摘 要:采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、熱酸蝕檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析 等方法,分析了 Q355B鋼板拉伸斷口出現(xiàn)分層的原因。結(jié)果表明:Q355B鋼板拉伸斷口出現(xiàn)分層 的主要原因是連鑄坯厚度中心處存在縮孔、疏松、偏析和夾雜物缺陷,導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生中心裂紋,在拉 伸試驗(yàn)過(guò)程中,裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中,隨著變形量的不斷增加,裂紋不斷擴(kuò)展,最終出現(xiàn)斷口分層現(xiàn) 象;在適當(dāng)調(diào)整連鑄坯澆注及鋼板軋制工藝參數(shù)(如過(guò)熱度、二次冷卻速率、拉坯速率、道次壓下率 和軋制溫度等)后,采用電磁攪拌和輕壓下技術(shù),以及軋后緩冷等措施,Q355B 鋼板拉伸斷口不合 格率由6.82%降低至0.84%,并穩(wěn)定在1%以下。

關(guān)鍵詞:Q355B鋼;拉伸試驗(yàn);斷口分層;中心裂紋;貝氏體;夾雜物

中圖分類(lèi)號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)03-0070-05

Q355B鋼屬于低合金鋼,具有較好的綜合力學(xué) 性能,主要用于橋梁、管道等行業(yè)。在對(duì)某廠生產(chǎn)的 40mm 厚 Q355B 鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)其拉 伸斷口分層嚴(yán)重,說(shuō)明鋼板的抗層狀撕裂性能較差, 在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)造成較大的安全隱患,因此使產(chǎn)品 無(wú)法按合同正常交付,使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益受損。

筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、 熱酸蝕檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方 法,分析了 Q355B鋼板拉伸斷口分層的原因,以期 避免該類(lèi)缺陷的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

由圖1可見(jiàn),斷 口 分 層 位 置 在 鋼 板 厚 度 中 心 區(qū)域,開(kāi) 裂 口 較 長(zhǎng),幾 乎 使 鋼 板 完 全 分 裂 為 兩 部分。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì) Q355B 鋼板的化學(xué)成分進(jìn)行分析。由表 1 可見(jiàn),其化學(xué)成分符合 GB/T1591-2018《低合金 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì) Q335B鋼的技術(shù)要求。

1.3 拉伸試驗(yàn)

在 Q355B鋼板上截取試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。 由表2可見(jiàn),其拉伸性能符合 GB/T1591-2018標(biāo) 準(zhǔn)對(duì) Q335B鋼的技術(shù)要求。

1.4 熱酸蝕檢驗(yàn)

在 Q355B 鋼板拉斷試樣原取樣位置的附近重 新取樣,記為未拉伸試樣,對(duì)拉斷試樣和未拉伸試樣 橫截面進(jìn)行熱酸蝕檢驗(yàn)。

由 圖2可 見(jiàn) ,兩 個(gè) 試 樣 均 存 在 粗 大 的 柱 狀 晶組織,距離鋼板中心區(qū)域越近,晶粒越粗大,同時(shí),試 樣厚度中心處存在嚴(yán)重的未軋合的偏析、縮孔、疏松 和裂紋。

1.5 金相檢驗(yàn)

1.5.1 顯微組織觀察

用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液對(duì) Q355B 鋼 板拉斷試樣和未拉伸試樣進(jìn)行腐蝕后,采用光學(xué)顯 微鏡觀察其顯微組織。 由圖3可見(jiàn),試樣基體組織為鐵素體+珠光體, 兩個(gè)試樣板厚中心區(qū)域均存在條帶狀貝氏體,貝氏 體中有微裂紋,微裂紋的擴(kuò)展方向與分層裂口的擴(kuò) 展方向一致。

1.5.2 夾雜物檢驗(yàn)

在拉斷試樣和未拉伸試樣上取樣進(jìn)行夾雜物 檢驗(yàn)。 由圖4可見(jiàn),兩個(gè)試樣均存在微裂紋,且微裂紋 內(nèi)部及其附近均有較多的淺灰色夾雜物。

1.6 掃描電鏡及能譜分析

采 用 掃 描 電 鏡 和 X 射 線 能 譜 儀 (EDS)對(duì) Q355B鋼板斷口及橫截面中心區(qū)域裂紋中的夾雜 物進(jìn)行分析。

由圖5可見(jiàn),該區(qū)域的夾雜物為易變性的硅酸 鹽夾 雜 物 2MnO·SiO2 和 硫 化 物 MnS,2MnO· SiO2 的性能與 MnS的性能相似,夾雜物尺寸約為 20μm。

對(duì) Q355B 鋼板基體和板厚中心貝氏體區(qū)域進(jìn) 行了微區(qū)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?Q355B鋼板 中心貝氏體區(qū)域的碳、硅、錳元素偏析嚴(yán)重,這與熱 酸蝕檢驗(yàn)結(jié)果相一致。

2 分析與討論

通過(guò)以上檢驗(yàn)結(jié)果可知,Q355B鋼板拉伸斷口 分層與鋼板內(nèi)部缺陷有關(guān),這些缺陷來(lái)源于鋼板原 材料。

通過(guò)熱酸蝕檢驗(yàn)結(jié)果可知,Q355B鋼板內(nèi)部柱 狀晶組織較粗大,且板厚中心處存在偏析、縮孔、疏 松和裂紋,這些缺陷均來(lái)源于原材料連鑄坯。在二 次冷卻過(guò)程中,連鑄坯表面與心部有較大的溫度梯 度,形成垂直表面的單向傳熱,晶體最快生長(zhǎng)方向是 向中心優(yōu)先生長(zhǎng),向其他方向生長(zhǎng)的晶體受到彼此 妨礙而被抑制,最終形成柱狀晶區(qū)[1]。連鑄坯組織 中的柱狀晶越粗大,越易產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象,如果液體金 屬得不到及時(shí)補(bǔ)充,就會(huì)形成中心疏松或縮孔,隨之 產(chǎn)生嚴(yán)重的中心偏析。另外,連鑄坯經(jīng)噴水冷卻后 進(jìn)入輻射冷卻區(qū),其表面溫度回升,坯殼受熱膨脹, 當(dāng)應(yīng)變超過(guò)該處應(yīng)變極限時(shí),就會(huì)在粗大的柱狀晶 間產(chǎn)生裂紋。

通過(guò)掃描電鏡及能譜分析結(jié)果可知,Q355B鋼 板中心貝氏體區(qū)域的碳、硅、錳元素含量比基體中的 含量高很多,這與熱酸蝕檢驗(yàn)結(jié)果相一致。

夾雜、疏松、氣孔、中心偏析、帶狀組織均可導(dǎo)致 拉伸斷口分層[2]。中心裂紋的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè) 原因。

(1)碳、錳元素偏析會(huì)使過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變曲線(CCT 曲線)右移,進(jìn)而使過(guò)冷奧氏體的穩(wěn) 定性升高,在一定的冷卻速率下,有可能會(huì)形成貝氏 體組織,在貝氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中其體積變化與基體組 織產(chǎn)生差異,使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力而形成裂紋。

(2)在軋后冷卻過(guò)程中,鋼板表層和中心的冷 卻速率不同,會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

(3)鋼板厚度中心區(qū)域存在的夾雜物會(huì)破壞金 屬連續(xù)性,造成應(yīng)力集中,微裂紋會(huì)在夾雜物與基體 界面處產(chǎn)生,隨著拉伸變形的不斷進(jìn)行,裂紋逐漸擴(kuò) 展;有研 究 顯 示[3],當(dāng) 鋼 中 硫 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 降 低 到 0.02%以下,夾雜物尺寸控制在5μm 以下時(shí),可有 效減少斷口分層缺陷;如圖4所示,該 Q355B 鋼板 中的夾雜物尺寸偏大,這不利于對(duì)裂紋和分層缺陷的控制。

(4)縮孔、疏松缺陷會(huì)使連鑄坯在軋制過(guò)程中 出現(xiàn)絞線狀裂紋。

綜上所述,Q355B鋼板拉伸斷口出現(xiàn)分層現(xiàn)象 的主要原因是連鑄坯厚度中心處存在縮孔、疏松、偏 析和夾雜物缺陷,導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生中心裂紋,在拉伸試 驗(yàn)過(guò)程中,裂紋處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,隨著變形量的不 斷增加,裂紋不斷擴(kuò)展,最終形成斷口分層現(xiàn)象。

在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,試樣在塑性變形時(shí)內(nèi)部為 三軸應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)沿板厚方向的應(yīng)力超過(guò)開(kāi)裂應(yīng)力 極限值時(shí),就 會(huì) 發(fā) 生 平 行 于 軋 制 面 的 斷 口 分 層 開(kāi) 裂[4-5]。因此,降低板厚方向的應(yīng)力集中是解決鋼板 拉伸斷口分層現(xiàn)象的有效途徑,主要包括以下幾種 解決措施。

(1)降低鋼水過(guò)熱度,保證過(guò)熱度低于25 ℃, 減少柱狀晶比例,將縮孔、疏松和中心裂紋等缺陷級(jí) 別控制在較低水平。

(2)在煉鋼過(guò)程中,結(jié)晶器出口到拉矯機(jī)之間 的二次冷卻區(qū)采用弱冷方式,合理分配二次冷卻區(qū) 各冷卻段的水量,增加等軸晶比例。

(3)合理選擇連鑄拉坯速率與澆鑄溫度。

(4)加大各道次壓下量,保證變形滲透率,減少 或消除連鑄坯內(nèi)部縮孔和疏松等缺陷。

(5)適當(dāng)提高軋制溫度,降低冷卻速率[6]。

(6)軋后采用堆垛緩冷(多張鋼板堆垛進(jìn)行冷 卻,降低冷卻速率),減輕相變應(yīng)力、熱應(yīng)力等對(duì)微裂 紋形成的影響。

(7)采用電磁攪拌和輕壓下技術(shù),以改善柱狀 晶搭橋現(xiàn)象和補(bǔ)償凝固收縮。

3 結(jié)論及建議

(1)Q355B鋼板拉伸斷口出現(xiàn)分層現(xiàn)象的主要 原因是連鑄坯厚度中心處存在縮孔、疏松、偏析和夾 雜物缺陷,導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生中心裂紋,在拉伸試驗(yàn)過(guò)程 中,裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中,隨著變形量的不斷增加, 裂紋不斷擴(kuò)展,最終形成斷口分層現(xiàn)象。

(2)在適當(dāng)調(diào)整連鑄坯澆注及鋼板軋制工藝參 數(shù)(如過(guò)熱度、二次冷卻速率、拉坯速率、道次壓下率 和軋制溫度等)后,采用電磁攪拌和輕壓下技術(shù)以及 軋后緩冷等措施,Q355B鋼板拉伸斷口不合格率由 6.82%降低至0.84%,并穩(wěn)定在1%以下。

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