Q355B鋼板拉伸斷口分層原因及改善措施

祁敏翔, 仲陽(yáng)陽(yáng), 李振興, 宋繼強(qiáng), 王 博

(日鋼營(yíng)口中板有限公司, 營(yíng)口 115000)

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40 mm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，斷口分層位置在鋼板厚度中心區(qū)域，開裂口較長(zhǎng)，幾乎使鋼板完全分裂為兩部分。

圖1 Q355B鋼板拉伸斷口不同位置的宏觀形貌

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，其化學(xué)成分符合GB/T 1591-2018《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。

表1 Q355B鋼板的化學(xué)成分

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，其拉伸性能符合GB/T 1591-2018標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Q335B鋼的技術(shù)要求。

表2 Q355B鋼板的拉伸性能

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，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。

圖2 Q355B鋼板拉斷試樣和未拉伸試樣的熱酸蝕低倍組織形貌

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，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。

圖3 Q355B鋼板拉斷試樣和未拉伸試樣不同區(qū)域的顯微組織

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，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。

圖4 Q355B鋼板拉斷試樣和未拉伸試樣的夾雜物形貌

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，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20 μm。

圖5 Q355B鋼板斷口及橫截面中心區(qū)域裂紋中兩種夾雜物的EDS分析位置和分析結(jié)果

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)果見表3?？芍猀355B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。

表3 Q355B鋼板基體和板厚中心貝氏體區(qū)域的EDS分析結(jié)果

2 分析與討論

通過以上檢驗(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)使過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT曲線)右移，進(jìn)而使過冷奧氏體的穩(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?jǐn)?shù)降低到0.02%以下，夾雜物尺寸控制在5 μm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)力超過開裂應(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) 降低鋼水過熱度，保證過熱度低于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。