氫脆導(dǎo)致Q235B鋼板斷后伸長率不合格

王世茹, 陳以薈

(1.廣西盛隆冶金有限公司,廣西 防城港 538000)

Q235B作為普通材質(zhì)的碳素結(jié)構(gòu)鋼板,廣泛用于不需要進(jìn)行深沖加工的各類沖壓件和金屬制品,是運用于汽車、建筑、零件等制造領(lǐng)域必不可少的原料,同時也是國內(nèi)最常見的鋼材之一。Q235B作為各金屬制品的原材料,其鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量對下游各加工制造產(chǎn)品的質(zhì)量會造成直接影響,為此Q235B鋼板在國標(biāo)中有一定性能指標(biāo)要求,而斷后伸長率是衡量Q235B鋼材產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。為確保Q235B鋼材質(zhì)量,鋼廠要對影響鋼材斷后伸長率的各個因素做好嚴(yán)格把控,其中影響因素包括:連鑄鋼坯中存在的氫元素、顯微組織比例、帶狀組織級別、內(nèi)應(yīng)力以及非金屬夾雜物等。

某鋼廠在一段時間內(nèi),所生產(chǎn)的Q235B熱軋鋼板出現(xiàn)大批量斷后伸長率不合格現(xiàn)象,且該現(xiàn)象只存在厚度16 mm以上鋼板中。大批量的鋼板質(zhì)量異議給鋼廠帶來巨大經(jīng)濟損失,為查清斷后伸長率不合格原因,且防止類似情況的再發(fā)生,實驗室通過力學(xué)性能試驗、化學(xué)成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗等方法將斷后伸長率合格與不合格拉伸試樣進(jìn)行對比分析,針對斷裂機理進(jìn)一步探討,隨后提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 材料生產(chǎn)工藝及性能檢測

Q235B鋼板產(chǎn)品工藝路線:鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF精煉→板坯加熱→高壓水粗除鱗→粗軋→切頭、尾→高壓水精除鱗→精軋→控冷、層冷、卷曲→打包、噴印。

因一段時間內(nèi)鋼廠生產(chǎn)的Q235B熱軋鋼板突然出現(xiàn)批量性的斷后伸長率不合格現(xiàn)象,隨后取同批次的鋼板樣品,制取縱向軸線垂直于軋制方向的拉伸和冷彎試樣,并嚴(yán)格按照GB/T228.1-2021進(jìn)行拉伸試驗,同時取相鄰位置進(jìn)行彎曲試驗。為方便識別,將樣品進(jìn)行編號,編號依次為1#～3#,樣品力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表1。試驗后發(fā)現(xiàn),所抽取的樣品中抗拉強度、屈服強度以及冷彎都能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和內(nèi)控要求,但是除了3#試樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外,1#、2#試樣斷后伸長率都小于26%。

1.2 材料化學(xué)成分分析

使用直讀光譜儀分別對三個試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,試樣主要化學(xué)成分結(jié)果如表2所示。試驗結(jié)果表明,該批試樣的化學(xué)成分較為均勻,且均符合GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》及內(nèi)控要求,另外鋼水經(jīng)LF精煉處理及全程保護(hù)澆鑄,P、S含量控制得當(dāng),鋼水較為純凈。說明化學(xué)成分與斷后伸長率不合無直接關(guān)聯(lián)。

表2 化學(xué)成分 單位:%

1.3 拉伸斷口宏觀觀察

進(jìn)行拉伸試驗后,將斷后伸長率合格的1#、2#試樣和不合格的3#試樣進(jìn)行拉伸斷口宏觀對比觀察,拉伸斷口宏觀形貌見圖1。

(a)1#試樣斷口 (b)2#試樣斷口 (c)3#試樣斷口圖1 拉伸斷口宏觀形貌

1#、2#斷后伸長率不合格的斷口上呈現(xiàn)木紋狀,且厚度中心的纖維區(qū)上存在數(shù)條亮線,整個斷口上零散分布著較多白點,兩寬邊為剪切唇。

3#斷后伸長率合格的斷口上同樣呈現(xiàn)輕微木紋狀,試樣斷口除了分布少量因機械損傷形貌而出現(xiàn)的白色亮點外,無亮線和白點,兩寬邊為剪切唇。

三個拉伸試樣斷口均呈頸縮狀,說明試樣整體存在一定的塑性變形。

1.4 斷口微觀觀察

在三個試樣中抽取有代表性的1#試樣,對拉伸斷口進(jìn)行清洗后,置于蔡司ZEISS Sigma500場發(fā)射掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀形貌觀察:

1#試樣斷口的纖維區(qū)寬度約為7 mm,纖維區(qū)中存在較密集的拉長韌窩(對應(yīng)宏觀下白線位置),觀察形貌,拉長韌窩是由硫化物類夾雜變形所形成的[1],韌窩底部的夾雜部分脫落。為確認(rèn)拉長韌窩底部夾雜物成分,對殘留的夾雜物進(jìn)行能譜分析(圖4),能譜結(jié)果顯示夾雜物為MnS(圖5)。進(jìn)一步放大觀察,夾雜物與基體分離,而夾雜物周圍存在平坦區(qū),平坦區(qū)為帶波紋狀的準(zhǔn)解理脆性斷裂形貌,在平坦區(qū)以外的正常斷口為均勻的等軸韌窩(圖2、圖3)。此外纖維區(qū)與剪切區(qū)局部位置也分布著圓形和橢圓形的小準(zhǔn)解理區(qū)(對應(yīng)宏觀下白點位置),圓形和橢圓形的小準(zhǔn)解理區(qū)分別以點狀和條狀夾雜物為中心向外輻射。剪切唇主要為正常拋物線韌窩形貌。

圖2 纖維區(qū)形貌(SEM)

圖3 氫脆形貌(SEM)

圖4 MnS夾雜物形貌(SEM)

圖5 能譜圖片

圖6 100×厚度中心顯微組織形貌

圖7 500×厚度中心顯微組織形貌

從斷口形貌判斷,拉伸試樣斷口纖維區(qū)上的亮線及白點的斷裂模式應(yīng)為氫脆斷裂,該缺陷分布密集,且集中于試樣厚度中心,破壞了鋼的連續(xù)性。在冷軋過程中,氫在鋼中的溶解度很低,過剩的氫一部分會在晶界、夾雜物及顯微空隙處匯集,后形成高壓的氫分子。夾雜物處填充過滿的氫氣,過飽和的氫氣使越接近空隙的材料變得越脆。在氫壓力與金屬在拉伸變形過程的應(yīng)力相互疊加,夾雜物的位置成為了白點的裂紋源。在緩慢的拉伸過程中,由于聚集的氫內(nèi)壓,使裂紋由白點中心空洞向四周擴展,又由于拉伸試驗過程中受正應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋在垂直應(yīng)力方向,勻速向四周發(fā)生擴散,宏觀上形成形狀趨于圓形的白點。該斷口中氫主要匯集于硫化物處,硫化物呈條狀,氫以硫化物為中心,向外擴展成微觀下近似鴨嘴狀的橢圓形氫脆形貌。

1.5 金相檢測

1.5.1 顯微組織檢測

分別截取1#、2#、3#斷口縱截面,磨平拋光后用4%硝酸酒精腐蝕,在蔡司Axio Scope.A1金相顯微鏡下進(jìn)行觀察:3個試樣的顯微組織均為多邊形鐵素體與珠光體,其中為軟韌相的多邊形鐵素體在整個基體中占比較大,且試樣全厚度截面的組織較為均勻,顯微組織正常,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的帶狀組織。參照GB/T 6394—2017標(biāo)準(zhǔn),用比較法對各試樣的晶粒度進(jìn)行評級,3個試樣晶粒度均為10.5級。工業(yè)生產(chǎn)中,采用晶粒度等級來表示晶粒度大小,而9～12級為超細(xì)晶粒,晶粒越細(xì)小,金屬本身塑性韌性及強度性能會更好。

1.5.2 非金屬夾雜物檢測

在拉伸過程中,鋼中非金屬夾雜物破壞金屬的連續(xù)性對鋼材斷后伸長率有一定影響[2],截取3個試樣夾持端縱截面分別參照GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)對夾雜進(jìn)行評級,其夾雜物級見表3。

表3 夾雜物檢測結(jié)果

斷后伸長率合格與不合格樣品中均可見較多細(xì)系條狀硫化物類夾雜物集中分布于試樣厚度中心。在掃描電鏡中觀察到的MnS夾雜物與金相觀察到的條狀硫化物類夾雜物位置存在對應(yīng)關(guān)系。由于鋼廠生產(chǎn)Q235B鋼板時,冶煉過程中主要通過硅錳脫氧,鋼板中夾雜物主要以MnS為主。MnS夾雜具有一定塑性,在經(jīng)過軋制變形后變成一定延展性的長條狀物質(zhì),但由于不能隨著基體一起去延伸,變形的MnS夾雜與鋼的基體增加了界面,且由于二者的膨脹系數(shù)不一致,冷卻時收縮也不同,所以MnS夾雜與基體界面間會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,減弱兩者的結(jié)合力,所以只需要一些微小的應(yīng)變就能在界面間形成空洞,空洞間的橫向間距過于接近,當(dāng)超過極限應(yīng)變范圍時,空洞會有聚合的情況發(fā)生,引起塑性開裂[3]。另外,MnS夾雜與鋼基體由于膨脹系數(shù)不同而引起的間隙容易容納氫,為氫提供一定的儲存空間,增加基體氫致裂紋的敏感性。

2 分析與討論

由以上檢驗結(jié)果得出:

(1)Q235B鋼板斷后伸長率不合格與合格試樣的化學(xué)成分均符合GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》及產(chǎn)品內(nèi)控要求,說明化學(xué)成分與斷后伸長率不合無直接關(guān)聯(lián)。

(2)通過三個試樣斷口的對比分析:發(fā)現(xiàn)三個斷口的纖維區(qū)均以等軸韌窩形貌為主,說明基體仍處于塑性狀態(tài)。其中斷后不合格的1#、2#試樣斷口上存在多處氫脆形貌,其中氫主要匯集于呈條狀的硫化物處,氫以硫化物為中心,向外擴展成微觀下近似鴨嘴狀的橢圓形。氫脆缺陷分布密集,且集中于試樣厚度中心,破壞了鋼的連續(xù)性。通過拉伸試樣斷口的之間的比對,認(rèn)為鋼板中殘留的氫元素是材料斷后伸長率不合格的主要原因。

(3)通過對Q235B鋼板的金相分析,結(jié)果表明:三個試樣組織均為多邊形鐵素體與珠光體,晶粒度為10.5級,即顯微組織細(xì)而均勻,且軟韌相的鐵素體占基體大多數(shù),沒有發(fā)現(xiàn)明顯的帶狀組織,顯微組織未發(fā)現(xiàn)異常。在金相試樣中可見較多條狀A(yù)類細(xì)系夾雜分布于試樣厚度中心,由于應(yīng)力集中于夾雜物處形成,而斷裂往往是從夾雜物與基體界面處產(chǎn)生的顯微裂紋處開始,所以非金屬夾雜物的存在也會降低材料的塑性,降低斷后伸長率[4]。另外,MnS夾雜與鋼基體由于膨脹系數(shù)不同而引起的間隙為氫提供了一定的儲存空間,增加基體氫致裂紋的敏感性。

根據(jù)斷裂力學(xué)的觀點,高應(yīng)力裂紋尖端的表面對氫原子有較強的吸附作用。當(dāng)氫被吸附于裂紋尖端,會使金屬表面能(γ)下降,依據(jù)格里菲斯理論,金屬的斷裂強度與γ1/2成正比 ,當(dāng)裂紋尖端的表面能的降低,材料的斷裂強度也會隨之降低,從而引起材料脆化。氫的原子半徑很小,只有0.046 nm,且一般以原子的狀態(tài)存在,固溶于金屬間隙中,如金屬內(nèi)存在微裂紋、偏析、夾雜等缺陷,氫則會以分子狀態(tài)(H2)存在。即進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫,會造成金屬塑韌性的下降及金屬結(jié)構(gòu)的損傷。氫原子在一定的應(yīng)力作用下,會偏驟于材料內(nèi)部的位錯、晶界、空穴、氣孔、微裂紋等缺陷處,隨后氫原子相互結(jié)合成氫分子,體積發(fā)生膨脹。合成氫分子而發(fā)生的體積膨脹會對微孔內(nèi)造成很大壓力(可達(dá)9.81×105 MPa),當(dāng)氫產(chǎn)生的內(nèi)壓力與材料本身的內(nèi)應(yīng)力或外加應(yīng)力相互迭加,將使裂紋擴展,導(dǎo)致開裂。如果金屬內(nèi)所含的氫濃度過高,金屬會產(chǎn)生氫鼓泡或氫致裂紋,對金屬材料造成嚴(yán)重?fù)p傷。

為驗證該批鋼板斷后伸長率不合格是否由鋼板中氫元素而導(dǎo)致,隨后將該批Q235B鋼板進(jìn)行去氫處理。從已進(jìn)行去氫處理的Q235B鋼板中重新取樣,進(jìn)行同試驗條件的拉伸試驗。經(jīng)去氫處理后,拉伸試樣斷口上的氫脆形貌均已消失,且鋼板斷后伸長率不合格現(xiàn)象得以消除。

綜合上述,在該批Q235B鋼板中發(fā)生的氫脆現(xiàn)象屬于第二類可逆性氫脆。在因為鋼板中的氫含量極少,所以氫對材料的強度無明顯影響,而對材料的斷后伸長率影響較大。

3 結(jié)論與建議

該批次Q235B鋼板斷后伸長率不合格的主要原因是鋼板中存在殘留的氫元素,非金屬夾雜物也對鋼板的斷后伸長率產(chǎn)生一定的影響。鋼廠出現(xiàn)批量性Q235B斷后伸長率不合格現(xiàn)象的時間為梅雨季節(jié),在這個季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)陰雨天氣,降水量大,且連續(xù)性較強,環(huán)境濕度較高。為此鋼廠需要特別關(guān)注氫的來源,并對鋼板生產(chǎn)過程采取一系列的防范工作:

(1)確保廢鋼及各類用料的干燥,做好防潮措施,以防氫氣通過廢鋼表面的鐵銹(xFeO·Fe3O4·H2O)、增碳劑、脫氧劑、保溫劑、造渣劑[Ca(OH)2]等途徑進(jìn)入鋼水中。

(2)做好對連鑄機結(jié)晶器定期維護(hù)、檢修,防止連鑄機結(jié)晶器滲水以及大氣中的水分與鋼液或爐渣作用而進(jìn)入鋼中。

(3)加強對煉鋼過程的管控,控制MnS的形態(tài)及組成?？赏ㄟ^控制Ca/S(質(zhì)量比)來控制硫化物的形態(tài)及組成方式,建議通過鈣處理,讓Ca、S元素組成CaS,組成的 CaS將包裹在鈣鋁酸鹽的周圍,此類復(fù)合夾雜物硬度較高,熱加工不易變形,可消除MnS條帶狀分布對鋼橫向性能的不利影響。此外還需注意生產(chǎn)節(jié)奏,提高鋼液的純凈度。