低合金高強度鋼Q460加工開裂原因分析*

毛盡華1，2

(1.安陽鋼鐵股份有限公司;2.北京科技大學)

低合金高強度鋼Q460加工開裂原因分析*

毛盡華1，2

(1.安陽鋼鐵股份有限公司;2.北京科技大學)

針對安鋼爐卷機組生產(chǎn)的低合金高強度中厚板Q460在后續(xù)加工時開裂進行了分析。通過化學成分分析、力學性能檢測、金相分析與對比試驗，分析表明:該批Q460中厚板后續(xù)加工開裂主要原因是鋼中夾雜物含量過高，同時由于冷卻控制不當，表層組織出現(xiàn)高碳粒狀貝氏體和上貝氏體，雙項原因復合造成。由于高碳粒狀貝氏體和上貝氏體塑性差，同時夾雜物的大量存在增加了塑性變形過程中的應力集中，造成鋼板在彎折過程中提前開裂，從而形成了表層細小、密集的冷彎裂紋。

加工開裂 夾雜物 上貝氏體 粒狀貝氏體

0 前言

低合金高強度寬厚鋼板是鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策中明確提出要鼓勵生產(chǎn)的產(chǎn)品。它屬資源節(jié)約型鋼材，同時也是比較典型的高技術含量、高附加值產(chǎn)品，廣泛用于能源、交通、建筑、工程機械等國民經(jīng)濟各個重要領域，具有很大的市場潛力［1］。安鋼爐卷機組生產(chǎn)線生產(chǎn)的低合金高強度鋼Q460(AH60)，采用Nb、V復合微合金化，軋制工藝采用控制軋制，軋后根據(jù)規(guī)格不同選擇不同的ACC加速冷卻工藝，細化組織，提高強韌性，獲得良好的質(zhì)量，目前該產(chǎn)品已廣泛應用于煤礦機械制造，年產(chǎn)量達到20萬t，受到用戶的認可與好評。

2011年12月用戶在使用一批20 mm厚度的低合金高強度鋼Q460時，在加工成型過程中出現(xiàn)了2塊鋼板開裂。為判斷加工開裂的原因，先將鋼板翻板，再按原來的工藝加工成型，結(jié)果與之前一樣也出現(xiàn)了上下表面不同程度的開裂，裂紋形貌為細小密集的撕裂裂紋，隨后對現(xiàn)場彎折加工條件進行了調(diào)查，現(xiàn)場情況正常。為此宏觀判斷屬于該批材料承受不了正常加工條件下的塑性變形造成的開裂，屬特殊現(xiàn)象。為確定加工開裂的原因，筆者從宏觀檢查、化學成分分析、力學性能測試、金相分析與對比試驗等方面進行了研究，確認了此種加工開裂的具體原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

加工開裂鋼板宏觀形貌如圖1所示。

圖1 加工開裂鋼板宏觀形貌

由圖1可以看出，裂紋位于彎曲變形最嚴重的頂弧部，沿著彎曲方向有數(shù)條或長或短的裂紋，中間均與彎曲軸向相平行，且細小、密集。

1.2 成分分析

對加工開裂鋼板不同位置進行光譜成分分析，確認開裂面(上表面)、下表面、橫斷面中心位置成分，成分結(jié)果見表1。w%

表1 鋼板的化學成分及協(xié)議要求

由表1可以看出，該鋼板化學成分符合GB/T1591－2008低合金高強度鋼板成分要求。

1.3 力學性能測試

在離鋼板加工開裂不遠位置取3套試樣，按GB/T228－2002和GB/T232－1999標準，做了加工開裂鋼板的屈服強度、抗拉強度、伸長率，詳細數(shù)據(jù)見表2。同時對2011年生產(chǎn)20mm厚度Q460鋼板屈服強度、抗拉強度、伸長率做了統(tǒng)計，屈服強度平均為471MPa，抗拉強度為589MPa，伸長率為21.5%。

表2 裂開鋼板的力學性能

由表2可以看出，該批加工開裂的鋼板屈服強度、抗拉強度均高于正常生產(chǎn)的平均值，而伸長率卻比平均值低。

1.4 金相檢驗

在鋼板加工開裂位置取金相試樣，經(jīng)磨制后在500X金相顯微鏡下觀察(如圖2所示)，在試樣的表層及中心位置均有夾雜物，夾雜物的評級為A類夾雜物細類2.5級，D類夾雜物2.0級。隨后用4%硝酸酒精侵蝕，在200倍的光學顯微鏡下觀察，彎曲開裂內(nèi)外側(cè)表面組織為鐵素體+粒狀貝氏體+上貝氏體(圖2(a)、(c))，基體的組織為鐵素體+珠光體(圖2(b))。

圖2 鋼板冷彎開裂位置金相

為進一步分析加工開裂的原因，對開裂面的表層組織和夾雜物進行了觀察，在鋼板表層0.2 mm左右存在粒狀貝氏體和上貝氏體層，同時觀察到夾雜物，且密度高于正常生產(chǎn)的產(chǎn)品，如圖3所示。

圖3 開裂面表層組織與夾雜物照片

圖3(c)為Q460加工開裂的宏觀形貌，從圖中可以看出，為細小密集的線狀裂紋，且多數(shù)裂紋有塌陷現(xiàn)象，說明裂紋源來自皮下，而表層金屬在后續(xù)變形中為補充皮下裂紋產(chǎn)生的空間而塌陷，最終不能承受變形，被撕裂，裂紋擴展到表層。這再一次證明了裂紋源來自皮下的夾雜，而表層過冷組織因塑性不足，無法彌補密集夾雜物的起裂所形成的斷層而最終造成了宏觀裂紋的形成。

1.5 對比試驗

為了進一步分析加工開裂鋼板的原因，對正常生產(chǎn)的Q460進行彎折試驗，試驗鋼板的化學成分見表3，鋼板的力學性能見表4。

表3 正常試樣Q460成分w%

表4 正常試樣力學性能

正常正常Q460冷彎表面及實物表層、中心組 織照片如圖4所示。

圖4 正常Q460冷彎表面及實物表層、中心組織

由圖4可以看出，正常冷卻的低合金高強度鋼Q460，經(jīng)彎折后鋼板表面質(zhì)量良好，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。于是在彎折的試樣附近取金相試樣，制樣后用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，在500倍的光學顯微鏡下觀察，其表層為準多邊形鐵素體、多邊形鐵素體和珠光體的混合組織，而不含高比例的粒狀貝氏體和上貝氏體。

2 分析與討論

1)根據(jù)鋼板彎曲開裂的宏觀檢查可知，在沒有加工位置，鋼板表面質(zhì)量良好，沒有可見的裂紋、夾雜等冶金缺陷。開裂位置裂紋缺陷是沿著彎曲方向上表面頂弧開始，均與彎曲軸方向相平行，且細小、密集。

2)通過金相分析可知，加工開裂的低合金高強度鋼Q460受彎面存在表層過冷組織，即粒狀貝氏體和上貝氏體，同時夾雜物含量明顯高于正常生產(chǎn)樣。

3)對于該鋼種，碳含量相對高(0.14%～0.20%)，同時Mn元素與微合金元素相對于其它低合金鋼含量高，因此，在軋后冷卻時更易得到硬相—高碳粒狀貝氏體與上貝氏體，這種組織類型塑性差，同時大量夾雜物的存在增加了塑性變形過程中的應力集中從而多點起裂，造成彎折過程中受彎鋼板提前開裂。

4)加工開裂的宏觀裂紋形貌為細小密集的線狀裂紋，且多數(shù)裂紋有塌陷現(xiàn)象，說明裂紋源來自皮下，而表層金屬在后續(xù)變形中為補充皮下裂紋產(chǎn)生的空間而塌陷，最終不能承受變形，被撕裂，裂紋擴展到表層。

5)正常鋼板基體組織應該為鐵素體和珠光體，表層組織為鐵素體+少量準多邊形鐵素體+珠光體，但是加工開裂鋼板在金相顯微鏡下可以觀察到鋼板上下表面厚度存在0.2 mm的粒狀貝氏體和上貝氏體。貝氏體是鋼板從高溫冷卻時速度過快，使鋼中的碳來不及擴散，而形成了碳在α－Fe中過飽和固溶體［2］，該類組織硬而脆，在加工過程中難于承受較大變形。

3 結(jié)論

以上分析表明，該批Q460中厚板后續(xù)加工開裂主要原因是由于鋼中夾雜物含量高，同時由于軋后冷卻控制不當，表層組織出現(xiàn)粒狀貝氏體和上貝氏體，這兩項原因復合造成了鋼板加工開裂。由于粒狀貝氏體和上貝氏體塑性差，同時夾雜物的大量存在增加了塑性變形過程中的應力集中，而造成在加工變形過程中提前開裂，從而形成了表層細小、密集的冷彎裂紋。

因此對于低合金高強鋼Q460，在冶煉過程中應控制夾雜物含量和形態(tài)，同時軋后冷卻應采用控制冷卻工藝，避免過冷組織的生成，以獲得強度、塑性和加工性能的良好匹配。

［1］常躍峰，王祖濱，趙文忠.低合金高強度寬厚鋼板的發(fā)展趨勢［J］.鋼鐵，2007(8):1 －6.

［2］宋文斌，黃貞益，林貴明，等.硬線盤條拉拔裂開原因分析［J］，物理測試，2005(6):44－47.

ANALYSIS ON CRACKING DURING HSLA Q460 MACHINING

Mao Jinhua1，2
(1.Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd;2.University of Science and Technology Beijing)

The cracking in downstream machining for HSLA Q460 steel produced in the steckle mill production line in Anyang Steel is analyzed.The main cracking reasons are more inclusions and high carbon granular bainite and upper banite because of improper cooling control by means of chemical composition analysis，mechanical property detection，metallography analysis and contrast test.Because the plasticity of granular bainite and upper bainite is low and stress is concentrated during plastic deformation because of existence of inclusions，plate cracks in advance during benting and the tiny and intensified cold bending cracks at the surface are formed.

cracking during machining inclusion upper bainite granular bainite

*聯(lián)系人:毛盡華，高級工程師，廠長，博士研究生，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠;

2012—6—27