CN107367595A

CN107367595A - 一种基于低碳结构钢的微观参数确定其目标性能的方法

Info

Publication number: CN107367595A
Application number: CN201610315957.4A
Authority: CN
Inventors: 谢雨凌
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-21

Abstract

本发明公开了一种基于低碳结构钢的微观参数确定目标性能的方法。所述方法包括以下步骤：(1)建立低碳结构钢的目标性能与微观参数的关系式：式中，B为低碳结构钢的目标性能，A_y为具有n个微观参数的低碳结构钢的某个微观参数，a_y为微观参数A_y的系数，X为微观参数A_y的指数，c为常数，其中，目标性能和微观参数通过实验获得，(2)采用线性回归分析中的逐步法，计算出系数a_y和常数c，确定关系式，(3)根据实验得到的任一种低碳结构钢的n个微观参数，通过步骤(2)中确定的关系式，确定该低碳结构钢的目标性能。根据本发明，钢材消费者能够通过钢材微观参数确定钢材的目标性能。

Description

一种基于低碳结构钢的微观参数确定其目标性能的方法

技术领域

本发明涉及一种基于低碳结构钢的微观参数确定其目标性能的方法。

背景技术

钢材目标性能的综合评价和性能预报在很长一段时间内都是金属学的研究重点，有大量的研究和报道。在钢铁企业和从业人员中，通过钢铁生产工艺和目标性能的关系进行性能预报，反馈并优化生产工艺的研究是重要关注点之一，例如申请号为200710052007.8，200410061324.2和201210046441.6等的专利文献，都对上述性能预报进行了研究。

同时，随着中国的开放和发展，大量的国外企业进入中国。这样进入中国的生产制造类企业往往对成本非常敏感，采用价格相对低廉的中国材料是一个有效的成本控制方法。对于钢材采购行为而言，这些企业往往在母国基于长期的生产和经验积累建立了针对特定材料或特定供应商的采购标准。但是在技术控制相对欠发达和过度竞争的中国普通钢铁市场中，在华外国企业如何在价格和目标性能之间找到一个最优解是企业普遍面对的问题。

然而，作为钢材消费者，在华外国企业需要将中国的钢材应用到基于外国钢材设计的产品，却又很难和钢材生产企业一样掌握全部的生产信息，只能通过有限的检测获得有限的微观参数，因此给目标性能的综合评价以及预报造成了困难。这样一来，如何通过有限的微观参数确定钢材的目标性能并约定钢材的采购标准，评价并选择钢材供应商是钢材消费企业关心并亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为如何通过有限的低碳结构钢微观参数确定其目标性能。

本发明的技术方案是，提供一种基于低碳结构钢的微观参数确定目标性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)建立低碳结构钢的目标性能与微观参数的关系式：

式中，B为低碳结构钢的目标性能，A_y为具有n个微观参数的低碳结构钢的某个微观参数，a_y为微观参数A_y的系数，X为微观参数A_y的指数，该指数根据对应的微观参数而设定，c为常数，其中，所述目标性能和微观参数通过实验获得，

(2)采用线性回归分析中的逐步法，计算出所述系数a_y和所述常数c，确定所述关系式，

(3)根据实验得到的任一种低碳结构钢的n个微观参数，通过步骤(2)中确定的关系式，确定该低碳结构钢的目标性能。

本发明中，步骤(3)所述的任一种低碳结构钢与步骤(1)中所述的低碳结构钢可以为型号、厂家和批次相同的低碳结构钢，也可以为不同型号的低碳结构钢、或是相同型号不同厂家的低碳结构钢、或是相同型号相同厂家不同批次的低碳结构钢。

进一步地，所述微观参数包括金相参数、断口参数、化学成分参数和硬度参数。

进一步地，所述金相参数包括主要相晶粒度参数、次要相形状参数、非金属夹杂物参数；所述主要相晶粒度参数包括晶粒面积平均值、晶粒面积方差和晶粒平均直径；所述晶粒面积平均值在线性回归分析中的指数X为1/4。

进一步地，所述次要相形状参数通过在金相图片上建立平行网格线而测量获得；在所述平行网格线中，空间取向为纵向的平行线的编号为组1，垂直于组1的平行线的编号为组2，两组平行线的相邻平行线之间的距离相等；主要相和次要相之间的界面与组1的平行线的交点数量定义为交点数1，主要相和次要相之间的界面与组2的平行线的交点数量定义为交点数2，所述距离为所述晶粒平均直径的0.2倍～0.5倍；所述次要相形状参数包括：次要相面积占比，其为次要相总面积占相应视场内面积的百分比；次要相变形度，其为交点数1与交点数2的比值；以及次要相弥散度，其为所述次要相面积占比与所述交点数1和所述交点数2之和的比值的100倍；所述次要相面积占比在线性回归分析中的指数X为1/3。

进一步地，所述非金属夹杂物参数的测试样品的制备方法和非金属夹杂物的分类按GB/T10516-2005进行。所述非金属夹杂物参数包括：条状夹杂物总长度，其为定义为A类或C类夹杂物的总长度；条状夹杂物弥散度，其为条状夹杂物总长度与条状夹杂物平均长度的比值，所述条状夹杂物平均长度为单个晶粒截面面积之和与相应视场内观察到的A类或C类夹杂物数量的比值；以及粒状夹杂物最大直径，其为定义为DS类夹杂物的等效直径。

进一步地，所述断口参数的断口为冲击试验的断口；所述冲击试验的温度条件为液氮冷却；所述断口参数为解理面平均尺寸；所述解理面平均尺寸在线性回归分析中的指数X为1/4。

进一步地，所述化学成分参数测试按照国标GB/T223系列标准进行。测试目标元素包括碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、钙(Ca)、镍(Ni)、钼(Mo)、铝(Al)、铜(Cu)、氮(N)和氧(O)。

进一步地，所述硬度参数包括：宏观硬度，其为样品的宏观硬度；以及次要相硬度相对值，其为次要相显微硬度和主要相显微硬度之差与主要相显微硬度的比值。

进一步地，所述目标性能包括拉伸性能、冲击性能和焊接性能；所述拉伸性能包括抗拉强度、屈服强度和断后伸长率；所述冲击性能表现为吸收功；所述焊接性能表现为焊接接头与未经焊接材料的所述冲击性能之差以及焊接接头与未经焊接材料的所述拉伸性能之差。

进一步地，除晶粒面积平均值、解理面平均尺寸和次要相面积占比之外的所述微观参数在线性回归分析中的指数X为1。

发明的效果

1.根据本发明，钢材消费者能够通过有限的可获得的钢材微观参数确定钢材的目标性能；

2.根据本发明，在选择供应商的流程中，可以选择测试获得的目标性能和计算出的目标性能具有一致性、回归方程置信度高的产品；在进入采购流程过后，对购入产品进行相同方法的抽样测试，根据目标性能和微观参数关系式的稳定性(表现为回归方程置信度)评估供应商水平，从而获得更有效的采购策略；

3.由于目标性能是钢材微观参数的综合体现，因而即使钢材的目标性能符合采购要求，钢材消费者也无法认为钢材的微观参数也满足质量要求。然而根据本发明，开拓新供应商时可以参照所得到的关系提出目标性能和对目标性能影响较大的微观参数的采购要求，降低新供应商带来的质量风险，确保材料和最终产品的质量；

4.对于破坏性的目标性能测试不适用的场合，根据本发明，可以通过低破坏的微观参数测试推断目标性能；

5.根据本发明，可以为传统失效分析流程提供有力支持：通过检验问题产品的微观参数是否符合采购的标准，判别产品问题来源于原材料问题的可能性。

附图说明

图1为本发明所涉及的钢铁材料的典型金相形貌以及交点数1和交点数2的测量方法示意图。

图2为本发明所涉及的钢铁材料的典型解理断口形貌示意图。

图3为本发明方法在钢铁采购中的一种应用的流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。本发明中，所述的低碳结构钢为以Q235B为代表的低碳双相热轧钢板，其碳含量范围为0.04％～0.25％wt，主要相为铁素体，次要相包括但不限于珠光体、屈氏体和贝氏体。

通过低碳结构钢的微观参数确定其目标性能

(1)建立低碳结构钢的目标性能与微观参数的关系式：

式中，B为低碳结构钢的目标性能，Ay为具有n个微观参数的低碳结构钢的某个微观参数，a_y为微观参数A_y的系数，X为微观参数A_y的指数，该指数根据对应的微观参数而设定，c为常数，其中，所述目标性能和微观参数通过实验获得。

所述目标性能和微观参数的具体获得方法如下所述。

A.微观参数

针对发明所涉及的所述低碳结构钢的特征，在考虑测试花费成本和参数在表征性能的有效性的前提下设定。所有参数均须进行数字化表征以加入后续建模和计算。本发明所涉及的微观参数，公知常识中已经普遍数字化的部分参数参照现有国家标准测试，在下文说明中会列出国家标准标号；公知常识中没有普遍数字化的部分参数，本发明提出了数字化方案。所述微观参数罗列如下：

A1.金相参数。金相样品取样方法按GB/T10516-2005中的图4，图5和图6进行。金相样品制备及腐蚀按GB/T 13298-1991进行。采样视场数量不少于3个。

A1-1主要相晶粒度参数：

晶粒面积平均值(A111)：

其中S_i为单个晶粒截面面积，m为参与统计的有效晶粒数量。

晶粒面积方差(A112)：

A112的定义为通常概率统计理论中定义的方差，其样本空间为所有得到有效测量的晶粒面积。

晶粒平均直径(A113)：

A113为公知参数，计算公式为GB/T 6394-2002附录A2.2。在本发明中所述晶粒平均直径A113基于参数A111进行计算。

A1-2次要相形状参数：如图1建立平行网格线，在所述平行网格线中，空间取向为纵向(GB/T 30067-2013条目2.1.247)的平行线的编号为组1，垂直于组1的平行线的编号为组2，两组平行线的相邻平行线之间的距离相等，所述距离为所述晶粒平均直径的0.2倍～0.5倍。

次要相面积占比(A121)：

次要相总面积占相应视场面积的百分比。

交点数1(A122)：

A122定义为组1所有平行线和不同相之间的界面的交点数量，所述不同相之间的界面在本发明中具体指主要相和次要相之间的界面。

交点数2(A123)：

A123定义为组2所有平行线和不同相之间的界面的交点数量，所述不同相之间的界面在本发明中具体指主要相和次要相之间的界面。

次要相变形度(A124)：

次要相弥散度(A125)：

A1-3非金属夹杂参数：取样、样品制备方法和非金属夹杂物分类按GB/T10516-2005进行。

条状夹杂总长度(A131)：

定义为A类或C类夹杂物的总长度

条状夹杂物平均长度(A132)：

其中L_i为单个晶粒截面面积，p为相应视场内观察到的A类或C类夹杂物数量

条状夹杂物弥散度(A133)：

粒状夹杂物最大直径(A134)：

参照标准GB/T 10516-2005定义为DS类夹杂物等效直径

A2.断口参数。本发明所述断口特指冲击试验的断口，所述冲击试验根据GB/T12778-2008进行。为保证取得全解理断口形貌，实验温度条件设定为液氮冷却，即通常描述的-196℃实验温度。

解理面平均尺寸(A200)：

按照所述测试条件获得的样品断口使用景深足够的观测工具进行拍照，所述工具包括但不限于扫描隧道显微镜。如图2所示，对典型解理面形貌进行随机取样拍照(每个样品视场数不小于3个)，描绘解理面边界并记录其面积。以所测量的各视场中所有解理面为样本空间计算其面积平均值。

特别的，目标材料不同样品间，如果其空间取向具有较大差异，可通过投影规律进行面积修正。所述空间取向差异，具体表现为断口解理面切线方向和冲击试验中摆锤打击方向间的夹角的差异。所述空间取向差异，可以通过投影尺寸和解理面边缘上焦平面位置具有最大差异的两点之间的差值进行计算。所述投影尺寸为解理面边缘上焦平面位置具有最大差异的两点在取样拍照结果(如图2)上的平面距离。

A3.其他参数。本发明所涉及的其他参数，均为公知常识领域内的参数，可根据通用的测量方法获得，在同一目标材料的测试中保持相同的测试方法即可。

A3-1化学成分参数：化学成分参数测试按照国标GB/T223系列标准进行。测试目标元素包括碳(C),硅(Si),锰(Mn),磷(P),硫(S),钙(Ca),镍(Ni),钼(Mo),铝(Al),铜(Cu),氮(N),氧(O)。参数标记为A31开头，化学元素符号结尾，例如碳含量为A31C。

A3-2硬度：硬度测试按照GB/T 4340.1～4 2009(宏观硬度)和GB/T 4342-1991(微观硬度)进行。取样位置和“A1金相参数”部分保持一致。

宏观硬度(A321)：

样品的宏观硬度

主要相硬度(A322)：

主要相的显微硬度

次要相硬度(A323)：

次要相的显微硬度

次要相硬度相对值(A324)：

B.目标性能

本发明的目标性能根据所涉及钢种的一般使用场景决定，具体包括拉伸性能、冲击性能和焊接性能。所述拉伸性能包括抗拉强度BT1，屈服强度BT2和断后伸长率BT3，所述冲击性能表现为吸收功BI。所述焊接性能具体表现为公知常识中描述的焊接接头(标注为weld joint)在冲击性能和拉伸性能上和未经焊接的材料(标注为raw material)之间的差异BWI(冲击性能差异)和BWTi(拉伸性能差异)，BWI和BWTi越小表明焊接性能越好。即：

BWI＝BI_{raw material}-BI_{weld joint}

BWTi＝BTi_{raw material}-BTi_{weld joint} i＝1,2,3

由此，目标性能与微观参数的关系式中“B”指代B部分所述的目标性能，具体指代BT1，BT2，BT3，BI，BWI，BWT1，BWT2，BWT3中的某一种。在实际应用中，可以根据应用场景选择重点关注的目标性能。

由此，所述n个微观参数具体来说包括A111、A112、A121、A124、A125、A131、A133、A134、A200、A31C、A31Si、A31Mn、A31P、A31S、A31Ca、A31Ni、A31Mo、A31Al、A31Cu、A31N、A31O、A321和A324。目标性能与微观参数的关系式中“A_y”指代所述n个微观参数中的某一种。

另外，目标性能与微观参数的关系式中指数“X”为考虑到模型的线性形式，基于部分现有材料学研究结论进行预处理而获得的指数。进一步地，A111和A200对应的指数“X”取值为1/4，A121对应的指数“X”为1/3，其余微观参数对应的指数“X”取值均为1。

(2)采用线性回归分析中的逐步法，计算出所述系数a_y和所述常数c，确定所述关系式。

本发明采用线性回归分析中的逐步法进行多元线性回归分析，计算出目标性能-微观参数的关系式中的a_y和c，从而获得目标性能与微观参数的关系式；其中，所述的逐步法是本领域常规使用通用数学方法，在本发明中并未没有任何修改。

(3)根据实验得到的任一种低碳结构钢的n个微观参数，通过步骤(2)中获得的关系式，确定该低碳结构钢的目标性能。

本发明通过上述方法，将反映目标类材料变形程度、非金属夹杂物信息、各相含量及形貌等方面的微观参数全部进行了数字化，并通过多元线性回归分析计算出目标性能和微观参数的关系，对于解决海外企业在异国市场中面对原材料采购中的钢材选择问题起到显著的作用。

本发明方法的应用

本发明在相关材料学理论的基础上，选择微观参数并设定测试规范。进一步地，通过本发明方法，建立了低碳结构钢的微观参数和目标性能的关系式：在一定数量的采购前集中实验为基础，建立初步的关系式，并在其后的多批次采购过程中同步采集微观参数及性能信息，反馈优化初步的关系式。

具体来说，作为本发明方法的应用，可以列举出如图3所示的本发明方法在低碳结构钢采购中的一种应用的流程。

如图3所示，首先，针对低碳结构钢的微观参数-目标性能关系进行理论分析，基于理论分析选择测试的微观参数，并建立测试方法，获得微观参数；与此同时，对低碳结构钢在产品上的应用场景进行分析，提出设计指标要求，根据设计指标要求确定低碳结构钢的目标性能和测试方法，获得目标性能。

然后，通过多元线性回归分析得到低碳结构钢的目标性能和微观参数之间的关系式。

最后，对新购入的低碳结构钢进行抽样，采用相同方法测试其目标性能和微观参数，基于测试获得的微观参数，通过本发明获得的关系式，确定出预测目标性能；将测试出的目标性能和预测目标性能相比较，用以评价新购入的材料的性能和参数信息是否符合历史采购信息所得出的关系式，来评价供应商的产品品质是否稳定。根据低碳结构钢目标性能和微观参数的稳定性(表现为回归方程置信度)评估供应商水平，从而制定更有效的采购策略。此时，可以用获得的更多的测试数据来修正所得的关系式，得到更准确的关系式。

或者，在开拓新供应商时，可以参照所得的关系式，提出采购要求，确保低碳结构钢质量。

或者，对于破坏性的目标性能测试不适用的场景，准确的关系式可以指导通过低破坏的微观参数测试推断低碳结构钢的目标性能。

或者，对问题产品分析时，关系式可以为失效分析提供有力的参考：通过检验问题产品的微观参数是否符合采购的标准，判别产品问题来源于原材料问题的可能性。

以上，参照实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不限于上述实施例。本发明的构成和细节，能够在本发明的技术思想的范围内，可以进行本领域技术人员能够理解的各种变更。

Claims

1.一种基于低碳结构钢的微观参数确定该低碳结构钢的目标性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)建立低碳结构钢的目标性能与微观参数的关系式：

<mrow> <mi>B</mi> <mo>=</mo> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>*</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>X</mi> </msup> </mrow>

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述微观参数包括金相参数、断口参数、化学成分参数和硬度参数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述金相参数包括主要相晶粒度参数、次要相形状参数、非金属夹杂物参数；所述主要相晶粒度参数包括晶粒面积平均值和晶粒面积方差；所述晶粒面积平均值在线性回归分析中的指数X为1/4。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述次要相形状参数通过在金相图片上建立平行网格线而测量获得；在所述平行网格线中，空间取向为纵向的平行线的编号为组1，垂直于组1的平行线的编号为组2，两组平行线的相邻平行线之间的距离相等；主要相和次要相之间的界面与组1的平行线的交点数量定义为交点数1，主要相和次要相之间的界面与组2的平行线的交点数量定义为交点数2，所述距离为晶粒平均直径的0.2倍～0.5倍；

所述次要相形状参数包括：

次要相面积占比，其为次要相总面积占相应视场内面积的百分比，

次要相变形度，其为交点数1与交点数2的比值，以及

次要相弥散度，其为所述次要相面积占比与所述交点数1和所述交点数2之和的比值的100倍；

所述次要相面积占比在线性回归分析中的指数X为1/3。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述非金属夹杂物参数的测试样品的制备方法和非金属夹杂物的分类按GB/T10516-2005进行；

所述非金属夹杂物参数包括：

条状夹杂物总长度，其为定义为A类或C类夹杂物的总长度，

条状夹杂物弥散度，其为条状夹杂物总长度与条状夹杂物平均长度的比值，所述条状夹杂物平均长度为单个晶粒截面面积之和与相应视场内观察到的A类或C类夹杂物数量的比值，以及

粒状夹杂物最大直径，其为定义为DS类夹杂物的等效直径。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述断口参数的断口为冲击试验的断口；所述冲击试验的温度条件为液氮冷却；所述断口参数为解理面平均尺寸；

所述解理面平均尺寸在线性回归分析中的指数X为1/4。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述硬度参数包括：

宏观硬度，其为样品的宏观硬度，以及

次要相硬度相对值，其为次要相显微硬度和主要相显微硬度之差与主要相显微硬度的比值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述目标性能包括拉伸性能、冲击性能和焊接性能，

所述拉伸性能包括抗拉强度、屈服强度和断后伸长率；

所述冲击性能为吸收功；

所述焊接性能为焊接接头与未经焊接材料的所述冲击性能之差以及焊接接头与未经焊接材料的所述拉伸性能之差。

9.如权利要求2-8任一项所述的方法，其特征在于，

除晶粒面积平均值、解理面平均尺寸和次要相面积占比之外的所述微观参数在线性回归分析中的指数X为1。