最多的碳钢是Q235低碳钢，其含碳量是0.14%~0.22%。由于含碳量较低，铸态Q235钢强度有所不足。因此生产生活中一般对其进行正火和退火等热处理工艺以提高性能，不进行热处理的情况下想要提高其性能，微合金化是一种不错的选择。林泉^[4]、刘春阳^[5]等人通过对低碳钢进行微量合金化处理，添加微量的 Mn、Nb、V、Ti 等合金元素，提高了碳钢的力学性能。微合金化元素的加入量比较少，因此对铸钢的基本组织没有影响，铸钢的组织依旧是铁素体和珠光体。锰能够与铁素体形成置换型固溶体，起到固溶强化作用。此外，钢的熔炼过程中加入锰铁时，锰铁还能起到脱氧的作用，钢中的FeO能够被锰还原为铁，从而使得钢的质量得到改善。锰还能与硫元素形成硫化锰以减少硫元素对钢的危害。作为强碳化物形成元素的V和Nb 在钢中以碳化物粒子的形式弥散析出分布，在铸钢加热奥氏体化的过程中，V和Nb还能以碳化物粒子的形式机械地阻碍奥氏体晶界的移动，从而抑制晶粒的长大，从而得到细晶组织。Guang Qin ^[6]等人也对Nb的合金化作用进行了研究，得到了类似结论。加入Mn能有效提升钢的屈服强度和抗拉强度以及硬度，而伸长率随Mn含量的增加呈现出先增后减的趋势。尤其当Mn含量较高时再加入Ti对钢的屈服强度和伸长率的影响都不明显，而当微量的Nb被加入其中时，钢的屈服强度和抗拉强度都显著提高，伸长率则一定程度的降低。加入微量的V也能对钢的屈服强度和抗拉强度有所提高，值得一提的是，在钒合金化钢中加入氮元素时，基体中原来处于固溶状态的钒变为析出状态的化合物V(CN)，发挥出沉淀强化作用，类似合金碳化物。从而大大提升了钢的性能^[7]。近年来，这种由氮和金属元素相互作用产生的析出强化效应受到了极大的重视，具有广泛的应用前景^[8]。同时，杨才福等人^[9]研究指出复合加入一定量的V，Ti，Nb，不仅能提升钢的抗拉强度和屈服强度，伸长率也会有所提升，这主要是这些元素形成的微合金碳化物对钢的细化晶粒和沉淀强化的综合作用所致。Cu元素也是今年来在碳钢的研究中常用到的一种合金化元素，其特点是在钢中不需要与C，N等元素结合就能弥散析出，起到时效强化的作用。此外，加入一些稀土元素如Ce，La，Pr，Nd等也对钢的性能有着一定提升^[10，11]。稀土元素对碳钢的性能提升机理比较复杂，有净化作用，变质作用，细化作用，合金化作用，下面进行简要说明。

稀土元素的净化作用即是消除碳钢中的杂质的作用，稀土元素加入碳钢中时能有效降低硫和氧的含量，从而降低钢中存在的微量的有害元素，如磷、硫、氢、砷这些有着比较低的熔点的元素产生的有害作用。其原理是稀土金属元素具有比较活泼的化学性质，在钢液中会与有害的杂质元素作用生成熔点高，密度小的化合物，便于除渣，杂质元素含量从而降低。当稀土金属元素的含量达到一定量时，还能与有害的合金元素形成高熔点化合物从何降低其含量。此外，稀土金属元素也能一定程度上地减少一些有害元素向组织晶界上偏析，从而改善钢的性能。有些稀土元素可以作为变质剂加入钢中，即稀土变质剂，也能起和常用变质剂一样的变质作用。细化作用的机理与变质作用基本相同，稀土元素形成的微小固态颗粒可以作为非均质核，提高形核率，从而细化晶粒。稀土元素的微合金化作用并不是因为固溶强化，由于稀土金属元素的原子普遍比工业常用的金属元素铁的原子大很多，因而在铁素体中的固溶度非常小，固溶强化效果较差，但稀土元素进入钢中是，会在其晶界上偏析，引起晶界的成分，结构和性能发生变化，从而引起钢的性能提升，如钢的疲劳性能，晶界腐蚀性能，回火脆性等，这就是稀土元素的合金化机理。近年来稀土元素对金属材料性能的提升的研究一直是热门话题，稀土元素确实有其独特的性能。

1.2.2变质处理对Q235钢性能的影响

上面提到合金化能使Q235钢的各种性能显著提高，但是，加入合金元素无疑会增加成本，还会对冶金工艺中化学成分的控制提出更高的要求^[12]。变质处理工艺也是一种能有效提升Q235钢性能的方法。李小琳等人^[13]在熔炼过程中加入SiC作为变质剂，有效提高了钢的综合性能，其原理在于SiC能在工件凝固的过程中不仅能作为非均质核提高形核率，也能阻碍晶界的移动，从而有效细化晶粒，许多研究表明^[14，15]，对材料组织的细化处理是同时提高材料强度和韧度的最为有效途径，这是因为细化晶粒在受到外力的作用发生的塑性变形可分散在更多的晶粒中，从而使得塑性变形比较均匀，应力集中比较小；此外，材料的晶粒越细，晶界总面积越大，晶界曲率越大，越能抑制裂纹的扩展。除了SiC，常用于钢中的变质剂还有某些稀土变质剂以及WS-系列耐热钢用无硅变质剂如WS-1，WS-2，和YBZW-系列钢精炼变质剂如YBZW-1，YBZW-2， YBZW-3等。不同的钢种使用的变质剂也不同。Q235钢常用的变质剂有WS-1，YBZW-4等。此外，变质剂的用量也对材料组织晶粒的细化效果有着重要影响，一般来说，变质剂加入越多，细化效果越好。但变质剂加入过多容易增加熔体中有害金属间化合物的含量，并使它们偏聚，影响熔体的质量。因此，在晶粒度满足条件前提下，变质剂加入的越少越好。

1.3研究的目的、意义及主要研究内容

1.3.1研究的目的与意义

本课题拟从成分设计、低合金化及变质处理等方面开发铸态Q235材料，并探讨化学成分与变质工艺对铸态材料的组织和性能的影响，以为某公司开发铸态Q235支架汽车零部件提供参考。采用金相显微镜、电子探针、布氏硬度测试仪、万能材料拉伸试验机，X射线衍射仪等仪器设备分析其成分、组织和性能，并探讨成分、组织与性能的相互关系。

1.3.2主要研究内容

基于上述，本研究的主要内容如下：

（1）了解国内外Q235钢材料的研究和发展现状，掌握其主要用途和性能特点。并分析其性能的各方面影响因素，设计试样的基本成分，确定低合金化元素以及适宜的变质剂，准备相应的材料，熔制合金，获得试块并制成试样。

（2）采用万能材料拉伸试验机，布氏硬度仪等分析材料的力学性能。采用光谱分析材料的化学成分。采用X射线衍射仪和电子探针分析材料的相组成。采用金相显微镜分析材料的微观组织机构并分析其对材料的性能的影响。

（3）根据测试结果分析讨论成分结构性能之间的关系，得出结论，设计出满足该汽车公

第2章 实验过程与方法

本章主要说明了本研究所使用的基本材料、仪器设备及试验方法。

2.1实验材料选择

本实验选用的主要实验材料及其成分如表2-1所示。

表2-1 实验材料及其成分（%）

2.2实验设备与方法

2.2.1合金的熔炼

本次实验共开三炉，成分设计如表2-2所示，其中实验1和实验2为初期实验，从成本考虑第一炉成分未合金化，而第二炉加入了铜对碳钢进行微合金化。实验3则为实验2的改进实验。

表2-2 实验设计的主要化学成分（%）

1. 实验配料计算。

配料计算是熔制合金的关键步骤之一，也是保证合金化学成分的基本要求。在配料的过程中考虑碳、硅和锰的烧损率，确保最终得到的成分与设计成分基本一致。 根据过往的试验数据资料，确定硅的烧损率为 5 %，锰的烧损率为5 %，碳的烧损率为7%，其他合金元素不计烧损。 配料时加入 0.1 %的铝为脱氧剂。具体计算如下：

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