Q235B鋼中厚板斷后伸長率不合格原因

甘雯雯, 肖 娟, 趙賢平

(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心, 柳州 545002)

中厚鋼板被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁等行業(yè)。斷后伸長率是衡量鋼材力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。鑄坯中氫元素含量過高，中心珠光體比例高以及存在帶狀組織、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物等均會導(dǎo)致中厚板的斷后伸長率不合格，且試樣斷口出現(xiàn)層狀撕裂[1-5]。針對厚度為40 mm的Q235B鋼板斷后伸長率不合格的問題，筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法對不合格試樣進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對拉斷后斷后伸長率合格和不合格的試樣進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：不合格試樣的斷口上存在層片狀的分離面，該面距軋制面約15 mm，呈脆性斷裂，加工面上存在呈斷續(xù)狀線條分布的撕裂孔洞層，與層狀斷口的脆性區(qū)位置相對應(yīng)；合格試樣的斷口整體呈韌性斷裂，有明顯的頸縮，加工面上無撕裂孔洞層。

圖1 拉斷后斷后伸長率合格和不合格試樣的宏觀形貌

1.2 力學(xué)性能測試

厚度為40 mm的Q235B鋼板試樣的力學(xué)性能如表1所示，發(fā)現(xiàn)批次1092試樣的斷口伸長率不符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

表1 Q235B鋼板試樣的力學(xué)性能

1.3 化學(xué)成分分析

對斷后伸長率不合格試樣(批次1092)進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)斷后伸長率不合格試樣的化學(xué)成分符合GB/T 700—2006的要求(見表2)。

表2 斷后伸長率不合格試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.4 掃描電鏡及能譜分析

對斷后伸長率不合格試樣的斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)及能譜分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：不合格試樣的斷口為解理斷口，大部分呈層片狀，具有多個平面，層狀區(qū)附近存在撕裂棱和韌窩；在層狀區(qū)內(nèi)存在較多片狀或顆粒性夾雜物，其主要含有Fe，Mn，S，Si，O元素，表明其中多數(shù)為MnS夾雜物和非金屬氧化物。

圖2 斷后伸長率不合格試樣斷口的SEM形貌及能譜圖

1.5 金相檢驗(yàn)

分別在斷后伸長率合格和不合格試樣的斷口處取樣，用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液侵蝕，觀察試樣軋制方向的截面組織，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:合格和不合格試樣的顯微組織均為鐵素體+珠光體；在不合格試樣的夾雜物聚集處或支流匯集處有孔洞出現(xiàn)，在呈河流花樣分布的夾雜物處存在鐵素體帶，其距軋制表面約15 mm，與不合格試樣斷口宏觀形貌的層片狀位置相對應(yīng)。

圖3 斷后伸長率合格和不合格試樣斷口的顯微組織形貌

2 綜合分析

SEM分析結(jié)果顯示，不合格試樣中的MnS較多，說明鋼中Mn，S元素含量比及O元素的含量較高，使得FeS與FeO形成的共晶體熔點(diǎn)變低。Q235B鋼的液相線溫度理論值為1 518 ℃[6]，而該爐不合格試樣鋼板的中間包溫度為1 558 ℃，與理論值相比，該不合格試樣鋼板的過熱度較高，導(dǎo)致生產(chǎn)中鑄坯拉速降低，不利于合金元素的均勻分布。能譜分析結(jié)果顯示，分層斷口附近有S元素偏析，主要夾雜物為MnS，說明鋼水在結(jié)晶器凝固過程中，凝固速率慢，溶質(zhì)元素S發(fā)生了偏聚，溶質(zhì)原子在熔體中的擴(kuò)散速率小于晶體生長速率，使部分區(qū)域S元素含量偏高，形成了硫化物偏析。Mn元素與不均勻分布的S元素形成了MnS夾雜物，其在連鑄過程中上浮，最后凝固，造成局部區(qū)域MnS富集，割裂了基體的均勻連續(xù)性，增大了鋼的脆性，使鋼的塑性下降。MnS是塑性夾雜物，在后期軋制控冷過程中容易沿軋制方向變形成條狀或聚集性顆粒狀，以MnS夾雜物為形核點(diǎn)，會優(yōu)先形成鐵素體膜，并沿著顆粒狀硫化物分布，最終呈河流花樣狀，導(dǎo)致鋼板的橫向性能變差。宏觀觀察結(jié)果顯示，斷口為脆性斷裂，鋼板中的硫化物與基體是機(jī)械性結(jié)合，結(jié)合力較低[7]。當(dāng)橫向的拉伸試樣承受外界載荷時，拉應(yīng)力在某滑移平面開始產(chǎn)生位錯，硫化物與基體的交界處為強(qiáng)度最弱區(qū)域[8]，產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨后以非金屬夾雜物為起裂點(diǎn)產(chǎn)生孔洞，隨著拉應(yīng)力的增大，較軟的鐵素體偏析帶優(yōu)先變形并開裂，一些聚集性的顆粒狀硫化夾雜物使位錯排斥力下降，形成剪切面平臺，加快了裂紋的擴(kuò)展，造成試樣分層斷裂，最終導(dǎo)致拉伸試樣的斷后伸長率降低。

3 改進(jìn)措施

為減小MnS夾雜物帶來的影響，提高拉伸試樣的斷后伸長率，提出以下改進(jìn)措施：合理控制鋼包溫度，保持較高的出鋼碳含量，降低鋼的含氧量；選擇鋼包合適的吹氬流量和時間，保證鋼水的純凈，從減少一些有害元素的偏析，從而提高鋼材的力學(xué)性能；增強(qiáng)鋼包到中間包結(jié)晶器這一過程的保護(hù)澆注，做好保護(hù)渣吸附夾雜物的工作，加快鑄坯凝固速率。

綜合以上措施，優(yōu)化煉鋼過程，使中間包溫度控制在約1 530 ℃，減小鋼水的過熱度。工藝改進(jìn)前后Q235B鋼板的力學(xué)性能如表3所示，改進(jìn)前后分別選取30批試樣進(jìn)行測試，結(jié)果表明改進(jìn)后該Q235B鋼板斷后伸長率的合格率得到了提升。

表3 工藝改進(jìn)前后Q235B鋼板的力學(xué)性能

4 結(jié)論

Q235B鋼板斷后伸長率不合格的主要原因如下所述。

(1)MnS夾雜物的聚集造成了應(yīng)力集中，使鋼板分層斷裂。

(2)在連鑄坯結(jié)晶過程中，中間包溫度高，連鑄坯拉速降低，導(dǎo)致S元素形成偏聚。

(3)鋼板在冷卻軋制過程中以硫化物為形核點(diǎn)，形成了鐵素體偏析帶。