Q460C鋼組織特性對表面裂紋成因的影響分析

高 雅，孫建林，贠 冰，趙海興

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083)

Q460C鋼組織特性對表面裂紋成因的影響分析

高 雅，孫建林，贠 冰，趙海興

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083)

通過光學顯微組織觀察，測定顯微組織硬度和能譜分析等方法對Q460C中厚板表面裂紋成因進行了分析研究，分析了熱送熱裝工藝對裂紋形成的影響，分析了軋制過程中裂紋的形成機理.利用熱膨脹法結(jié)合金相法在Gleeble－1500熱模擬實驗機上測定了實驗鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，分析了材料組織轉(zhuǎn)變與裂紋形成規(guī)律的聯(lián)系.分析結(jié)果表明：熱送熱裝工藝產(chǎn)生了混晶組織，在粗軋階段未能消除，精軋階段粗晶區(qū)先于細晶區(qū)變形，產(chǎn)生不均勻變形，最終導致鋼板表面沿粗晶區(qū)與細晶區(qū)界面開裂.在軋輥摩擦力作用下，多余的變形被向前推壓，沿開裂處向鋼板表面延伸，隨軋制進行，裂紋向內(nèi)部擴展.熱送熱裝生產(chǎn)中，控制粗軋溫度和壓下量是控制裂紋產(chǎn)生關(guān)鍵.

中厚板;表面裂紋;組織轉(zhuǎn)變;混晶;熱送熱裝

控軋控冷工藝已經(jīng)在中厚板生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，其中傳統(tǒng)Q345級別的微合金結(jié)構(gòu)鋼已經(jīng)開始向Q460和Q550級別轉(zhuǎn)化，但伴隨的是更多的表面裂紋問題［1－2］，特別現(xiàn)在熱送熱裝工藝的普遍應(yīng)用使裂紋問題變得更為突出［3－5］.某鋼廠板坯連鑄機生產(chǎn)的 Nb微合金化 Q460C鋼200mm厚板坯，板坯檢測時未發(fā)現(xiàn)裂紋，但軋制后表面存在較嚴重裂紋缺陷.據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，冷裝坯軋制的鋼板基本不產(chǎn)生裂紋，而熱裝坯生產(chǎn)的鋼板裂紋明顯，厚規(guī)格鋼板較薄規(guī)格的裂紋明顯.針對出現(xiàn)問題，本文對Q460C鋼的組織轉(zhuǎn)變特性進行了研究，力圖找出其與表面微裂紋形成規(guī)律的聯(lián)系及對表面裂紋的影響.

1 實驗方法

試驗用材料為取自現(xiàn)場的Q460C鋼板，其化學成分如表1所示.裂紋試樣取自現(xiàn)場30mm規(guī)格不同批次的兩個樣，分別標記為A和B，用線切割切取裂紋樣，對其表面和斷面進行研磨拋光侵蝕，用光學顯微鏡進行組織分析，在微氏硬度儀上測試組織顯微硬度，用掃描電鏡(Cambridge S－250MK2)分析裂紋內(nèi)部和附近析出和夾雜情況.

表1 Q460C鋼化學成分

動態(tài)CCT曲線在gleeble－1500熱模擬實驗機上測定.試驗用材料取自現(xiàn)場Q460C連鑄坯的熱鍛坯，取樣時避開表面缺陷及中心偏析部位.試樣以20℃/s加熱到1150℃保溫10分鐘，使其充分奧氏體化，然后以5℃/s冷卻至870℃以10S－1的變形速率變形45%，再分別以0.5℃/s、1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s、15、20℃/s、30℃/s、40℃/s的冷卻速度冷卻至室溫.對冷卻后試樣在光學顯微鏡下觀察斷面組織，在微氏硬度計上測定硬度，根據(jù)膨脹曲線拐點數(shù)據(jù)并結(jié)合金相組織和硬度值繪制CCT曲線.

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 裂紋宏觀形態(tài)

觀察裂紋表面宏觀形貌如圖1所示.A試樣裂紋表面形態(tài)呈單根不規(guī)則條形分布于表面，整體上裂紋長度方向與軋制方向垂直.B試樣外觀形態(tài)則整體上呈封閉或半封閉舌狀，舌形寬度方向與軋向平行，裂紋成對出現(xiàn)，斷面上呈倒“八”字錐形向鋼板內(nèi)部延伸，底部與鋼板基體相連.

圖1 裂紋宏觀形態(tài)

2.2 取樣用Q460C鋼板組織轉(zhuǎn)變分析

圖2為A試樣沿板厚方向組織和晶粒分布，B試樣情況類似.取樣鋼板為采用熱送熱裝工藝生產(chǎn)，基體為正常的鐵素體加珠光體的組織，組織混晶現(xiàn)象嚴重.鋼板表面處為很細的粒狀貝氏體和少量鐵素體(圖4)，距表面約5mm處(圖2a)，組織非常不均勻，看到大量的粗晶區(qū).粗晶區(qū)晶粒尺寸約為細晶區(qū)的10－20倍，粗晶區(qū)中大部分為大塊狀鐵素體，其余為較多的珠光體和少量針狀貝氏體鐵素體;細晶區(qū)基本為粒狀貝氏體組織，其間有少量的鐵素體和珠光體.隨距表面距離增加，粗晶組織增多，貝氏體減少，珠光體鐵素體增多，在距表面10mm處(圖2b)，已經(jīng)看不到貝氏體.圖2b中組織晶粒尺寸整體上較為粗大，平均約為圖2a中細晶區(qū)晶粒尺寸的5－10倍，而且仍可以見到M位置的粗晶組織，形貌和晶粒尺寸與圖2a中粗晶區(qū)一致，為塊狀鐵素體加珠光體組織.鋼板中心部位(圖2c)為比較均勻的鐵素體和珠光體組織，呈帶狀分布，平均晶粒尺寸與圖2b中相當，不再有圖2b中的M位置的粗晶組織出現(xiàn).

圖2 厚度方向組織

圖2a中粗晶區(qū)和圖2b中M位置的塊狀鐵素體較圖2c中的鐵素體要大，這與相變機制有關(guān).劉宗昌［6－7］等認為塊狀相變是相界面處原子非協(xié)同熱激活遷移機制，是介于擴散位移和切變位移之間的一種形式，塊狀相變一般只在晶界處形核，而珠光體擴散型相變則可以在晶界和晶內(nèi)同時形核，形核率高，所以同級別晶粒度轉(zhuǎn)變后晶粒會較塊狀相變要小.隨冷卻速度向心部減小，塊狀相變減少，珠光體鐵素體增多.

由表面到心部組織形態(tài)的不同與表面和心部的冷卻速度不同有關(guān).根據(jù)現(xiàn)場軋后冷卻比水量計算的軋后平均冷卻速度約為5～10℃/s，依據(jù)已有研究中［8］數(shù)學模型計算和實測的30mm厚鋼板軋后冷卻的溫度值計算，則本取樣鋼板表面冷速約在8～12.5℃/s，中心冷速約在3～6.5℃/s.圖3為實驗測得的實驗鋼的動態(tài)CCT曲線，對比基體組織可見，鋼板軋后冷卻的組織轉(zhuǎn)變是正常的，由于表面處貝氏體轉(zhuǎn)變比心部鐵素體珠光體轉(zhuǎn)變有更大的線脹系數(shù)，表面上產(chǎn)生壓應(yīng)力，很大程度上避免了表面的應(yīng)力開裂.

圖3 Q460C鋼動態(tài)CCT曲線

總體上，由鋼板表面向心部，粗晶區(qū)逐漸增多，晶粒變大，組織由貝氏體向鐵素體珠光體轉(zhuǎn)變.這種不均勻的組織正是由熱送熱裝產(chǎn)生的，與熱送熱裝溫度有關(guān)［9］，如果在兩相區(qū)熱裝而在軋制過程中未消除則會出現(xiàn)這種混晶組織.通常中厚板軋制時，變形速率大，溫度補償因子大，加上Q460C鋼中Nb、Ti元素的阻礙作用，基本不能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶.變形后靜態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力是儲存能，它是以機構(gòu)缺陷所伴生的能量方式存在的，與變形量，變形溫度，變形速度和晶粒尺寸大小有關(guān).細晶粒有更多的晶界面積，可造成更多的位錯塞積，所以有更高的儲存能，且靜態(tài)再結(jié)晶通常發(fā)生在晶界與缺陷處，低溫大變形條件下才發(fā)生在晶內(nèi)，所以，細晶粒更易發(fā)生再結(jié)晶.若不能使混晶組織發(fā)生再結(jié)晶，熱軋后就會加劇這種不均勻性［10－12］.

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，A、B兩取樣鋼板的裝車溫度表面測定分別為692℃和720℃，基本上處于兩相溫度區(qū)，鑄坯中心較表面溫度要高，中心有可能完全處于奧氏體未轉(zhuǎn)變區(qū).成分與本實驗鋼接近的含Nb鋼單道次軋制3s后的再結(jié)晶區(qū)域圖和含Nb鋼軋制道次前的奧氏體晶粒度和靜態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量的關(guān)系已有研究［13］，為了消除這種組織不均勻性帶來的不利影響，必須加大粗軋階段的開軋溫度和變形量，并盡可能縮短道次間隔時間，以有效地促進再結(jié)晶.實驗用取樣鋼板并沒有在粗軋時消除混晶組織.

2.3 裂紋樣觀察與分析

基體組織的分析說明了混晶組織的存在，圖4為裂紋表面和斷面的組織.觀察組織照片，裂紋表面兩側(cè)組織差異明顯，一側(cè)為細小的晶粒，另一側(cè)為粗大的晶粒.通過測定組織顯微硬度值，判定細晶為粒狀貝氏體+少量鐵素體組織(圖4a)，另一側(cè)則為粗大的不均勻組織.A樣粗大晶粒主要為羽毛狀上貝氏體和板條貝氏體(圖4b).其中上貝氏體數(shù)量較多，粗大奧氏體晶界沿與裂紋平行方向伸展，并且在奧氏體晶界沒有或有微細鐵素體顆粒析出.B試樣粗大晶粒處與A試樣類似，只不過板條貝氏體較多(圖4c)，而奧氏體晶界上分布著較為粗大的網(wǎng)狀先共析鐵素體，其延伸方向也是沿與裂紋平行方向.

裂紋斷面組織如圖4d－f所示，可以看到裂紋兩側(cè)組織差異明顯，靠近表面?zhèn)葹榇志^(qū)，靠近中心側(cè)為細晶組織，與表面處一致，A樣稍有不同，裂紋上側(cè)邊部也出現(xiàn)細晶組織，為粗晶和細晶的過渡混合組織.兩試樣裂紋中心都存在有氧化物，裂紋開口處幾乎無氧化物，在中部有較多氧化物，而在尾部有裂紋的擴展延伸，但無氧化物.

B試樣粗晶區(qū)沿晶界的網(wǎng)狀鐵素體沿變形方向被拉伸，沿裂紋邊部存在在明顯的較大的鐵素體晶粒，而A試樣則沒有.兩試樣上都可明顯觀察到粗晶區(qū)變形沿晶界延伸的情況.B樣裂紋處晶界處的連續(xù)狀先共析鐵素體及裂紋邊部出現(xiàn)明的較大的鐵素體顆粒與表面處溫降有關(guān)，未進精軋機前，如果軋件表面溫降過大進入奧氏體鐵素體兩相區(qū)，在奧氏體晶界處析出先共析鐵素體，連續(xù)狀形態(tài)說明其為軋制前生成，在軋制時沿晶界被拉伸延長，晶界處鐵素體的存在會加劇變形的不均勻性.結(jié)合CCT曲線，可以看到，在軋件表面，A樣軋制溫度較高，粗晶區(qū)軋前晶界無鐵素體析出，軋后在較高溫度區(qū)間內(nèi)，鐵素體在晶界形核并向晶內(nèi)生長，形成較多的上貝氏體，細晶區(qū)則因為應(yīng)變累積大，形核率高，轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w;B樣軋制溫度較低，粗晶區(qū)軋前已析出鐵素體，軋后在稍低溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀貝氏體.

對裂紋斷面金相觀察，裂紋開口處裂縫很窄，裂紋邊部和基體組織靠近鋼板表面處未出現(xiàn)氧化圓點，表明未出現(xiàn)明顯氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋不是在加熱爐前形成的.用掃描電鏡對兩個裂紋樣斷面進行成分分析(圖5)，表明裂紋內(nèi)部是氧化鐵，裂紋內(nèi)部和附近沒有發(fā)現(xiàn)其它夾雜物或析出物，裂紋的產(chǎn)生也不是析出與夾雜造成的.

圖4 裂紋處組織

圖5 裂紋斷面及成分分析

2.4 裂紋成因討論

實驗結(jié)果表明，裂紋的產(chǎn)生不是由夾雜和析出引起的，也不是鑄坯原始裂紋造成的，而與鋼板的局部粗晶組織有關(guān).金屬變形時，晶界強烈阻礙金屬變形，變形優(yōu)先在晶內(nèi)發(fā)生.熱粗軋未能消除的奧氏體混晶組織進入未再結(jié)晶區(qū)軋制時，晶界處的位錯塞積加劇，在同樣的外加應(yīng)力作用下，大晶粒的形變由一個晶粒轉(zhuǎn)移到另一個晶粒更容易，所以粗晶區(qū)比細晶區(qū)更易變形，有更大的應(yīng)變量，也有更好的變形協(xié)調(diào)性.這種變形的不均勻性會導致很強的應(yīng)力集中，應(yīng)力足夠大時就會導致開裂.同時，粗晶區(qū)內(nèi)部滑移的轉(zhuǎn)移會使更多位錯塞積到粗晶區(qū)和細晶區(qū)的界面處，加劇界面處的應(yīng)力集中.

由上分析，認為裂紋是由于鋼板表面的粗晶區(qū)與細晶區(qū)變形不均勻，造成分界處的位錯塞積和應(yīng)力集中，首先沿分界處的晶界或先共析鐵素體開裂.變形過程中粗晶區(qū)先于細晶區(qū)變形，比細晶區(qū)有更大的變形量，在軋輥摩擦力作用下，多余的變形被向前推壓，沿開裂處向鋼板表面延伸，隨軋制進行，裂紋向內(nèi)部擴展，并且由于裂紋尖端的存在和裂紋擴展方向與軋制方向的一致性，擴展會更易進行，同時鋼板表面氧化鐵皮被壓入.隨著裂紋向內(nèi)部擴展，粗晶區(qū)變形量加大，裂紋尾部沿軋向粗晶區(qū)相對細晶區(qū)的切應(yīng)力加大，裂紋尾部發(fā)生切斷擴展，內(nèi)部無氧化物.

對于B樣，裂紋形成時，因為晶界先共析鐵素體有比奧氏體晶粒更好的流動性，粗晶區(qū)奧氏體晶粒變形時易于沿晶界先共析鐵素體滑動，隨軋制往返進行，裂紋在粗晶區(qū)兩側(cè)均發(fā)生，在斷面上成對出現(xiàn).而對于A樣，粗晶區(qū)變形發(fā)生在晶粒內(nèi)部，晶界流動性差，所以裂紋在表面呈不規(guī)則條狀出現(xiàn)，當粗晶區(qū)和細晶區(qū)界面不清晰時，應(yīng)力集中位置向細晶區(qū)移動，裂紋開裂處也向細晶區(qū)遷移.B樣裂紋處的大顆粒鐵素體不是脫碳產(chǎn)物，是晶界鐵素體隨變形進行向前流動到裂紋邊部，隨著變形進行而聚集，也可能在隨后的組織轉(zhuǎn)變中長大形成.對于A樣，由于變形前未出現(xiàn)鐵素體，所以裂紋邊部沒有鐵素體出現(xiàn).

熱送熱裝生產(chǎn)中厚板應(yīng)充分考慮混晶對表面裂紋的影響，制訂合理的熱軋工藝，在粗軋階段應(yīng)加大粗軋開軋溫度和道次壓下量，充分消除混晶組織.工業(yè)生產(chǎn)中同規(guī)格鑄坯生產(chǎn)不同厚度規(guī)格鋼板，由于薄規(guī)格產(chǎn)品粗軋階段有更大的壓下量，所以厚規(guī)格鋼板較薄規(guī)格的裂紋更明顯.

3 結(jié)論

1)不合適的熱裝溫度造成了沿板厚方向不同部位出現(xiàn)多少不等的粗大組織，鋼板表面處原始的粗大組織是產(chǎn)生裂紋的重要原因.生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免在兩相區(qū)熱裝爐.

2)揭示了熱裝工藝生產(chǎn)中厚板軋制過程中的一種裂紋形成機理.熱裝產(chǎn)生的混晶組織在粗軋階段未能消除，精軋階段粗晶區(qū)先于細晶區(qū)變形，就會產(chǎn)生不均勻變形，最終導致鋼板表面沿粗晶區(qū)與細晶區(qū)界面開裂.在軋輥摩擦力作用下，多余的變形被向前推壓，沿開裂處向鋼板表面延伸，隨軋制進行，裂紋向內(nèi)部擴展.

3)生產(chǎn)上若兩相區(qū)熱裝應(yīng)加大粗軋開軋溫度和道次壓下量，短間隔快壓下，保證消除粗大的混晶組織和促進完全再結(jié)晶，以得到合適的精軋前組織.

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Effect of microstructure characteristic of Q460C steel on surface cracks

GAO Ya，SUN Jian-lin，YUN Bing，ZHAO Hai-xing
(School of Material Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Metallographic analysis，rigidity test of microstructure and energy spectrum analysis were carried out to study surface crack of Q460C steel plate，the effect of hot delivery and hot charging on surface crack and crack mechanics in rolling process were analyzed.Based on dilatometric test and metallographic analysis，continuous cooling transformation curve of Q460C steel was investigated on gleeble－1500 thermo－mechanical simulator，the relationship between structural transformation and crack mechanics was also studied.The study showed that，mixed crystal was caused by hot delivery and hot charging and retained after rough rolling，in finish rolling process，bulky grains region deformed earlier than fine grains region，and this caused non－uniform deformation.The plate surface cracked at the boundary between bulky and fine grains region.The bulky austenite grains were stretched forward along the grain boundary or the eutectoid ferrite on the boundary and rolled over to the plate surface，the cracks extended in subsequent rolling process.For the rolling production with hot delivery and hot charging process，control of blooming temperature and reduction is the key factor to prevent cracks.

medium plate;surface crack;structural transformation;mixed crystal;hot delivery and hot charging

TG335.5 文獻標志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)05－0139－05

2010－09－30.

國家自然科學基金資助項目(50775051).

高 雅(1983－)，男，博士研究生.

聯(lián)系作者：孫建林(1963－)，男，E-mail:gaobao357@gmail.com.

(編輯 張積賓)