摘要:采用宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、热酸蚀检验、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了QB钢板拉伸断口出现分层的原因。结果表明:QB钢板拉伸断口出现分层的主要原因是连铸坯厚度中心处存在缩孔、疏松、偏析和夹杂物缺陷,导致钢板产生中心裂纹,在拉伸试验过程中,裂纹处产生应力集中,随着变形量的不断增加,裂纹不断扩展,最终出现断口分层现象;在适当调整连铸坯浇注及钢板轧制工艺参数(如过热度、二次冷却速率、拉坯速率、道次压下率和轧制温度等)后,采用电磁搅拌和轻压下技术,以及轧后缓冷等措施,QB钢板拉伸断口不合格率由6.82%降低至0.84%,并稳定在1%以下。

关键词:QB钢;拉伸试验;断口分层;中心裂纹;贝氏体;夹杂物

中图分类号:TG文献标志码:B文章编号:-()03--05

QB钢属于低合金钢,具有较好的综合力学性能,主要用于桥梁、管道等行业。在对某厂生产的40mm厚QB钢板进行拉伸试验时,发现其拉伸断口分层严重,说明钢板的抗层状撕裂性能较差,在实际应用中会造成较大的安全隐患,因此使产品无法按合同正常交付,使企业的经济效益受损。

笔者采用宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、热酸蚀检验、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法,分析了QB钢板拉伸断口分层的原因,以期避免该类缺陷的再次发生。

1理化检验

1.1宏观观察

由图1可见,断口分层位置在钢板厚度中心区域,开裂口较长,几乎使钢板完全分裂为两部分。

1.2化学成分分析

对QB钢板的化学成分进行分析。由表1可见,其化学成分符合GB/T-《低合金高强度结构钢》标准对QB钢的技术要求。

1.3拉伸试验

在QB钢板上截取试样进行拉伸性能测试。由表2可见,其拉伸性能符合GB/T-标准对QB钢的技术要求。

1.4热酸蚀检验

在QB钢板拉断试样原取样位置的附近重新取样,记为未拉伸试样,对拉断试样和未拉伸试样横截面进行热酸蚀检验。

由图2可见,两个试样均存在粗大的柱状晶组织,距离钢板中心区域越近,晶粒越粗大,同时,试样厚度中心处存在严重的未轧合的偏析、缩孔、疏松和裂纹。

1.5金相检验

1.5.1显微组织观察

用4%(体积分数)硝酸酒精溶液对QB钢板拉断试样和未拉伸试样进行腐蚀后,采用光学显微镜观察其显微组织。由图3可见,试样基体组织为铁素体+珠光体,两个试样板厚中心区域均存在条带状贝氏体,贝氏体中有微裂纹,微裂纹的扩展方向与分层裂口的扩展方向一致。

1.5.2夹杂物检验

在拉断试样和未拉伸试样上取样进行夹杂物检验。由图4可见,两个试样均存在微裂纹,且微裂纹内部及其附近均有较多的浅灰色夹杂物。

1.6扫描电镜及能谱分析

采用扫描电镜和X射线能谱仪(EDS)对QB钢板断口及横截面中心区域裂纹中的夹杂物进行分析。

由图5可见,该区域的夹杂物为易变性的硅酸盐夹杂物2MnO·SiO2和硫化物MnS,2MnO·SiO2的性能与MnS的性能相似,夹杂物尺寸约为20μm。

对QB钢板基体和板厚中心贝氏体区域进行了微区成分分析,结果见表3。可知QB钢板中心贝氏体区域的碳、硅、锰元素偏析严重,这与热酸蚀检验结果相一致。

2分析与讨论

通过以上检验结果可知,QB钢板拉伸断口分层与钢板内部缺陷有关,这些缺陷来源于钢板原材料。

通过热酸蚀检验结果可知,QB钢板内部柱状晶组织较粗大,且板厚中心处存在偏析、缩孔、疏松和裂纹,这些缺陷均来源于原材料连铸坯。在二次冷却过程中,连铸坯表面与心部有较大的温度梯度,形成垂直表面的单向传热,晶体最快生长方向是向中心优先生长,向其他方向生长的晶体受到彼此妨碍而被抑制,最终形成柱状晶区[1]。连铸坯组织中的柱状晶越粗大,越易产生搭桥现象,如果液体金属得不到及时补充,就会形成中心疏松或缩孔,随之产生严重的中心偏析。另外,连铸坯经喷水冷却后进入辐射冷却区,其表面温度回升,坯壳受热膨胀,当应变超过该处应变极限时,就会在粗大的柱状晶间产生裂纹。

通过扫描电镜及能谱分析结果可知,QB钢板中心贝氏体区域的碳、硅、锰元素含量比基体中的含量高很多,这与热酸蚀检验结果相一致。

夹杂、疏松、气孔、中心偏析、带状组织均可导致拉伸断口分层[2]。中心裂纹的产生主要有以下几个原因。

(1)碳、锰元素偏析会使过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)右移,进而使过冷奥氏体的稳定性升高,在一定的冷却速率下,有可能会形成贝氏体组织,在贝氏体转变过程中其体积变化与基体组织产生差异,使钢板内部产生应力而形成裂纹。

(2)在轧后冷却过程中,钢板表层和中心的冷却速率不同,会产生热应力,进而产生裂纹。

(3)钢板厚度中心区域存在的夹杂物会破坏金属连续性,造成应力集中,微裂纹会在夹杂物与基体界面处产生,随着拉伸变形的不断进行,裂纹逐渐扩展;有研究显示[3],当钢中硫的质量分数降低到0.02%以下,夹杂物尺寸控制在5μm以下时,可有效减少断口分层缺陷;如图4所示,该QB钢板中的夹杂物尺寸偏大,这不利于对裂纹和分层缺陷的控制。

(4)缩孔、疏松缺陷会使连铸坯在轧制过程中出现绞线状裂纹。

综上所述,QB钢板拉伸断口出现分层现象的主要原因是连铸坯厚度中心处存在缩孔、疏松、偏析和夹杂物缺陷,导致钢板产生中心裂纹,在拉伸试验过程中,裂纹处会产生应力集中,随着变形量的不断增加,裂纹不断扩展,最终形成断口分层现象。

在拉伸试验过程中,试样在塑性变形时内部为三轴应力状态,当沿板厚方向的应力超过开裂应力极限值时,就会发生平行于轧制面的断口分层开裂[4-5]。因此,降低板厚方向的应力集中是解决钢板拉伸断口分层现象的有效途径,主要包括以下几种解决措施。

(1)降低钢水过热度,保证过热度低于25℃,减少柱状晶比例,将缩孔、疏松和中心裂纹等缺陷级别控制在较低水平。

(2)在炼钢过程中,结晶器出口到拉矫机之间的二次冷却区采用弱冷方式,合理分配二次冷却区各冷却段的水量,增加等轴晶比例。

(3)合理选择连铸拉坯速率与浇铸温度。

(4)加大各道次压下量,保证变形渗透率,减少或消除连铸坯内部缩孔和疏松等缺陷。

(5)适当提高轧制温度,降低冷却速率[6]。

(6)轧后采用堆垛缓冷(多张钢板堆垛进行冷却,降低冷却速率),减轻相变应力、热应力等对微裂纹形成的影响。

(7)采用电磁搅拌和轻压下技术,以改善柱状晶搭桥现象和补偿凝固收缩。

3结论及建议

(1)QB钢板拉伸断口出现分层现象的主要原因是连铸坯厚度中心处存在缩孔、疏松、偏析和夹杂物缺陷,导致钢板产生中心裂纹,在拉伸试验过程中,裂纹处产生应力集中,随着变形量的不断增加,裂纹不断扩展,最终形成断口分层现象。

(2)在适当调整连铸坯浇注及钢板轧制工艺参数(如过热度、二次冷却速率、拉坯速率、道次压下率和轧制温度等)后,采用电磁搅拌和轻压下技术以及轧后缓冷等措施,QB钢板拉伸断口不合格率由6.82%降低至0.84%,并稳定在1%以下。

参考文献:

[1]许庆太,王文仲.连铸钢坯低倍检验和缺陷图谱[M].北京:中国标准出版社,.

[2]李荣锋,余立.关于钢材力学性能试验试样断口厚向开裂的若干问题[J].材料开发与应用,,28(3):1-8.

[3]李艳梅,朱伏先,崔凤平,等.中厚钢板分层缺陷的形成机制分析[J].东北大学学报(自然科学版),,28(7):-.

[4]韩荣东,刘静.QE钢板拉伸试验试样断口分层原因分析[J].武汉工程职业技术学院学报,,21(3):19-21.

[5]李荣锋.关于力学性能试验试样断口分层(离)开裂现象的思考[J].物理测试,,29(S1):75-79.

[6]王蕾,王立军,金潮,等.Q钢板拉力分层成因及控制措施[C]∥中国金属学会.第八届()中国钢铁年会论文集[M].北京:冶金工业出版社,.

文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷3期(pp:70-74)