影響高層建筑用鋼板抗層狀撕裂性能的因素及控制工藝研究

馬長文 黃樂慶 狄國標(biāo) 王根磯 王彥鋒 韓承良

(1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043； 2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 曹妃甸 063200)

隨著鋼結(jié)構(gòu)的大型化，構(gòu)件承受的載荷及力的傳遞也更加復(fù)雜。為了保證大型鋼結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)部門嚴(yán)格要求對鋼板進(jìn)行超聲波探傷并滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。此外，焊接是大型鋼結(jié)構(gòu)之間最主要的連接方式，有大量的T形、十字形接頭，焊接應(yīng)力作用在鋼板厚度方向時(shí)，將以鋼中非金屬夾雜物為起點(diǎn)產(chǎn)生基本與鋼板軋制表面平行的裂紋[2- 3]。對于高層建筑、海上石油平臺、公鐵兩用大橋等大型鋼結(jié)構(gòu)，技術(shù)條件要求鋼板探傷合格并具有良好的抗層狀撕裂性能[4]，因此需研究影響中厚板探傷及抗層狀撕裂性能的因素，并制定穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為屈服強(qiáng)度345 MPa級鋼板，化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated steel plate (mass fraction) %

1.2 試驗(yàn)方案

探究影響鋼板探傷結(jié)果和抗層狀撕裂性能的因素，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為：(1)制備5種成分的鋼板；(2)采用真空處理和未經(jīng)真空處理的鋼板進(jìn)行試驗(yàn)；(3)采用300和250 mm厚的連鑄坯進(jìn)行試驗(yàn)；(4)設(shè)定的鋼板壓下工藝如圖1所示。

圖1 不同待溫厚度鋼板的壓下工藝Fig.1 Reduction process of the steel plates with different holding thickness

鋼板的軋制工藝：加熱溫度1 220 ℃；為促進(jìn)板坯心部變形，粗軋最大道次壓下量為38 mm；精軋始軋溫度790 ℃，終軋溫度780 ℃；目標(biāo)厚度80 mm，軋后空冷，500 ℃以上緩冷坑堆冷；邊部碼齊，上下增加墊板及蓋板，堆冷48 h以上。

對上述成分、冶煉及軋制工藝不同的鋼板進(jìn)行超聲波探傷，同時(shí)進(jìn)行厚度方向的拉伸試驗(yàn)，并對試樣斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分對鋼板抗層狀撕裂性能的影響

對5種不同成分的鋼板進(jìn)行抗層狀撕裂性能檢測，結(jié)果如圖2所示?？梢娏虻馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.002 8%的鋼板的Z向斷面收縮率均≤25%，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.002 0%的鋼板的Z向斷面收縮率均≥35%；但硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 9%未經(jīng)真空處理的鋼板的Z向斷面收縮率較低，說明隨著硫含量的降低，鋼板的抗層狀撕裂性能提高。

圖2 硫含量對鋼板抗層狀撕裂性能的影響Fig.2 Influence of sulphur content on lamellar tearing resistance of the steel plate

對硫含量不同的鋼板Z向拉伸試樣的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖3所示。硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.010 3%和0.009 7%的試樣斷口有分布密集的MnS，最大尺寸分別為4.5 μm×132.0 μm和6.5 μm×61.2 μm；硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002 8%的試樣斷口有一定量的MnS，最大尺寸為10.6 μm×45.9 μm；硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 9%的試樣斷口有少量MnS，最大尺寸為5.0 μm×30.0 μm。說明隨著硫含量的降低，Z向拉伸試樣的斷口MnS數(shù)量減少，尺寸減小。

圖3 硫含量不同的Z向拉伸試樣斷口的微觀形貌Fig.3 Micrographs of fracture of Z- direction tensile specimens with different sulphur contents

2.2 真空處理對鋼板探傷及抗層狀撕裂性能的影響

對經(jīng)真空處理的鋼板進(jìn)行超聲波探傷，結(jié)果均符合GB/T 2970—2016《厚鋼板超聲檢測方法》中II級要求；而未經(jīng)真空處理的鋼板，鋼板中部探傷結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但頭部和尾部出現(xiàn)了超過標(biāo)準(zhǔn)要求的大尺寸缺陷。其原因?yàn)椋轰摪孱^、尾處堆冷效果較差，[H]難以擴(kuò)散，從而產(chǎn)生氫致裂紋，導(dǎo)致鋼板探傷不合格。真空處理可有效提高鋼板探傷的合格率，而未經(jīng)真空處理的鋼板則可通過嚴(yán)格控制緩冷工藝使鋼板達(dá)到探傷要求。

對同一塊鋼板探傷不合格和合格的部位進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖4(a)所示。進(jìn)一步對探傷不合格試樣進(jìn)行超聲波探傷,確定其缺陷波高后，對該部位進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖4(b)所示。結(jié)果表明：探傷合格試樣的Z向斷面收縮率僅1組數(shù)值有波動，其余均在65%以上；而探傷不合格試樣的Z向斷面收縮率≤15%。隨著探傷缺陷波高的增加，Z向斷面收縮率降低。因此鋼板探傷合格是確保其具有較好的抗層狀撕裂性能的前提。

圖4 鋼板探傷結(jié)果(a)和缺陷波高(b)與其抗層狀撕裂性能的關(guān)系Fig.4 Relation of flaw detection results (a) and wave height of defect(b) to lamellar tearing resistance for the steel plates

2.3 壓下工藝對鋼板抗層狀撕裂性能的影響

未再結(jié)晶區(qū)始軋厚度即待溫厚度對鋼板抗層狀撕裂性能的影響如圖5所示。鋼板待溫厚度為160 mm時(shí)，其Z向斷面收縮率≤30%；鋼板待溫厚度為130 mm時(shí)，其Z向斷面收縮率≥40%，也即隨著待溫厚度的減小，鋼板Z向性能有一定程度的改善。這是由于隨著待溫厚度的減小，粗軋大壓下道次的增加及粗軋末道次壓下率的提高，促進(jìn)了鋼板心部的變形，有利于連鑄缺陷的軋合，從而提高了鋼板的抗層狀撕裂性能。

圖5 鋼板抗層狀撕裂性能與待溫厚度的關(guān)系Fig.5 Relation of holding thickness of the steel plate to its lamellar tearing resistance

2.4 壓縮比對鋼板抗層狀撕裂性能的影響

對采用厚度為300 和250 mm連鑄坯生產(chǎn)的80 mm厚鋼板的抗層狀撕裂性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，以研究壓縮比對鋼板抗層狀撕裂性能的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，采用壓縮比為3.7的300 mm連鑄坯生產(chǎn)的鋼板，其Z向斷面收縮率平均為66.5%，用壓縮比為3.1的250 mm連鑄坯生產(chǎn)的鋼板，其Z向斷面收縮率平均為47.3%，即隨著壓縮比的增大，鋼板的抗層狀撕裂性能改善。

圖6 壓縮比與鋼板抗層狀撕裂性能之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between compression ratio and lamellar tearing resistance for the steel plate

3 討論及分析

相關(guān)研究表明：鋼板的探傷缺陷多出現(xiàn)在鋼板1/2厚度處[5]，鋼板中的夾雜物通常為硫化錳[6]。其原因是鋼板在連鑄過程中會產(chǎn)生中心偏析、中間裂紋、夾雜物等缺陷[7]，同時(shí)鋼中的氫致裂紋是引起鋼板探傷不合格的主要原因[8]。

3.1 裂紋形成機(jī)制及預(yù)防措施

超聲波探傷表明缺陷位于鋼板的心部。對缺陷所在部位進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示?？梢婁摪逍牟苛鸭y處有一定量的貝氏體，且裂紋沿貝氏和珠光體擴(kuò)展。

圖7 鋼板中裂紋(a)和裂紋附近的顯微組織(b)Fig.7 Cracks(a) and microstructure near them(b) in the steel plate

在鑄坯凝固過程中，C、Mn、S元素將產(chǎn)生中心偏析；軋后鋼板冷卻過程中，由于中心偏析元素C、Mn的富集導(dǎo)致其淬透性提高，鋼板心部發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，貝氏體是非平衡態(tài)組織，轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生了較大的組織應(yīng)力；鋼板心部變形不充分，可能存在少量未軋合的縮松及縮孔等缺陷，且MnS等夾雜物在心部富集，作為氫陷阱降低了氫原子的擴(kuò)散系數(shù)，阻礙了氫原子的傳輸[9]。隨著溫度的降低，氫在鋼中的溶解度降低并向外擴(kuò)散。但溫度低于200 ℃時(shí)，氫原子難以有效擴(kuò)散，在氫陷阱處結(jié)合形成氫分子，體積迅速擴(kuò)大，使微孔隙中產(chǎn)生巨大內(nèi)應(yīng)力，外加貝氏體轉(zhuǎn)變的組織應(yīng)力，導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生裂紋。隨后裂紋沿阻力較小的貝氏體及珠光體擴(kuò)展，最終使鋼板的探傷結(jié)果不符合要求。

為了提高鋼板的探傷合格率，采取工藝措施為：進(jìn)行真空處理以降低鋼坯中的氫含量，同時(shí)采用鋼坯圍擋緩冷及軋后入緩冷坑緩冷的工藝，促使鋼中氫逸出；促進(jìn)鋼中疏松縮孔等缺陷的軋合以減少氫陷阱的數(shù)量；通過提高壓縮比、粗軋大壓下道次及壓下率，以軋合鑄件心部缺陷。

3.2 層狀撕裂形成機(jī)制及控制工藝

Z向拉伸試樣的斷口分析表明，MnS的數(shù)量及尺寸對鋼板的抗層狀撕裂性能有重要影響。隨著硫含量的提高，鋼板MnS夾雜物的數(shù)量及尺寸增加，而且MnS為塑性夾雜物，在軋制過程中沿軋制方向被拉長，因此斷口的MnS為紡錘形。當(dāng)鋼板受到厚度方向的拉力時(shí)，在MnS末端產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋沿MnS所在平面擴(kuò)展，并通過剪切壁與其他平面的裂紋連接，從而產(chǎn)生層狀撕裂[10]。因此，為使鋼板具有較好的抗層狀撕裂性能，需嚴(yán)格控制鋼板的硫含量；為確保其Z向斷面收縮率≥35%，鋼板中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.002%以下。

對于未經(jīng)真空處理的250 mm厚鋼坯，采用圍擋堆冷、優(yōu)化待溫厚度以及嚴(yán)格的緩冷工藝，成功生產(chǎn)了80 mm厚鋼板，其探傷結(jié)果符合GB/T 2970—2016中II級要求，抗層狀撕裂性能滿足Z35級別要求。

4 結(jié)論

(1)探傷缺陷位于鋼板心部，是連鑄未軋合缺陷、偏析、夾雜物及氫富集共同作用的結(jié)果，氫壓及組織應(yīng)力導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，并沿偏析產(chǎn)生的貝氏體擴(kuò)展。

(2)探傷合格是保證鋼板具有良好抗層狀撕裂性能的前提，成分設(shè)計(jì)、真空處理、壓縮比、壓下工藝及緩冷工藝均影響鋼板的質(zhì)量；降低硫含量可使MnS的數(shù)量減少和尺寸減小，采用真空處理及緩冷工藝可降低鋼板中氫含量，提高壓縮比及大壓下工藝能促進(jìn)連鑄缺陷的軋合，從而確保鋼板的抗層狀撕裂性能符合要求。

(3)未經(jīng)真空處理、壓縮比為3.1的鋼坯，采用堆冷、待溫厚度控制在130 mm及緩冷坑緩冷的工藝，可使80 mm厚鋼板達(dá)到國標(biāo)II級探傷及抗層狀撕裂性能Z35級別要求。