Q235B厚板拉伸檢測(cè)不合格原因分析與改進(jìn)

廖衛(wèi)團(tuán)，彭海京

（寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司）

1 前言

Q235B是中厚板中的常用產(chǎn)品，拉伸檢測(cè)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率是重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。為滿足市場(chǎng)需要，自2016年韶鋼開(kāi)始將生產(chǎn)的45、50mm厚規(guī)格板全部改為提供性能交貨，即按GB/T700要求，提供拉伸、冷彎、沖擊試驗(yàn)性能。前期實(shí)際檢測(cè)冷彎、沖擊均符合要求，但厚規(guī)格板的拉伸檢測(cè)初檢合格率波動(dòng)大，有段時(shí)期嚴(yán)重偏低，最低只有68%。拉伸檢測(cè)不合格造成鋼板交貨不及時(shí)、鋼板在倉(cāng)庫(kù)壓堆等，復(fù)檢仍不合格則判為廢品，需要對(duì)訂單進(jìn)行補(bǔ)軋，嚴(yán)重影響生產(chǎn)計(jì)劃安排。

為此，對(duì)Q235B厚板拉伸檢測(cè)不合格的產(chǎn)品取樣從材料的組織、工藝幾個(gè)方面進(jìn)行分析，提出了針對(duì)性改進(jìn)措施，措施逐項(xiàng)實(shí)施固化后，厚規(guī)格板拉伸檢測(cè)初檢合格率提高至99.5%以上。

2 拉伸檢測(cè)不合格原因分析

2016年初期，厚板拉伸試驗(yàn)檢測(cè)初檢合格率嚴(yán)重偏低且波動(dòng)大，最低時(shí)段初檢合格率僅為68%，而有些時(shí)段初檢合格率可達(dá)99.2%。對(duì)初檢不合格試樣，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取雙倍樣進(jìn)行復(fù)檢，仍有約五分之一批次復(fù)檢拉伸檢測(cè)不合格。初檢和復(fù)檢拉伸不合格的試樣檢測(cè)結(jié)果主要表現(xiàn)為：拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)（屈服值高）、抗拉超上限、伸長(zhǎng)率偏低。

材料的性能是由其組織決定，影響組織的因素包括成分、生產(chǎn)工藝、試樣加工工藝，試樣檢測(cè)過(guò)程也會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。從這幾方面對(duì)Q235B厚板拉伸檢測(cè)不合格的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)分析，探究解決措施。

2.1 關(guān)于產(chǎn)品成分

中厚板作為一種熱軋產(chǎn)品，性能波動(dòng)往往與冶煉過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)成分波動(dòng)有關(guān)。因而對(duì)45mm、50mm規(guī)格Q235B的化學(xué)成分進(jìn)行分析。表1是2016年全部試樣的分析結(jié)果。

表1 試樣化學(xué)分析結(jié)果

從表1可看出，產(chǎn)品化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且波動(dòng)不大。因而認(rèn)為，初驗(yàn)不合格不是由冶煉成分的明顯波動(dòng)造成的。

2.2 組織分析試驗(yàn)結(jié)果

Q235B屬于C-Mn鋼，影響拉伸性能的最主要因素是整體組織形貌、鐵素體晶粒大小以及基體中第二相或夾雜物的種類。因而利用金相顯微鏡和掃描電鏡對(duì)性能出現(xiàn)波動(dòng)典型試樣和性能合格試樣進(jìn)行了組織形貌、鐵素體晶粒度級(jí)別及夾雜物的對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，性能不合格的試樣中，在鋼板上下表面存在不同厚度的貝氏體組織，而性能合格的試樣組織較為均勻，晶粒度評(píng)級(jí)也略有差別。而夾雜物水平和基體中第二相等結(jié)果，性能合格樣與不合格樣對(duì)比，大體相當(dāng)。如圖1、圖2所示。

圖1 存在貝氏體組織（鋼板下邊緣）×100

圖2 正常F+P組織×100

2.3 冷卻工藝參數(shù)對(duì)組織性能影響的分析結(jié)果

根據(jù)組織分析結(jié)果，拉伸不合格試樣上下表面存在不同厚度的貝氏體組織。對(duì)于Q235B這類典型的C、Mn鋼，多年來(lái)軋制生產(chǎn)中對(duì)變形制度、軋程溫度控制改動(dòng)不大。軋后冷卻裝置于2014年改造為超快冷方式，并將鋼板冷卻策略按超快冷需求進(jìn)行了修改，強(qiáng)調(diào)較低的返紅溫度，按670±30℃進(jìn)行控制。對(duì)于45mm、50mm這些較厚鋼板，為達(dá)到要求的返紅溫度，鋼板進(jìn)入冷卻區(qū)時(shí)的冷卻水量更大，鋼板上下表面急冷，從而在鋼板近表面出現(xiàn)貝氏體組織層，一般為數(shù)毫米厚度。

資料表明[3]，拉伸試樣的宏觀韌性斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成，斷口特征的三要素，見(jiàn)圖3。絕大部分拉伸檢測(cè)合格批次試樣的宏觀斷口符合韌性斷裂特征三要素，其微觀特征有典型的韌窩形狀。但拉伸檢測(cè)不合格批次試樣，宏觀斷口纖維區(qū)和剪切唇區(qū)不明顯，微觀特征為解理斷口，可判斷為晶間斷裂引起。根據(jù)甄納-斯特羅位錯(cuò)塞積理論，由于C、Mn鋼中不均勻的貝氏體存在，拉伸檢測(cè)過(guò)程在滑移面上的切應(yīng)力作用下，刃型位錯(cuò)互相靠近。當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，塞積頭處的位錯(cuò)互相擠緊聚合而成為一高為nb長(zhǎng)為r的楔形裂紋（或孔洞位錯(cuò)）。斯特羅（A.N.Stroh）指出，如果塞積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處的最大拉應(yīng)力能夠等于理論斷裂強(qiáng)度而形成裂紋。

圖3 拉伸試樣的宏觀韌性斷口示例

解理斷裂過(guò)程包括：通過(guò)塑性變形形成裂紋、裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長(zhǎng)大、以及越過(guò)晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展三個(gè)階段。

解理裂紋可以通過(guò)兩種基本方式擴(kuò)展導(dǎo)致宏觀脆性斷裂。第一種是解理方式，裂紋擴(kuò)展速度較快，如脆性材料在低溫下試驗(yàn)就是這種狀況。

第二種方式是在裂紋前沿先形成一些微裂紋或微孔，而后通過(guò)塑性撕裂方式互相聯(lián)結(jié)，開(kāi)始時(shí)裂紋擴(kuò)展速度比較緩慢，但到達(dá)臨界狀態(tài)時(shí)也迅速擴(kuò)展而產(chǎn)生脆性斷裂。

圖1可見(jiàn)，拉伸檢測(cè)不合格試樣的貝氏體組織分布不均勻，屬于過(guò)冷奧氏體在中溫相變的產(chǎn)物，為不典型上貝氏體，表現(xiàn)為脆性，硬度較高，拉伸斷口表現(xiàn)為典型的解理特征，解理過(guò)程符合第二種方式。這些解理特征是造成拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)（屈服值高）、抗拉超上限、伸長(zhǎng)率偏低的主要因素。

2.4 試樣加工工藝分析

厚規(guī)格試樣加工工藝執(zhí)行GB/T2975要求。韶鋼檢測(cè)中心擁有WE系列液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、WAW系列微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等多臺(tái)，其中有2臺(tái)最大拉伸試驗(yàn)力達(dá)2000kN，對(duì)于45mm、50mm的Q235B等鋼板，具備拉伸全厚度試樣的能力。2016年改為全部保性能交貨時(shí)，為了便于與船板等鋼種管理的需要，根據(jù)GB/T 228和GB/T 2975要求，采用φ10mm圓形試樣（圖4）。

加工圓形試樣的流程為：鋸切為約20×20mm的長(zhǎng)方條—車削為φ15mm圓棒—中部再車削為φ10mm的檢測(cè)試樣

圖4 φ10mm圓形試樣

該兩次車削過(guò)程，造成試樣需檢測(cè)部分存在較多的加工硬化，即存在殘余應(yīng)力。結(jié)果表明，這種加工硬化，對(duì)拉伸檢測(cè)同樣會(huì)帶來(lái)拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)（屈服值高）、抗拉超上限、伸長(zhǎng)率偏低的后果。因此認(rèn)為試樣加工工藝是影響因素之一。

2.5 試樣拉伸檢測(cè)過(guò)程分析

試樣在拉伸機(jī)的拉伸過(guò)程主要包括安裝試樣、進(jìn)行加載測(cè)出材料的屈服載荷、最大載荷等，其中加載過(guò)程是影響拉伸檢測(cè)結(jié)果的重要參數(shù)。提高加載速率如同降低溫度，使金屬材料脆性增大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。加載速率對(duì)鋼脆性的影響和鋼的強(qiáng)度水平有關(guān)，一般中、低強(qiáng)度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)加載速率比較敏感。韶鋼采用等速拉伸法，作業(yè)指導(dǎo)書(shū)有明確的規(guī)定，操作中執(zhí)行良好。因此認(rèn)為試樣拉伸檢測(cè)過(guò)程不是主要的影響因素。

3 改進(jìn)措施

通過(guò)分析，結(jié)合其他廠家經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了系列試驗(yàn)：最先考慮弱化冷卻、圓樣時(shí)效。弱化冷卻和圓樣時(shí)效是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，返紅溫度自原目標(biāo)670℃提升至720℃、再至780℃；圓樣自最初不時(shí)效，改為時(shí)效24h、再至48h。初驗(yàn)合格率逐步提高但只有約95%，并且圓樣時(shí)效過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致鋼板交貨不及時(shí)，不能滿足要求。

根據(jù)拉伸檢測(cè)裝備能力，將45mm、50mm規(guī)格試樣改為全厚度直條試樣，試樣加工流程對(duì)應(yīng)為：鋸切—銑平試樣兩個(gè)側(cè)面，這樣就消除了車削的加工硬化問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整，并形成了針對(duì)性的固化措施。

3.1 鋼板軋制工藝的固化

Q235B厚度規(guī)格40mm＜厚度≤50mm精軋開(kāi)軋溫度≤870℃，終軋溫度 810～840℃，返紅溫度＞780℃。強(qiáng)調(diào)較低的精軋開(kāi)軋溫度，有利于細(xì)化晶粒[2]。資料表明，在多晶體材料中，由于晶界兩邊晶粒取向不同，晶界成為原子排列紊亂的區(qū)域，當(dāng)塑性變形由一個(gè)晶粒橫過(guò)晶界進(jìn)入另一個(gè)晶粒時(shí)，由于晶界阻力大，穿過(guò)晶界困難。材料的晶粒愈細(xì)，則晶界面積就愈大，產(chǎn)生一定塑性變形所需要消耗的能量就更大，韌性更高。細(xì)化晶粒也有強(qiáng)化作用，所以，細(xì)化晶粒是使強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的有效手段。

3.2 鋼板冷卻工藝的固化

Q235B板冷卻模式采用間隔冷卻，根據(jù)水溫及氣溫情況，可以選擇冷卻區(qū)的后端1組到2組，減弱冷卻因素，從而提高厚度方向冷卻均勻性。

3.3 加工全厚度試樣進(jìn)行檢測(cè)

先實(shí)施40mm＜厚度≤45mm規(guī)格板，效果良好，全部試樣都沒(méi)出現(xiàn)拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)（屈服值高）現(xiàn)象，連續(xù)保持初檢性能合格率達(dá)100%。后推廣至≤50mm規(guī)格產(chǎn)品，也沒(méi)有出現(xiàn)拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)（屈服值高）現(xiàn)象，只是個(gè)別檢驗(yàn)批出現(xiàn)伸長(zhǎng)率低于下限需要復(fù)檢。

目前，Q235B厚度40mm～50mm鋼板初檢性能合格率已達(dá)到99.5%以上，組織觀察也未見(jiàn)貝氏體組織。有關(guān)措施已納入現(xiàn)行工藝卡。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）原規(guī)定返紅溫度670±30℃偏低，鋼板上下表面出現(xiàn)貝氏體層，拉伸斷口表現(xiàn)為典型的解理特征，是造成拉伸曲線無(wú)屈服平臺(tái)（屈服值高）、抗拉超上限、伸長(zhǎng)率偏低的主要因素。生產(chǎn)工藝改為弱冷即規(guī)定返紅溫度＞780℃后，再?zèng)]有出現(xiàn)貝氏體層。

（2）圓樣加工出現(xiàn)試樣表面硬化，改為全厚度試樣后，消除了加工硬化的影響。

（3）明確精軋開(kāi)軋溫度和終軋溫度控制要求，保證鋼材晶粒細(xì)化，進(jìn)一步提高了拉伸檢測(cè)合格率。