Q345B鋼拉伸分層機理分析

王理猷，彭其春，王 芹，張云祥，李 偉，李具中，彭勝堂

（1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢，430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司制造部，湖北武漢，430080）

Q345B鋼拉伸分層機理分析

王理猷1，彭其春1，王 芹1，張云祥1，李 偉2，李具中2，彭勝堂2

（1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢，430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司制造部，湖北武漢，430080）

對Q345B帶卷成分、過熱度和中心偏析進行統(tǒng)計分析，并采用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析對其拉伸后產(chǎn)生分層機理進行研究。結果表明，Q345B鋼在連鑄過程中產(chǎn)生的中心偏析，特別是Mn元素偏析，會導致中心MnS等夾雜物的聚集，從而在軋制過程中形成帶寬較大、帶間距較近的帶狀組織；這種帶狀組織在帶卷拉伸時，因局部力學性能差異過大而出現(xiàn)拉伸分層缺陷；拉伸后，分層帶卷帶狀組織密度ρa為62 700μm／mm2，未分層帶卷帶狀組織密度ρb為650μm／mm2，分層帶卷帶狀密度是未分層帶卷帶狀密度的96倍；如果Q345B鋼中心存在帶寬較大、帶間距較近帶狀組織時，就會出現(xiàn)拉伸分層現(xiàn)象。

Q345B鋼；拉伸分層；帶狀組織；硫化錳

Q345B鋼是一種中等強度高韌性碳素結構鋼，具有抗低溫、抗塑性和易焊接等綜合力學性能，已廣泛應用于機械零件、建筑材料等各類結構件［1］。由于Q345B鋼在生產(chǎn)過程中存在某些不夠完善的工藝或操作，常在拉伸后出現(xiàn)分層缺陷，極大地影響了鋼產(chǎn)品的質量。分層亦稱夾層、離層，是存在于鋼材中的一種常見內部缺陷，鋼內的氣泡、大塊的非金屬夾雜物、未完全切除的殘余縮孔或發(fā)生折疊，均可能引起鋼材的分層。拉伸后產(chǎn)生分層Q345B鋼在斷口處存在一條或數(shù)條較深的裂紋，有的還貫穿整個斷面。為此，本文對Q345B帶卷成分及其過熱度和中心偏析程度之間的關系進行統(tǒng)計，并采用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析對拉伸后分層與未分層帶卷進行機理分析，以期從顯微組織角度找出Q345B鋼拉伸分層產(chǎn)生的原因。

1 試驗

1.1 材料

試驗材料為Q4345鋼熱軋帶卷，其生產(chǎn)工藝流程為：轉爐冶煉→LF精煉→板坯連鑄→精整→加熱→軋制→冷卻→剪切。Q345B鋼帶卷化學成分如表1所示。在帶卷中心縱向切取400 mm ×30 mm×10 mm長條形鋼樣。

表1 Q345B鋼帶卷化學成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of Q345B steel

1.2 試驗方法

將Q345B帶卷試樣在Z600H型大載荷萬能材料試驗機上進行拉伸，取其拉伸后產(chǎn)生分層與未分層的鋼樣，采用J3GY－LD－400A砂輪切割機切取垂直拉伸面，在GMMY－400B磨樣機上打磨拋光后，用4%的硝酸酒精溶液擦拭數(shù)次進行腐蝕。采用光學顯然微鏡、掃描電鏡和能譜分析（XL30TMP掃描電子顯微鏡配EDAX PHOENIX能譜）對腐蝕后的帶卷進行分層機理分析。

2 結果與分析

2.1 Q345鋼過熱度和中心偏析分析

基于Q345B鋼水成分各元素含量，按文獻［2］可計算得到中間包鋼水液相線溫度均值為1 503℃，澆注溫度均值為1 531℃。對現(xiàn)場生產(chǎn)的Q345B中間包鋼水過熱度數(shù)據(jù)（計947爐）進行統(tǒng)計，得到鋼水過熱度分布散點如圖1所示。由圖1可看出，中間包鋼水過熱度主要集中在20～40℃，均值為28.25℃，其中有7爐鋼水過熱度高于50℃，4爐鋼水過熱度低于15℃。拉伸分層帶卷試樣所在C026466爐的鋼水過熱度為52.23℃，明顯高于平均中間包鋼水過熱度28.25℃。這表明其過熱度較高，鋼液流動性增強，導熱性弱，凝固時體積收縮較大，易引起中心偏析。

圖1 過熱度分布散點圖Fig.1 Overheat distribution scatter diagram

取中心偏析程度C1.0～C2.0的Q345B鋼硫印坯32塊進行統(tǒng)計。圖2為鋼樣中心偏析級別與過熱度之間的關系。由圖2可看出，C1.0級別鋼樣的過熱度均值為25.08℃，C1.5級別鋼樣的過熱度均值為26.29℃，C2.0級別鋼樣的過熱度均值為28.93℃。隨著過熱度變大，鋼樣中心偏析級別升高，過熱度較高的硫印坯可能存在較為嚴重的中心偏析。

圖2 中心偏析級別與過熱度關系Fig.2 Relationship between level of center segregation and superheat degree

2.2 區(qū)域金相組織分析

取拉伸后分層與未分層的Q345B帶卷底面進行分析，Q345B帶卷斷口底面金相照片如圖3所示。由圖3可看出，黑色區(qū)域為片層相間的鐵素體和滲碳體組成的珠光體，而白色區(qū)域為鐵素體，且由珠光體和鐵素體共同構成明顯的帶狀組織。

圖3 Q345B帶卷斷口底面金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs of Q345B hot－rolled coil fracture underside

將圖3（a）與圖3（b）比較可知，拉伸后產(chǎn)生分層的Q345B帶卷帶狀組織條帶較寬、帶間距更近，且晶粒度較小、晶粒較粗大，因而其機械性能較差；而未分層的Q345B帶卷帶狀組織條帶較窄、帶間距更遠，且晶粒度較大、晶粒較細小，因而其機械性能較優(yōu)。定量考察試驗條件下帶卷的帶狀程度，采用單位視場面積內長度大于10μm的連續(xù)珠光體帶累計總長（帶狀密度）作為評估帶狀程度的參數(shù)［3］。從圖3帶卷中心分別選取100 μm×100μm區(qū)域進行比較：①分層部位珠光體帶總長度la為627μm，大于10μm的珠光體帶條數(shù)na為23，視場面積F為0.01 mm2，計算可得帶狀密度ρa為62 700μm／mm2；②未分層部位珠光體帶總長度lb為26μm，大于10μm的珠光體帶條數(shù)nb為4，視場面積F為0.01 mm2，計算可得帶狀密度ρb為650μm／mm2。結果表明，分層帶卷帶狀密度是未分層帶卷帶狀密度的96倍。

2.3 區(qū)域成分分析

圖4為帶卷腐蝕后不同區(qū)域顯微組織。表2列出帶卷中心區(qū)域成分組成。由圖4和表2可看出，帶卷中心有明顯的Mn元素偏析，除鐵元素含量比非中心偏析區(qū)域的成分少外，其他元素均有所增加，其中 Mn元素的增量最為明顯，從1.51%增至2.25%；其次是C元素，從0.35%增至0.53%；O、Si和S增量較少。

圖4 帶卷腐蝕后不同區(qū)域的顯微組織Fig.4 Energy spectrum of different corrosion areas

表2 帶卷中心區(qū)域成分（wB／%）Table 2 Compositions of coil stock at central area

由以上分析可知，Q345B帶卷中心部位存在嚴重的成分偏析。成分偏析是鋼水在凝固過程中流動傳熱和溶質再分配的結果。連鑄過程中形成的柱狀晶向中心均勻發(fā)展，使富含C、S、Mn、P的殘余鋼液向中心流動［2］。在加熱過程中由于合金元素及其他軋制元素擴散系數(shù)較低，元素分布不均勻，使夾雜物向中心聚集，且造成不同區(qū)域之間存在一定的溫差，導致組織成分分布不均勻［4］。鑄坯中心偏析對鋼板性能的危害十分嚴重，它降低鋼材的綜合性能，使鋼材出現(xiàn)各向異性，并促使軋制工藝中較粗大帶狀組織的形成，同時Mn及其他元素的偏析，易在中心形成大量主要成分為MnS的夾雜物。這些夾雜物在形成后很難在余下工序中得以消除，且在加熱以及軋制后會對鋼材的沖擊韌性、拉伸性能等造成一定的影響。

2.4 夾雜物成分分析

圖5為Q345B帶卷斷口底面電鏡照片。由圖5（a）可看出，帶卷中心處存在較多非連續(xù)的黑色夾雜物，大部分呈條帶狀分布，還存在不規(guī)則幾何形狀夾雜物。這些被拉長的夾雜物長度一般為60～100μm，少量夾雜物長度在20μm左右。由圖5（b）可看出，夾雜物寬度為1～3μm。

圖5 Q345B帶卷斷口底面電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images of Q345B hot－rolled coil fracture underside

圖6為Q345B帶卷夾雜物顯微結構。表3列出Q345B帶卷夾雜物成分組成。由圖6和表3可看出，長條狀夾雜物主要為MnS夾雜。除大量MnS夾雜外，還伴有少量微合金元素夾雜（TiN）以及鈣鋁酸鹽組成的復合夾雜物。鋼中夾雜物對帶狀組織的形成有很大的影響。由于S和其他合金元素的偏析導致大量夾雜物的形成，而MnS在軋制時，沿軋制方向呈條帶狀分布，冷卻時成為鐵素體形核的核心，促進中心帶狀組織的形成［5］。大塊的TiN夾雜則屬于硬脆合金相，常常造成沖擊功的明顯降低，在其附近易產(chǎn)生裂紋，并沿兩相界面萌生延展，從而引起分層開裂［1］。

圖6 Q345B帶卷夾雜物顯微結構Fig.6 Microstructures of Q345B hot－rolled coil inclusion

表3 Q345B帶卷夾雜物成分（wB／%）Table 3 Inclusion composition of Q345B coil stock

2.5 拉伸分層原因分析

由過熱度統(tǒng)計可知，在連鑄過程中由于操作控制不當，中間包鋼水過熱度較高，導致澆注溫度過高，高的澆注溫度將使溫度梯度增大，有利于柱狀晶的發(fā)展。鑄坯內部結晶時，形成發(fā)達的柱狀晶體區(qū)，晶體沿一次晶軸方向長大，而主軸斜生方向的晶粒被“擠掉”，從而導致晶粒生長的不均勻性，形成一定程度的成分偏析。由區(qū)域成分分析可知，形成中心偏析（成分正偏析）的主要成分有Mn、C、O、S、Si等。這些元素在鑄坯的中心聚集，形成一些破壞鋼材正常性能的夾雜物。由夾雜物成分分析可知，在連鑄過程中形成了MnS、TiN及鈣鋁酸鹽復合夾雜。隨著鑄坯的冷卻，夾雜物固定在帶卷中心，會在中心形成成分不均勻的組織。這些含有不均勻組織的鑄坯經(jīng)熱處理、軋制后在冷卻過程中發(fā)生相變時，鐵素體優(yōu)先在枝晶偏析和非金屬夾雜延伸的條帶中形成，從而導致鐵素體形成條帶。鐵素體條帶之間為珠光體，兩者相間成層分布，形成帶狀組織。鋼樣在中心部位存在帶寬較大、帶間距較近的帶狀組織時，才會形成拉伸分層現(xiàn)象，分層鋼樣的帶狀密度遠大于未分層鋼樣的相應值。

3 結論

（1）連鑄過程中形成的中心偏析，特別是Mn等元素的偏析，會導致帶卷中心MnS等夾雜物的聚集，過多夾雜物在中心聚集，促使軋制過程中形成帶寬較大、帶間距較近的帶狀組織。

（2）帶寬較大、帶間距較近的帶狀組織在熱軋板拉伸時，因局部力學性能差異過大而產(chǎn)生分層缺陷。

（3）拉伸后產(chǎn)生分層帶卷帶狀組織密度ρa為62 700μm／mm2，未分層帶卷帶狀組織密度ρb為650μm／mm2，分層帶卷帶狀密度是未分層帶卷帶狀密度的96倍。

（4）如果Q345B帶卷中心存在帶寬較大、帶間距較近帶狀組織時，就會出現(xiàn)拉伸分層現(xiàn)象。

［1］ 鄭建平，黃貞益，姜輝，等.Q345B鋼軋后拉伸分層試樣的顯微組織研究［J］.熱處理，2009，24（1）：42－45.

［2］ 馮捷，史學紅.連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：158；264－265.

［3］ 林大為，沈黎晨，戴一一，等.消除16Mn鋼板帶狀組織的臨界冷卻速度的測定與計算［J］.鋼鐵，2000，35（7）：40－43.

［4］ 王智軼，樂可襄.Q345B中厚板拉伸試驗斷口分層的原因分析［J］.寬厚板，2009，15（3）：11－14.

［5］ 李艷梅，朱伏先，催鳳平，等.中厚鋼板分層缺陷的形成機制分析［J］.東北大學學報：自然科學版，2007，28（7）：1 002－1 005.

Mechanism of tensile layering of Q345B steel

Wang Liyou1，Peng Qichun1，Wang Qin1，Zhang Yunxiang1，Li Wei2，Li Juzhong2，Peng Shengtang2
（1.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Manufacturing Department，Wuhan Iron and Steel Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China）

The composition，the relationship between overheating and central segregation of Q345B coil stock were analyzed，and metallographic examination（OM），scanning electron microscopy（SEM）and energy spectrum（EP）were employed to study the mechanism of tensile layering of Q345B plate.The results show that central segregation is formed in the process of continuous casting，which，especially the element segregation of Mn，will lead to the gathering of such inclusions as MnS and results in the formation of banded structure of wider band and closer distance in hot rolling.When the coil stock is stretched，the huge difference in local mechanical properties produces stratified defects.After the stretching，the banded structure density of the layered coil stock（ρa）is 62 700μm／mm2，while that of un－layered coil stock（ρb）is 650μm／mm2.The former is 96 times more than the latter.When banded structure of wider band and closer distance exists in the center of Q345B steel，tensile layering will appear.

Q345B steel；tensile layering；banded structure；MnS

TF777.1

A

1674－3644（2012）04－0293－05

［責任編輯 徐前進］

2012－01－19

王理猷（1987－），男，武漢科技大學碩士生.E－mail：66690704＠qq.com

彭其春（1964－），男，武漢科技大學教授.E－mail：pengqichun1964＠163.com