重型H型鋼拉伸性能異常原因

王德寶, 徐 雁, 陸向東, 牟祖茂, 楊 崢, 浦 紅, 徐 輝

(1.馬鞍山鋼鐵股份公司 技術(shù)中心, 馬鞍山 243000；2.江蘇永鋼集團(tuán)有限公司, 張家港 215628)

近年來,大跨度橋梁、超高層建筑以及大型體育場(chǎng)館建設(shè)對(duì)大尺寸、厚翼緣和厚腹板的H型鋼的需求不斷增加。重型熱軋H型鋼的外形尺寸、翼緣和腹板厚度較大，具有較高的受力安全系數(shù)，是建設(shè)大跨度橋梁和高層建筑鋼結(jié)構(gòu)所需的理想材料，也是目前國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)的重點(diǎn)[1-3]。在部分重型H型鋼的力學(xué)性能試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)其縱向拉伸和Z向拉伸斷口出現(xiàn)大小不一的銀白色斑點(diǎn)，同時(shí)材料的塑性明顯降低。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，銀白色斑點(diǎn)的數(shù)量和尺寸對(duì)材料的塑性影響較大，銀白色斑點(diǎn)尺寸越大、數(shù)量越多，材料的塑性越低，而其對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度無明顯影響，說明銀白色斑點(diǎn)與材料的塑性存在直接關(guān)系。為查明造成此種影響的根本原因，筆者對(duì)存在銀白色斑點(diǎn)的重型H型鋼材料取樣并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)拉伸試樣進(jìn)行理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)試樣拉伸斷口(見圖1)進(jìn)行宏觀觀察，由圖1可知：縱向拉伸斷口較為平整，高低起伏不大，塑性變形不明顯，在斷口表面存在肉眼可見的魚眼狀銀白色斑點(diǎn)；Z向拉伸斷口高低起伏較為明顯，但是不存在剪切唇、放射區(qū)和纖維區(qū)，同樣在斷口面存在魚眼狀銀白色斑點(diǎn)。通過對(duì)試樣縱向拉伸斷口側(cè)面(見圖2)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)沿拉伸方向存在一系列微孔和裂紋，并有翹皮現(xiàn)象，這是由試樣中的氣孔鼓泡在拉伸過程中破裂造成的。

圖1 拉伸試樣斷口宏觀形貌

圖2 拉伸試樣斷口側(cè)面宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。采用定氫分析儀對(duì)試樣的氫含量進(jìn)行了測(cè)定，氫含量(氫元素的濃度)達(dá)到10 mg/kg。結(jié)合斷口宏觀形貌分析，可以初步判定斷口處的銀白色斑點(diǎn)屬于氫致白點(diǎn)[4-5]。

表1 試樣化學(xué)成分 %

1.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)試樣斷口附近進(jìn)行金相檢驗(yàn)和夾雜物分析，其顯微組織為鐵素體+珠光體，帶狀組織不明顯，晶粒度為7.5～8.0級(jí)，無其他異常組織(見圖3)。圖4為拉伸試樣側(cè)面孔洞周邊缺陷顯微組織形貌，可以看出孔洞周邊缺陷顯微組織為鐵素體+珠光體，有變形跡象，但與其他部位顯微組織相比并無異常，未發(fā)現(xiàn)明顯粗大夾雜物、組織偏析和其他異常組織。依據(jù)GB/T 10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，夾雜物級(jí)別較低，未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物的存在(見表2)[6]。

表2 試樣非金屬夾雜物級(jí)別 級(jí)

1.4 斷口微觀形貌分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)縱向和Z向拉伸斷口進(jìn)行顯微觀察，圖5,6分別為縱向拉伸和Z向拉伸斷口顯微組織形貌。兩種斷口在斷面上均存在大小不同的扁平特征區(qū)域，即為肉眼觀察的銀白色斑點(diǎn)，該區(qū)域與周邊存在明顯的分界，與基體斷裂區(qū)形成明顯的輪廓。在平坦區(qū)域內(nèi)部斷口形貌為舌狀花樣，局部存在發(fā)紋特征，具有明顯的脆性斷裂特征，該區(qū)域的斷裂形式以準(zhǔn)解理斷裂為主。拉伸試樣側(cè)面孔洞翹皮缺陷處形貌與拉伸斷口形貌類似，均為準(zhǔn)解理斷裂，本質(zhì)上是同一類型斷口(見圖7)。在整個(gè)斷口面上除銀白色斑點(diǎn)外，其他區(qū)域均存在斷裂韌窩，說明在斷口表面的銀白色斑點(diǎn)區(qū)域?yàn)榻饫頂嗔训拇嘈詳嗔眩渌麉^(qū)域仍然為以韌窩為主的韌性斷裂(見圖8)。將斷口銀白色斑點(diǎn)區(qū)域放大，可以觀察到在中心區(qū)域存在細(xì)小夾雜物，能譜分析結(jié)果表明，其主要成分為鈣的復(fù)合夾雜物(見圖9,10)。由斷口微觀形貌可知，拉伸過程中銀白色斑點(diǎn)區(qū)域由于基體脆化和第二相的作用而萌生裂紋，并發(fā)生擴(kuò)展直至斷裂，屬于氫致脆性斷裂[7-8]。

圖5 縱向拉伸斷口SEM形貌

圖6 Z向拉伸斷口SEM形貌

圖7 縱向拉伸試樣側(cè)面孔洞翹皮缺陷處SEM形貌

圖8 斷口韌窩SEM形貌

圖9 縱向拉伸斷口銀白色斑點(diǎn)區(qū)域能譜分析位置及能譜圖

圖10 Z向拉伸斷口銀白色斑點(diǎn)區(qū)域能譜分析位置及能譜圖

1.5 去氫退火試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試樣的氫脆行為，對(duì)同一批拉伸試樣進(jìn)行去氫退火處理，溫度為500 ℃，保溫時(shí)間為4 h，然后隨爐緩慢冷卻。經(jīng)定氫儀測(cè)定氫含量為4 mg/kg，較退火前氫含量(10 mg/kg)大幅度降低。

試樣去氫退火前后力學(xué)性能如表3所示，可見試樣經(jīng)過去氫退火后，其塑性明顯提高,但是強(qiáng)度提高較少。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，去氫退火后試樣強(qiáng)度和塑性的均勻性也明顯提高。經(jīng)去氫退火后試樣斷口形貌如圖11所示，此時(shí)斷口微觀表面已無銀白色斑點(diǎn)，全部為大小均勻分布的韌窩，表明試樣斷裂斷質(zhì)為韌性斷裂。

表3 試樣去氫退火前后力學(xué)性能

圖11 試樣去氫退火后斷口微觀形貌

2 綜合分析

重型H型鋼在冶煉、軋制過程中不可避免地會(huì)受到來自大氣中水蒸氣、礦石或合金中水分以及廢鋼中鐵銹的氫侵入[9]。氫在鋼中的破壞機(jī)理是：由于氫在液態(tài)鋼水中的溶解度遠(yuǎn)高于其在固態(tài)金屬中的溶解度，因此重型H型鋼在冶煉過程中，液態(tài)金屬中的氫在凝固時(shí)來不及逸出而殘留在金屬中，造成氫在材料中不斷擴(kuò)散并聚集，當(dāng)局部聚集達(dá)到一定含量時(shí)，會(huì)造成白點(diǎn)、氫鼓泡等現(xiàn)象。氫在鋼中局部聚集使材料脆化、承載能力下降以及塑性降低[10]。由于重型H型鋼翼緣和腹板厚度較大，分別為67.6，42 mm，因此氫更加不易擴(kuò)散和逸出，從而在心部聚集，更容易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。一般情況下氫聚集在材料缺陷比較嚴(yán)重的部位，如夾雜物、碳化物、微氣孔等處。在缺陷處，氫原子結(jié)合成氫分子，由此產(chǎn)生明顯的應(yīng)力，并形成氫氣泡[11]。在縱向和Z向拉伸過程中，這些缺陷位于重型H型鋼表面處，氫氣泡與基體變形不一致造成氣泡破裂，所以在拉伸試樣側(cè)面形成翹皮缺陷。

3 結(jié)論及建議

重型H型鋼拉伸斷口異常以及塑性降低的原因是材料氫含量過高，產(chǎn)生氫脆。氫脆現(xiàn)象可以通過去氫退火消除，屬于可逆性氫脆。

為避免此類問題發(fā)生，建議加強(qiáng)煉鋼原材料管理，避免因原材料受潮造成外來氫的侵入。在冶煉過程中，可以進(jìn)行真空循環(huán)脫氣爐處理，優(yōu)化真空工藝路線，使初始?xì)鋸匿撍幸莩觯越档弯撍械臍浜俊?/p>