TMCP高強貝氏體鋼板拉伸斷裂機制研究

武鳳娟 劉東升

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625)

TMCP高強貝氏體鋼板拉伸斷裂機制研究

武鳳娟 劉東升

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625)

TMCP型F620船板鋼的拉伸伸長率達15%時未出現(xiàn)分層斷裂。但隨著頸縮的發(fā)展，在斷裂前瞬間發(fā)生分層。對鋼板及拉伸斷口分層裂紋進行光學(xué)顯微鏡(OM)觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯偏析及異常夾雜物等缺陷。對拉伸斷口分層面進行掃描電鏡(SEM)觀察，發(fā)現(xiàn)分層面具有明顯的低塑性解理斷裂特征。利用X射線衍射(XRD)對形變前后的試樣進行織構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)<111>//拉伸方向的織構(gòu)被加強。通過電子背散射衍射(EBSD)分析形變組織，發(fā)現(xiàn)晶界分布狀態(tài)發(fā)生了改變。Z向短棒拉伸試驗證明厚度方向具有良好的塑性。上述結(jié)果表明，拉伸斷口分層是TMCP貝氏體鋼板特有的特征，并非性能降低所致。

熱機械控制工藝 貝氏體高強鋼 拉伸斷口 分層

使用微合金化和控制軋制加速冷卻(thermomechanically controlled process，TMCP)技術(shù)生產(chǎn)的高強度和超高強度船板鋼，具備優(yōu)良的低溫韌性和焊接性[1-4]。TMCP鋼板進行板拉伸時，常出現(xiàn)拉伸斷口分層，即在拉伸試驗中，出現(xiàn)平行于板面的分層[5-6]。在低強度低合金鋼中，此類現(xiàn)象主要是因為嚴重偏析形成的帶狀組織或大尺寸夾雜物的存在所致[7-8]。然而，無明顯冶金缺陷的高強鋼板拉伸時仍出現(xiàn)斷口分層現(xiàn)象。李秀程等[9]認為拉伸斷口分層是由貝氏體自身特有的力學(xué)性能導(dǎo)致的。但在發(fā)生分層前鋼板能承受多大的拉伸變形，需要定量研究，且貝氏體鋼拉伸分層是否為其特征之一，尚需更多的試驗驗證。因此本文取不同工藝生產(chǎn)的F620高強度船板鋼，進行系列拉伸性能分析。

1 試驗材料與方法

試驗材料為F620熱軋船板鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：C 0.06，Si 0.24，Mn 1.28，P 0.006，S 0.002，Al 0.035，(Cu+Ni+Cr+Mo)2.59，(Nb+V+Ti)0.072，F(xiàn)e余量。板坯經(jīng)鐵水預(yù)脫S處理→180 t轉(zhuǎn)爐煉鋼→鋼包精煉(LF)→RH法真空脫氣等工業(yè)生產(chǎn)過程制備，連鑄成320 mm厚板坯。將板坯加熱到1 200 ℃保溫4 h，在配備5 000 mm四輥可逆軋機和多功能加速冷卻系統(tǒng)(multi-purpose interrupt cooling，MULPIC)的工業(yè)生產(chǎn)線上進行TMCP工藝試驗，將連鑄坯分別軋成30和50 mm 厚鋼板，主要軋制工藝參數(shù)如表1所示。然后對鋼板進行650 ℃回火處理。

表1 F620鋼的軋制及冷卻生產(chǎn)工藝Table 1 Rolling and cooling process of F620 steel

取試驗鋼板進行橫向、縱向全厚度(30和50 mm)板拉伸試驗。沿鋼板厚度方向取樣，進行全厚度Z向圓棒拉伸試驗，試樣中間段直徑分別為6和10 mm。用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察全厚度板拉伸試樣頸縮段縱剖面圖像以及分層斷口縱剖面顯微組織。利用JSM-7001F掃描電鏡(SEM)觀察鋼板縱向拉伸試樣斷口的分層面形貌。然后垂直于分層面沿拉伸方向剖開，在裂紋附近頸縮區(qū)和原始鋼板處取方形樣，經(jīng)研磨、拋光后進行X射線衍射(XRD)分析，利用取向分布函數(shù)(orientation distribution function，ODF)[10]對鋼板在拉伸塑性形變過程中的織構(gòu)演變進行表征；此外，以相同方式取樣，通過電子背散射衍射(EBSD)分析形變組織晶界的變化情況。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗結(jié)果

不同厚度試驗鋼板的組織主要是板條貝氏體及一些彌散的馬氏體奧氏體組元(M/A)，組織均勻細密，無明顯偏析，如圖1所示。

圖1 (a)30 mm和(b)50 mm厚鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructures of (a) 30 mm and (b) 50 mm thick steel plates

取不同厚度的鋼板進行拉伸試驗，觀察到試樣在出現(xiàn)頸縮時并未發(fā)生分層，頸縮到一定程度后，測量試樣的伸長率，30 mm厚鋼板經(jīng)拉伸后，伸長率為15%，未出現(xiàn)分層，如圖2(a)所示；50 mm厚鋼板經(jīng)拉伸后，伸長率為14%，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如圖2(b)所示。取試樣的嚴重頸縮段，平行于厚度方向沿中間剖開，圖3為全厚度板拉伸頸縮段的縱剖面圖像，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖2 發(fā)生頸縮的(a)30 mm和(b)50 mm 厚鋼板拉伸試樣Fig.2 (a) 30 mm and (b) 50 mm thick steel tensile specimens with necked zone

圖3 (a)30 mm和(b)50 mm厚鋼板拉伸試樣頸縮段縱剖面圖像Fig.3 Lateral section of necked zone in (a) 30 mm and (b) 50 mm thick steel tensile specimens

對拉伸試樣繼續(xù)加載，發(fā)現(xiàn)試樣在斷裂前瞬間發(fā)生分層，分層后試樣隨即斷為兩半。在橫向和縱向取樣的拉伸試驗中均發(fā)生了斷口分層現(xiàn)象，分層面貫穿試樣，在接近厚度中心處，且平行于軋面，裂紋在頸縮區(qū)邊緣停止，如圖4所示。對分層斷口側(cè)剖面進行微觀結(jié)構(gòu)分析，組織均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯偏析，如圖5所示。全厚度板拉伸試驗結(jié)果表明，30 mm厚鋼板屈服強度最小值為742.55 MPa，抗拉強度最小值為788.32 MPa，斷后伸長率最低值為20.06%；50 mm厚鋼板屈服強度最小值為687.42 MPa，抗拉強度最小值為746.66 MPa，斷后伸長率最低值為15.18%，具有較好的強度和塑性，如表2所示。

2.2 拉伸斷裂機制分析

通過XRD對鋼板拉伸前后的織構(gòu)特征進行分析，圖6為φ2=45°特征截面的ODF圖，主要織構(gòu)類型為{111}<110>織構(gòu)。圖7為織構(gòu)α取向線圖(φ1=0°，φ2=45°，Φ=0～90°)，拉伸前的取向密度最大值為8.33，拉伸后的取向密度最大值為13.01。說明頸縮區(qū){111}<110>織構(gòu)特征被強化，即<111>//拉伸方向的織構(gòu)變強了，這是典型的拉伸前后織構(gòu)的演變趨勢。雖然{111}//軋面型織構(gòu)被認為是有利于材料各向同性的，但是<110>//拉伸方向的拉伸織構(gòu)會造成沿拉伸方向的韌化和垂直拉伸方向的脆化[11]。

表2 F620鋼板拉伸試驗結(jié)果Table 2 Tensile Properties of F620 steel plates

圖6 拉伸形變(a)前、(b)后的織構(gòu)演變 (板厚50 mm，φ2=45°)Fig.6 Textures of steel plate (a) before and (b) after tensile test (50 mm thick plate, φ2=45°)

圖7 拉伸形變前后織構(gòu)α取向線(板厚50 mm， f(g)-取向密度，Φ-歐拉角(φ1、φ2、Φ)中 的一個參數(shù))Fig.7 α fiber texture of steel plate before and after tensile test (50 mm thick plate, f(g)-orientation density, Φ-one parameter in the Euler angle (φ1,φ2,Φ))

取拉伸試樣斷口分層面進行SEM分析，如圖8所示。分層面形貌為“河流狀花樣”，即低塑性解理斷裂。斷口分層面凹凸程度較小，有類似晶粒形狀的凹凸面。“河流”的流向平行于拉伸方向，與裂紋擴展方向一致，即裂紋的擴展方向呈現(xiàn)出平行于拉伸方向的走勢，這種斷裂條紋走向與通常的解理斷裂條紋不同，這種現(xiàn)象產(chǎn)生可能與拉伸過程中貝氏體板條轉(zhuǎn)動形成的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)[12]。此外，在拉伸斷口分層面上未發(fā)現(xiàn)異常的夾雜物及其他缺陷存在。

圖8 全厚度板拉伸試驗分層面 SEM圖像(板厚50 mm)Fig.8 SEM image of the laminated surface (50 mm thick plate)

裂紋附近頸縮區(qū)和原始鋼板的EBSD圖像如圖9所示，經(jīng)拉伸變形后，晶粒被拉長，發(fā)生了嚴重的塑性形變，平行于拉伸方向排列。在垂直于拉伸方向上晶粒密度變大。裂紋的擴展路徑更傾向于選擇平行于高密度晶界界面的平面，即平行于軋面的平面[9]。鋼板經(jīng)拉伸變形后，貝氏體組織中大角度晶界(>15°)數(shù)量減少，拉伸前為28.2%，拉伸后為19.7%，如圖10直方圖所示。由于大角度晶界對裂紋的擴展有阻礙作用，因此大角度晶界的減少，降低了晶界對裂紋擴展的阻礙作用，使得裂紋更易發(fā)生擴展。

為了進一步研究這種低塑性解理斷裂是否由鋼板自身在厚度方向上存在性能差異造成的，對鋼板進行了全厚度Z向圓棒拉伸試驗，斷口形貌如圖11所示。斷面收縮率達到70%以上，拉伸試樣斷口為正常的杯錐形塑性斷口，在厚度方向上顯示出了較好的塑性。

圖9 拉伸變形(a)前、(b)后的EBSD圖像(板厚50 mm)Fig.9 EBSD images of steel plate (a) before and (b) after tensile test (50 mm thick plate)

圖10 拉伸變形(a)前、(b)后晶界變化(板厚50 mm)Fig.10 Grain boundary distribution of steel plate (a) before and (b) after tensile test (50 mm thick plate)

圖11 Z向短棒拉伸試驗斷口形貌Fig.11 Fractographs of short bar tensile specimens along Z directions

本文所研究的TMCP型F620船板鋼在橫向和縱向拉伸試驗中均發(fā)生了斷口分層，從試驗結(jié)果看，貝氏體鋼拉伸分層確實為其特征之一。拉伸斷口分層是一種脆性開裂，材料承受了較大的塑性形變時，織構(gòu)取向密度、晶界分布狀態(tài)生了變化。但通過Z向短棒拉伸試驗證明厚度方向具有良好的塑性性能，且分層面及裂紋處無明顯缺陷。并且在進行橫向、縱向拉伸試驗時，伸長率達15%時并未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，當頸縮發(fā)展到一定程度，拉伸斷口分層發(fā)生在拉伸斷裂前極短的時間內(nèi)，即斷口分層對鋼板常規(guī)力學(xué)性能指標幾乎沒有影響。

3 結(jié)論

(1)拉伸斷口分層是TMCP貝氏體鋼板特有的特征，并非性能降低所致。TMCP型F620船板鋼伸長達15%時未出現(xiàn)分層斷裂。但隨著頸縮的發(fā)展，在斷裂前瞬間發(fā)生分層，分層面平行于軋面。分層面及裂紋處，未發(fā)現(xiàn)明顯偏析及異常夾雜物等有害缺陷。

(2)拉伸斷口分層是一種脆性開裂。頸縮處嚴重的塑性形變，使得<111>//拉伸方向的織構(gòu)被加強，造成沿拉伸方向的韌化和垂直拉伸方向的脆化。同時，拉伸形變使得貝氏體組織晶界分布狀態(tài)生了轉(zhuǎn)變，降低了晶界對裂紋擴展的阻礙作用。

(3)Z向短棒拉伸試驗證明厚度方向具有良好的塑性，斷面收縮率達到70%以上，拉伸試樣斷口為正常的杯錐形塑性斷口。

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收修改稿日期：2017-05-25

StudyonTensileFractureMechanismofTMCPHighStrengthBainiticSteel

Wu Fengjuan Liu Dongsheng

(Institute of Research of Iron and Steel, Shasteel, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China)

In the tensile test of F620 grade shipbuilding steel produced by thermomechanically controlled process (TMCP), the laminate fracture didn’t occurred when the elongation was 15%, while occurred instantaneously before fracture. Based on optical microscopy (OM) observation on the laminated crack, no harmful defects, such as obvious segregation bands and abnormal inclusions were found. According to scanning electron microscopy (SEM) observation on the laminated surface, the ‘laminate’ had features of cleavage fracture. Meanwhile, the texture in <111> parallel to the tensile direction measured by X-ray diffraction (XRD) was strengthened. Based on electron backscatter diffraction (EBSD) analysis, it was found that the grain boundary distribution changed. The steel plates had good plasticity in the direction of thickness measured by short bar tensile test in Z direction. These observations indicated that the laminated fracture was the characteristic of bainitic steel, and not attributed to decrease of mechanical properties.

TMCP， high strength bainitic steel， tension fracture， laminated

武鳳娟，女，助理研究員，碩士，從事熱軋板帶材產(chǎn)品的開發(fā)，Email:xiaowufj@163.com