Q460C鋼板拉伸試樣斷口分層原因分析

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(1.鞍鋼股份有限公司 技術(shù)中心，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧鞍山 114001)

0 引言

Q460C作為常用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，與普通的結(jié)構(gòu)鋼相比，既能夠減少空間的浪費(fèi)，又能夠降低能源消耗。Q460C高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板在普通結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，具有更嚴(yán)格的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求，在工作溫度下要求有良好的組織穩(wěn)定性、可焊性、冷加工性和抗疲勞強(qiáng)度。近階段，某廠生產(chǎn)的一批Q460C鋼板在常溫力學(xué)性能檢驗(yàn)中，出現(xiàn)拉伸試樣斷口分層的現(xiàn)象[1-3]，因此，本文通過對(duì)出現(xiàn)斷口分層試樣的分析和研究，解決斷口出現(xiàn)分層的問題。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼板為厚度50 mm的Q460C鋼板，鋼板軋制熱處理工藝采用控軋控冷(TMCP)+回火處理，再空冷至室溫。該鋼板主要的化學(xué)成分、室溫常規(guī)力學(xué)性能要求及實(shí)測值分別如表1，2所示。進(jìn)行室溫拉伸、沖擊試驗(yàn)的試樣，取樣均在板厚的1/4處，且試樣的軸線垂直于軋制方向。室溫拉伸采用Zwick-600電子拉伸材料試驗(yàn)機(jī)，沖擊試驗(yàn)采用CBZ-2602微機(jī)控制全自動(dòng)金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 %

表2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2 宏觀分析

2.1 低倍分析

宏觀低倍分析試樣取自Q460C連鑄板坯。通過熱酸蝕低倍檢驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，使用1∶ 1工業(yè)鹽酸水溶液，加熱至80 ℃，浸泡試樣30 min。經(jīng)過酸洗后發(fā)現(xiàn)，連鑄板坯中心偏析為B1.5級(jí)，如圖1所示。

圖1 連鑄板坯低倍照片

2.2 斷口分析

宏觀斷口分析試樣來源于Q460C鋼板拉伸試驗(yàn)后的試樣，斷口呈現(xiàn)不同形貌。通過觀察拉伸試樣的斷口，發(fā)現(xiàn)1#拉伸試樣斷口呈平齊狀(見圖2(a))，2#拉伸試樣心部位置可見層狀斷裂特征的缺陷(見圖2(b))，3#拉伸試樣的側(cè)面出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展(見圖2(c))。

(a)1#拉伸試樣

(b)2#拉伸試樣

(c)3#拉伸試樣

3 微觀分析

在拉伸試樣斷口位置和靠近斷口處截取金相試樣，斷口試樣用于SUPRA 55型場發(fā)射掃描電鏡斷口分析；靠近斷口處金相試樣經(jīng)磨制、拋光后置于ZEISS Aviovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察分析。

3.1 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行檢驗(yàn)，通過圖3可看出，在1#試樣厚度心部位置觀察到較多的硫化物、塊狀的氮化鈦夾雜物，同時(shí)可見一些微裂紋；在2#，3#試樣裂紋缺陷位置觀察到大量的硫化物夾雜，且存在裂紋沿著夾雜物擴(kuò)展。

(a)1#拉伸試樣 (b)2#拉伸試樣 (c)3#拉伸試樣

圖3 拉伸試樣斷口厚度心部位置夾雜物形貌 100×

3.2 顯微組織

將金相試樣用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，進(jìn)一步觀察顯微組織，結(jié)果顯示1#～3#拉伸試樣厚度心部處存在組織偏析，偏析位置金相組織為馬氏體+貝氏體+鐵素體。1#拉伸試樣的偏析位置可見微裂紋(見圖4)，2#，3#拉伸試樣的裂紋缺陷位于組織偏析區(qū)(見圖5，6)，1#～3#拉伸試樣的基體組織均為鐵素體+珠光體。

(a)基體組織形貌

(b)缺陷位置腐蝕態(tài)形貌

圖4 1#拉伸試樣顯微組織 500×

(a)基體組織形貌

(a)基體組織形貌

3.3 能譜分析

利用場發(fā)射掃描電鏡對(duì)1#～3#拉伸試樣斷口中的非金屬夾雜物進(jìn)行分析，圖7中檢驗(yàn)結(jié)果表明，夾雜物以硫化錳為主，此外還分布有金屬鈦。

(a)1#拉伸試樣 (b)2#拉伸試樣 (c)3#拉伸試樣

圖7 1#～3#拉伸試樣夾雜物能譜分析

4 分析與討論

以上檢測結(jié)果表明，Q460C拉伸試樣斷口出現(xiàn)分層的主要原因是存在較多的硫化物及塊狀的氮化鈦夾雜，同時(shí)存在馬氏體+貝氏體+鐵素體組織偏析。

從非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼中存在的夾雜物以沿軋向分布的細(xì)條狀硫化錳夾雜為主；其次是塊狀的氮化鈦夾雜。細(xì)條狀硫化錳夾雜物對(duì)鋼的性能危害極大，在鋼板軋制過程中，鋼中的硫化物夾雜發(fā)生變形并沿軋制方向延伸形成條帶狀。由于夾雜物與基體的結(jié)構(gòu)不同，破壞了基體的連續(xù)性，導(dǎo)致它們之間的應(yīng)力傳遞方式的不同[4]，在夾雜物與基體交界處就相當(dāng)于強(qiáng)度最弱區(qū)，為裂紋的萌生提供了基礎(chǔ)條件。在軋后冷卻和矯直的過程中，由于硫化錳的收縮系數(shù)比基體大，所以在冷卻速度較快或者冷卻不均勻時(shí)，硫化錳夾雜物收縮量比基體的大，使得夾雜物和基體間在張應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著硫化錳夾雜的邊緣擴(kuò)展，便導(dǎo)致鋼板拉伸試樣斷口出現(xiàn)分層[5-7]。氮化鈦夾雜物通常是長方形或者多邊形，由于其本身尖利的棱角和不變形性，易在其周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得氮化鈦成為鋼的內(nèi)部裂紋萌生和擴(kuò)展的薄弱點(diǎn)。因此，鋼板拉伸試樣斷口出現(xiàn)分層現(xiàn)象與鋼中夾雜物形態(tài)和含量有著密切的關(guān)系。

從鋼的顯微組織可以看出，在板厚中心區(qū)域存在著很嚴(yán)重的馬氏體+貝氏體+鐵素體組織偏析現(xiàn)象，主要是由于鋼板成分偏析造成的。在軋后較快的冷卻過程中，鋼板表層和中心區(qū)域由于冷卻速度的不同，在其內(nèi)部容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。在組織應(yīng)力、熱應(yīng)力以及非金屬夾雜物共同作用下，導(dǎo)致鋼板內(nèi)部裂紋形成，并與軋制方向平行。

由以上結(jié)果可以看出，斷口的分層現(xiàn)象與連鑄坯的中心偏析有著十分密切的關(guān)系。在連鑄過程中，連鑄坯的柱狀晶均勻向中心發(fā)展，使得連鑄坯中心最后凝固的鋼水富含溶質(zhì)元素C,Mn,P,S等，這不僅易造成硫化物非金屬夾雜，還為心部出現(xiàn)帶狀組織創(chuàng)造了條件。帶狀組織的條帶分布具有取向性，當(dāng)鋼材受應(yīng)力作用時(shí)，帶狀組織間受晶界阻礙的可能性顯著降低，同時(shí)，由于塑性硫化錳夾雜物、氮化鈦夾雜物的存在，在軋制過程中容易形成微裂紋，使得板厚度中心位置成為鋼板性能最薄弱的地方，在試樣拉伸檢驗(yàn)的過程中，微裂紋在帶狀組織間會(huì)迅速擴(kuò)展，從而形成斷口分層[8]。

5 改進(jìn)措施

改進(jìn)措施主要體現(xiàn)在冶煉方面。首先，進(jìn)一步降低鋼中有害元素S，將S元素從0.008%降低至0.003%以下；其次，適當(dāng)降低鋼水的過熱度，通過精煉對(duì)鋼水溫度的準(zhǔn)確控制，使鋼水澆注的過熱度從25～35 ℃降低至15 ℃以下；同時(shí)，改善電磁攪拌參數(shù)，從800 A，4 Hz調(diào)整至1 000 A,3.5 Hz來進(jìn)一步減少成分偏析帶來的最終組織偏析。調(diào)整后對(duì)連鑄坯和鋼板進(jìn)行相應(yīng)的枝晶檢驗(yàn)和非金屬夾雜物檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖8,9所示。通過以上改進(jìn)，連鑄板坯中心偏析從改進(jìn)前的B1.5級(jí)降至B0.5級(jí)，硫化錳及氮化鈦夾雜物也得到了有效控制。

圖8 改進(jìn)措施后連鑄板坯低倍照片

圖9 改進(jìn)措施后鋼板夾雜物 100×

6 結(jié)論

(1)造成鋼板在拉伸試驗(yàn)中出現(xiàn)層狀斷口的主要原因是鋼板中心區(qū)域存在大量硫化錳、氮化鈦夾雜物和馬氏體+貝氏體+鐵素體組織偏析。它與連鑄坯的中心偏析有著很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)通過降低鋼水過熱度、降低S含量以及調(diào)整電磁攪拌參數(shù)來改善鑄坯的偏析，使鑄坯的偏析水平從改進(jìn)前的B1.5級(jí)降至B0.5級(jí)后，拉伸試樣層狀斷口消失。