高層建筑用特厚板Q420GJBZ35 厚拉性能穩(wěn)定性研究

宋君君， 張占杰， 龐百鳴

（南陽(yáng)漢冶特鋼有限公司鋼研院， 河南 南陽(yáng) 474500）

厚度方向性能鋼板（簡(jiǎn)稱Z 向鋼）廣泛用于高層建筑、海洋平臺(tái)、橋梁等重要焊接構(gòu)件，隨著行業(yè)發(fā)展，對(duì)鋼板的強(qiáng)度提出了更高的要求，南陽(yáng)漢冶特鋼有限公司（以下簡(jiǎn)稱漢冶）通過(guò)合理設(shè)計(jì)化學(xué)成分、采用軋制熱處理工藝，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的Q420GJBZ35高強(qiáng)度特厚板，并得到了客戶的肯定。

近期對(duì)厚度80 mm Q420GJBZ35 連鑄板進(jìn)行厚拉性能檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)厚拉性能不穩(wěn)定，數(shù)次檢測(cè)厚拉值差異較大，為查找厚拉不穩(wěn)定的原因，本文特對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料與檢測(cè)方法

80 mm 厚Q420GJBZ35 鋼板接近《GB/T 19879—2005 建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)中Q420 級(jí)別的極限規(guī)格（最大厚度100 mm），為滿足客戶使用要求，成分設(shè)計(jì)時(shí)需要保證合適屈強(qiáng)比，足夠的抗拉強(qiáng)度，優(yōu)良的焊接性能。因此采用低C 和微合金成分設(shè)計(jì)，低的碳當(dāng)量可改善鋼板的焊接性能及低溫沖擊性能，微合金Nb、V、Ti 具有細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等作用，可提高鋼材強(qiáng)度[1]。Q420GJBZ35 標(biāo)椎成分控制范圍及實(shí)際成品成分見(jiàn)表1。

表1 Q420GJBZ35 成分控制范圍及實(shí)際成品成分 %

工藝路線：KR 鐵水脫硫—頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—LF 精煉—VD 真空—連鑄—鑄坯緩冷—加熱—高壓水除磷—軋制—ACC 控制冷卻—鋼板緩冷—無(wú)損檢測(cè)—外觀檢驗(yàn)—熱處理—精整—性能檢驗(yàn)—入庫(kù)。

對(duì)該鋼板先后進(jìn)行四次厚拉性能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該鋼板Z 向值不穩(wěn)定，兩次檢驗(yàn)合格、兩次檢驗(yàn)不合格，合格Z 向值在40 左右，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不合格Z 向值在20 以下，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Q420GJBZ35 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及廠內(nèi)四次檢測(cè)結(jié)果

為查找該鋼板Z 向性能不穩(wěn)定的原因，在此鋼板東頭、西頭的寬度中軸線處分別取1 塊80 mm×220 mm×500 mm 試塊，編號(hào)為試塊①②，隨后對(duì)試塊進(jìn)行了探傷、Z 性能、金相組織、掃描電鏡等檢驗(yàn)。

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 試塊UT 超聲波無(wú)損檢測(cè)及Z 向性能檢測(cè)

試塊超聲波探傷符合GB/T 2970—2004，Ⅲ級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)，采用PXUT-330 型數(shù)字超聲波探傷儀對(duì)所取的試塊①②進(jìn)行探傷，探傷時(shí)將探頭靈敏度提高至30 db，定位探傷存在微觀缺陷的具體位置。

在探傷缺陷處取Z 向樣，共計(jì)8 個(gè)樣，編號(hào)為1-1～1-5、2-1～2-3，在無(wú)缺陷處取樣共計(jì)6 個(gè)，編號(hào)為1-6～1-8、2-4～2-6。對(duì)制作的14 個(gè)Z 向試樣進(jìn)行厚拉測(cè)試，發(fā)現(xiàn)探傷檢測(cè)存在微觀缺陷的試樣Z 向值普遍較低，平均值11.7%，最大值為19%，最小值為7%，而無(wú)探傷缺陷的試樣Z 向值較高，平均值45%，最大值53%，最小值37%。從檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)Z 向值高低與鋼板厚度方向的抗拉強(qiáng)度聯(lián)系不明顯，Z 向值高，厚度方向抗拉強(qiáng)度稍高，Z 向值低，厚度方向抗拉強(qiáng)度稍低，抗拉強(qiáng)度差距在20 MPa 以內(nèi)，具體Z 向性能數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Q420GJBZ35 試塊探傷定位取樣向性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 Z 向樣斷口檢測(cè)

2.2.1 宏觀形貌

選取的3 個(gè)Z 向試樣殘樣，不合格試樣2 個(gè)，試樣編號(hào)1-2（Z 向值13），試樣編號(hào)1-3（Z 向值29），合格試樣1 個(gè)，試樣編號(hào)1-6（Z 向值53）。

對(duì)選取的殘樣斷口，采用無(wú)水乙醇進(jìn)行超聲波清洗，然后進(jìn)行對(duì)比觀察。編號(hào)1-2 試樣，斷裂前無(wú)明顯塑性變形，斷口縮頸不明顯，斷口平齊，顯示凸凹不平，顏色為暗灰色，無(wú)金屬光澤，見(jiàn)圖1-1；編號(hào)1-3試樣較編號(hào)1-2 試樣Z 向面縮率高16，由斷口形貌可見(jiàn)有輕微塑性變形，斷口有一定縮頸，斷口顯示凸凹不平，顏色為暗灰色，無(wú)金屬光澤，見(jiàn)圖1-2。編號(hào)1-6 試樣，斷口縮頸明顯，有明顯的剪切唇，顏色為暗灰色，見(jiàn)圖2。

圖1 Z 向性能不合格試樣宏觀形貌

圖2 Z 向性能合格試樣斷口形貌

2.2.2 微觀形貌

編號(hào)1-2 試樣（Z 向不合格），掃描斷口形貌，為典型河流花樣，見(jiàn)圖3-1，為解理斷裂，斷口處存在較多的夾雜物聚集，呈黑灰色長(zhǎng)條狀，尺寸在20～70 μm，通過(guò)外觀形貌判斷應(yīng)為MnS 夾雜物，見(jiàn)圖4，經(jīng)對(duì)其能譜分析確定為MnS 夾雜，見(jiàn)夾雜物成分表4。

圖4 編號(hào)1-2 試樣斷口處夾雜物能譜分析

編號(hào)1-3 試樣（Z 向不合格），掃描斷口形貌，有少量韌窩，見(jiàn)圖3-2 主要為準(zhǔn)解理斷裂，斷口有夾雜物聚集，呈黑灰色長(zhǎng)條狀，尺寸在20～40 μm，通過(guò)外觀形貌判斷應(yīng)為MnS 夾雜物，見(jiàn)圖5，經(jīng)對(duì)其能譜分析確定為MnS 夾雜，見(jiàn)夾雜物成分表4（見(jiàn)下頁(yè)）。斷口形貌看編號(hào)1-3 試樣塑性優(yōu)于編號(hào)1-2 試樣，夾雜物數(shù)量、夾雜物大小編號(hào)1-3 試樣低于編號(hào)1-2 試樣，這與Z 向性能數(shù)值相對(duì)應(yīng)。

表4 不合格試樣夾雜物成分

圖3 Z 向性能不合格試樣斷口微觀形貌

圖5 編號(hào)1-3 試樣斷口處夾雜物能譜分析

編號(hào)1-6 樣（Z 向合格），掃描斷口形貌，微觀斷口主要呈現(xiàn)韌窩狀，斷口處無(wú)夾雜物聚集，見(jiàn)圖2-2，從斷口形貌看編號(hào)1-6 試樣塑性良好與Z 向性能數(shù)值相對(duì)應(yīng)。

2.3 金相檢測(cè)發(fā)分析

取Z 向試樣殘樣（編號(hào)1-2、1-3、1-6），加工成金相試樣，觀察斷口處金相組織及夾雜物情況。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》和按GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》對(duì)試樣中夾雜物和帶狀組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表5。從金相評(píng)級(jí)來(lái)看，晶粒度控制較好，評(píng)級(jí)均為9.0 級(jí)以上，其中不合格試樣硫化物、帶狀組織級(jí)別較高，存在硬相組織貝氏體，見(jiàn)圖6、圖7。合格試樣500 倍金相圖片，如圖8 所示，可看出晶粒被拉長(zhǎng)，表明試樣塑性良好，微觀形態(tài)與實(shí)際性能相對(duì)應(yīng)。

圖6 Z 向性能不合試樣金相顯微組織

圖7 Z 向性能不合試樣金相顯微組織

圖8 Z 向性能合格試樣金相顯微組織

表5 Z 向試樣夾雜物、金相組織評(píng)級(jí)情況

3 分析討論

從上述檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，Z 向性能不合的主要原因是MnS 夾雜聚集造成。硫化物夾雜屬于內(nèi)生夾雜。鋼液在凝固過(guò)程中，隨著溫度的降低，S 和Mn 富集于尚未凝固的鋼液中，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成MnS、FeS 或兩者的固溶體，當(dāng)鋼液凝固時(shí)不能充分上浮，易于在鑄坯最后凝固的中心部位，形成硫化物夾雜。連鑄鋼坯在軋制過(guò)程中，鑄態(tài)組織中的硫化物夾雜，由于具有良好的塑性，在熱軋過(guò)程中隨著金屬基體一起流動(dòng)變形，在壓力作用下沿軋制方向延展，形成細(xì)長(zhǎng)的條帶狀，一般兩端呈圓角狀，尺寸達(dá)到一定程度，甚至引起鋼板分層。通過(guò)上述力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果表明MnS夾雜對(duì)常規(guī)力學(xué)性能的屈服、抗拉強(qiáng)度及Z 向拉伸抗拉強(qiáng)度影響不大，對(duì)Z 向斷面收縮率有較大的影響。這是由于MnS 夾雜破壞了鋼基體的連續(xù)性，平行于板面，當(dāng)試樣受力方向與MnS 夾雜平面垂直時(shí)，Z 向試樣有效受力面積大大減少,而對(duì)橫向、縱向試樣有效受力面積影響有限，當(dāng)硫化物延伸越長(zhǎng)，則Z 向性能越差[2]。MnS 夾雜尺寸越大，數(shù)量越多，Z 向斷面縮率越低。編號(hào)1-2、1-3 試樣硫化物微觀形貌、數(shù)量、Z向性能結(jié)果，與此結(jié)論相符。

從金相檢測(cè)結(jié)果來(lái)看Z 向性能不合格試樣1-2帶狀組織1.0 級(jí)，貝氏體組織占比40%，試樣1-3 帶狀組織2.0 級(jí)，貝氏體組織占比30%。帶狀組織與硫化物夾雜含量較高有關(guān)，鋼液凝固過(guò)程中，由于硫化物凝固溫度較低，凝固時(shí)多分布在枝晶間隙，在壓力作用下，硫化物沿壓延方向延伸，這些雜質(zhì)形成了鐵素體形核的核心，使鐵素體形態(tài)呈帶狀分布，溫度繼續(xù)降低，珠光體形成時(shí)也相應(yīng)呈條狀分布，形成珠光體帶，顯示為帶狀組織。試樣中貝氏體的產(chǎn)生是由于鋼液凝固過(guò)程中溶質(zhì)再分配，中心部位合金含量高于鑄坯的其他部位，產(chǎn)生偏析。在后續(xù)軋制過(guò)程中，此類偏析難以消除，因此鋼板中心成分對(duì)應(yīng)的CCT 曲線右移，在同樣的冷速條件下，中心部分形成貝氏體組織，在過(guò)冷奧氏體在向貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)體積膨脹，產(chǎn)生組織應(yīng)力，加上鋼板冷卻過(guò)程中，表面與芯部冷速不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終應(yīng)力疊加，且貝氏體組織較鐵素體、珠光體硬度高、韌性差，使厚度方向組織應(yīng)力不同于橫、縱方向,在厚度方向進(jìn)行拉伸過(guò)程時(shí)試樣未產(chǎn)生形變就發(fā)生脆性斷裂。

4 改進(jìn)措施

1）進(jìn)行鐵水預(yù)處理，盡量降低鋼種硫含量，精煉過(guò)程中控制好渣堿度及吹氬攪拌強(qiáng)度促進(jìn)各類夾雜物的上浮與成分的均勻化，避免嚴(yán)重的中心偏析和大塊夾雜產(chǎn)生。

2）鋼水鈣化處理，減少M(fèi)nS 的總量和聚集程度，促進(jìn)鋼中硫化物變性，減少鋼的各向異性，提高鋼的性能[3]。

3）連鑄環(huán)節(jié)加強(qiáng)液面波動(dòng)控制，減少澆鑄過(guò)程中的拉速波動(dòng)，采用有效的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)、合理的二次鋼坯冷卻和過(guò)熱度及水溫的控制等措施，減輕鑄坯中心疏松和偏析。

4）合理分配加熱時(shí)間，促進(jìn)鋼坯在高溫段中心偏析元素的擴(kuò)散，軋制時(shí)提高單道次壓下量，保證變形滲透到芯部，充分破碎粗大晶粒和大顆粒夾雜物，同時(shí)縱軋和橫軋合理結(jié)合，以減少帶狀組織生成[4]。

5 結(jié)論

1）鋼板厚度中心處聚集的條狀MnS 夾雜,是造成該鋼種Z 向性能不合的主要原因。

2）鋼板厚度中心帶狀組織嚴(yán)重及偏析處生成的貝氏體等硬相組織，其組織應(yīng)力較大是造成Z 向性能不合另一原因。