高強船板延伸率不合格原因分析與探討*

王攀峰， 靳　星

(南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京　210035)

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高強船板延伸率不合格原因分析與探討*

王攀峰， 靳星

(南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京210035)

結合高強船板冶煉和軋制生產(chǎn)的實際情況，通過采用金相分析、掃描電鏡微觀分析和低倍檢測分析等手段，對高強船板延伸波動的主要原因進行分析和探討，尋找延伸率不合格與坯料質量的對應關系，并提出工藝優(yōu)化措施，提高船板延伸率。

高強船板； 延伸率； 內(nèi)部質量； 中間裂紋

引言

隨著造船業(yè)的發(fā)展，市場對船板的需求與日俱增，對船板的強韌性、可焊性和表面質量要求也不斷提高，對材料本身性能的要求也更加嚴格。延伸率(δ)是描述材料塑性性能的指標，即試樣拉伸斷裂后標距段的總變形ΔL與原標距長度L之比的百分數(shù)：δ=ΔL/L×100%。延伸率在一定程度上反映了材料塑性變形的承受能力。從強度級別上看，高強船板的強度等級高于普通船板，在高強度條件下滿足材料延伸率性能對材料本身提出了更高的要求，在生產(chǎn)過程中，由于坯料中心偏析、鋼板內(nèi)部質量等問題，鋼板延伸率經(jīng)常出現(xiàn)波動，影響了高強船板的交付和使用。

許多學者[1-8]對鋼板延伸率問題進行系統(tǒng)分析，主要從鋼水純凈度、鑄坯中心偏析、夾雜物分布和組織異常等方面開展工作。劉曉美[1]等對Q235B鋼板延伸率不合格試樣進行分析，認為內(nèi)部夾雜物特別是硫化物分布不均勻是造成延伸率不合格的主要原因，改進措施是提高冶金質量，減少夾雜物偏析，盡可能把夾雜物從條帶狀改變?yōu)榉稚⒐铝⒌狞c狀，以減少應力集中，從而提高鋼板的延伸率。姚海濱[2]、陸淑娟[3]從鋼材中夾雜物的類型和鋼水純凈度控制方面進行分析，認為沿軋向分布的條帶狀塑性夾雜物(硫化物、硅酸鹽和點鏈狀氧化物)是造成鋼板延伸率低的主要原因。羅淼[4]分析認為鋼材中超標帶狀組織、硫化物夾雜和心部高硬度脆性相的存在是造成 Q345R容器板延伸性能不合的主要因素；通過優(yōu)化鈣處理工藝和連鑄冷卻制度，控制硫含量以減少鋼中的夾雜物數(shù)量，改善成分偏析和夾雜物的分布，可以減少鋼中的裂紋源并抑制裂紋的擴展，最終提高鋼板的延伸性能。劉洪芝[5]、王艷莉[6]、蘇春昌[7]等從鋼板異常組織、鋼水純凈度、夾雜物等方面對影響鋼板延伸率的因素進行分析，提出優(yōu)化措施，改善厚度方向鋼板性能均勻性。

1　影響鋼板延伸率的主要因素分析

1.1化學成分對延伸率的影響

如果僅考慮鋼中晶粒尺寸、珠光體含量及固溶元素對延伸率的影響，材料斷裂時的總應變可以用下式表示

0.29×w(Sn)+0.015×d-0.5

(1)

從式(1)可以看出，影響材料總應變的主要因素有：碳含量、晶粒大小、磷、硫雜質含量等，其中由于磷和錫元素容易在晶界析出，影響材料塑性變形；硫含量高容易生成硫化物夾雜，影響材料基體塑性連續(xù)變形能力；Si，Mn為鐵素體固溶元素，除了生成夾雜物影響塑性外，固溶在鐵素體內(nèi)的Si，Mn對塑性影響不大，相反由于使奧氏體相變溫度下降，有利于細化鐵素體晶粒。連鑄成分偏析對帶狀組織的生成影響較大，帶狀組織嚴重破壞了金屬變形的連續(xù)性，隨著帶狀級別的加大，延伸率指標也呈下降趨勢，尤其是鋼板中心位置的偏析嚴重時會大幅度降低延伸性能。

1.2材料組織對延伸率的影響

由于高強度船板有碳當量要求，采用控軋、控冷工藝保證強度要求，組織狀態(tài)以鐵素體+珠光體為主，大部分為鐵素體；由于珠光體是由鐵素體與滲碳體構成的，鐵素體為塑性相，滲碳體為脆性相，脆性相不易變形，因此珠光體量的多少及其形態(tài)是影響延伸率性能的主要因素。減少珠光體量可以有效地提高塑、韌性，同時又要滿足高強船板的強度要求；另外細化珠光體片層間距可以有效地使?jié)B碳體片變薄，使其易于變形，但同時會導致珠光體總量的增加(增加偽珠光體量)。晶粒尺寸越小，材料越容易變形，其延伸率指標也越高，但在考慮晶粒對延伸率影響的同時，晶粒的均勻性也要一并考慮。

1.3工藝對材料延伸率的影響

1)煉鋼工藝方面，主要考慮鋼水純凈度、鑄坯內(nèi)部質量、中心偏析的控制等因素對鋼板延伸性能的影響，原則上鋼水純凈度越高、內(nèi)部質量越好、中心偏析較輕均有利于延伸性能的提升。

2)軋鋼工藝方面，主要考慮加熱溫度、開軋溫度、終軋溫度和軋后冷卻速度等因素對鋼板延伸性能的影響，較低的加熱溫度、開軋溫度有利于獲得較細的原始奧氏體晶粒，為最終得到細小的鐵素體晶粒創(chuàng)造條件，有利于延伸率的提高；適當降低終軋溫度，軋制時晶粒變形帶增多，有利于后續(xù)鐵素體的形核并細化鐵素體晶粒，對塑性的提高有利；軋后鋼板冷卻均勻性和終冷溫度也會影響鋼板延伸性能。

2　高強船板延伸率不合格原因分析

2.1延伸率不合格統(tǒng)計

在高強船板生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了批量性延伸性能波動的情況，船級社規(guī)范要求高強船板A36延伸率≥21%，約有20%比例出現(xiàn)了不同程度的延伸率不合格。

表1　不同厚度船板的延伸率統(tǒng)計

軋制鋼板厚度規(guī)格為8～28 mm，對比不同厚度鋼板的合格率情況(如表1所示)，不合格試樣主要集中在28 mm厚度，合格率僅為51.72%，小于28 mm厚度鋼板延伸合格率較高，數(shù)據(jù)分析表明，高強船板延伸率不合格與軋制鋼板厚度有相關性。

2.2拉伸斷口宏觀形貌

對不合格試樣的拉伸斷口進行觀察，如圖1所示，斷口處無明顯頸縮，均為脆性斷口，表明鋼板塑性變形能力較差。在拉伸試樣斷口處，出現(xiàn)了不同程度的臺階狀形貌，表明鋼板厚度方向材料塑性變形的連續(xù)性出現(xiàn)問題。

圖1　不合格試樣斷口形貌

2.3拉伸斷口掃描電鏡觀察

圖2　合格和不合格試樣的掃描電鏡觀察

對比合格和不合格試樣斷口形貌(如圖2所示)，不合格試樣有較多條帶狀形貌，合格試樣也有條帶狀形貌，但是數(shù)量比前者少；對斷口局部放大觀察，條帶狀部位內(nèi)有大量硫化錳夾雜(如圖3所示)。MnS的大量存在會導致鋼板塑性變形變差，直接影響鋼板延伸率。

Spectrumw(S)/%w(Mn)/%w(Fe)/%TotalSpectrum125.0540.5134.45100.00Spectrum232.3856.3411.27100.00Spectrum327.4552.0120.53100.00

圖3試樣夾雜物分析結果

將試樣側面磨拋腐蝕、觀察，試樣組織均為鐵素體+珠光體，試樣心部均有輕微偏析，如圖4所示。不合格試樣側面有拉伸孔洞，孔洞附近組織為鐵素體+珠光體，有少量硬相馬氏體組織，如圖5所示。

圖4　心部組織對比

圖5　不合格試樣組織觀察

2.4氧氮、夾雜分析

對延伸合格和不合格試樣進行氧氮、夾雜和晶粒度分析。氧氮分析結果表明，兩種試樣的氧含量均為(11～13)×10-6，不合格試樣氮成分為54×10-6，而合格試樣為35×10-6。夾雜分析結果如表2所示，不合格試樣存在大顆粒夾雜。兩種試樣的晶粒度和帶狀組織水平相當，晶粒度為8.5級，帶狀組織為1.5級。

表2　不同試樣的夾雜分析結果

2.5鑄坯、鋼板低倍和Z向分析

對高強船板鑄坯和鋼板的低倍照片進行分析發(fā)現(xiàn)：鑄坯存在中間裂紋，位于厚度方向上1/2與1/4之間，裂紋評級為中心裂紋1.0，如圖6所示；延伸不合格鋼板的板厚中心存在明顯偏析，在鋼板厚度1/2與1/4之間出現(xiàn)明顯開裂，與鑄坯質量存在相關性，可能與鋼板延伸有關。

圖6　延伸不合格鑄坯和鋼板低倍照片

圖7　延伸不合格試樣Z向拉伸斷口

通過船板內(nèi)部質量剖析，對延伸不合格試樣進行Z向拉伸(如圖7所示)可見，拉伸斷口存在明顯臺階狀脆性斷裂區(qū)，可能與坯料的中間裂紋有關，斷口未發(fā)現(xiàn)白點。

2.6分析與探討

上述分析結果表明，船板延伸率出現(xiàn)波動可能與坯料內(nèi)部質量有關。由于坯料內(nèi)部存在中間裂紋，經(jīng)過軋制變形后，當軋制壓縮比較大時，部分中間裂紋在高溫加熱、壓縮變形后消除或減弱，未對性能造成明顯影響；而軋制壓縮比較小時，裂紋在后續(xù)軋制過程中無法消除，在力學拉伸過程中由于裂紋兩側材料的均勻性差，對塑性變形產(chǎn)生較大影響，造成延伸率變差。這一規(guī)律與延伸不合格鋼板的厚度存在對應關系，延伸不合格的鋼板均為28 mm厚，小于25 mm厚的鋼板受到影響相對較小。

3　優(yōu)化措施

為了改善高強船板的延伸性能，主要考慮采取如下優(yōu)化措施：

1)對連鑄機進行檢修，提高輥縫對弧精度，改善鑄坯內(nèi)部質量；

2) 提高鋼水純凈度，控制w(Mn)/w(S)，改善坯料的中心偏析和夾雜物，提高鋼板厚度方向的均勻性。

采取優(yōu)化措施后，延伸率平均指標為24%～27%，延伸性能合格率為100%，高強船板延伸率得到大幅度提升。

4　結　論

(1)低倍分析和Z向拉伸結果表明，鑄坯和鋼板的低倍檢驗均發(fā)現(xiàn)中間裂紋，這與鋼板延伸率性能波動存在對應關系，是影響高強船板延伸率出現(xiàn)波動的主要原因。

(2)掃描電鏡分析結果表明，鋼板中心偏析和MnS夾雜有待于進一步提高，這不是導致鋼板延伸率波動的主要原因。

(3)通過優(yōu)化工藝，提高輥縫對弧精度，改善鑄坯低倍質量；提高鋼水純凈度，改善中心偏析和夾雜物，提高鋼板厚度方向的均勻性，高強船板延伸性能得到了明顯的改善。

[1]劉曉美，陳曄. Q235B鋼板延伸率不合格的原因分析[J]. 山東冶金，2003, 25(2)：45—46.

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[4]羅淼，張鳳武，劉陳新. Q345R容器板延伸率不合的影響因素分析[J]. 寬厚板，2010, 16(5) :11—13.

[5]劉洪芝，馬為華，范娟，等.船板鋼延伸率影響因素分析[J]. 現(xiàn)代冶金，2012, 40(6) :12—14.

[6]王艷莉，何明艷. 低合金中厚板延伸率不合的原因分析[J]. 河南冶金，2009, 17(6) :13—14.

[7]蘇春昌，田慶榮，王雅英. 熱軋中厚板延伸率不合格原因分析[J]. 天津冶金，2009, (4): 26—28.

[8]孫齊松，王新華，王國連. 中厚板延伸率不合格試樣斷裂機理研究[J]. 物理測試，2007, 25(1): 5—9.

[9]任學沖, 王國珍, 王玉良. 鐵素體—珠光體組織中解理微裂紋形成的細觀力學分析[J]. 蘭州理工大學學報, 2004, 30 (5) :1—4.

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2016-04-08

王攀峰(1981—)，男，工程師。E-mail：wangpanfeng@njsteel.com.cn

TG142.1