Q460C钢板拉伸试样断口分层原因分析

2019-04-08，，，，，

压力容器 2019年2期

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(1.鞍钢股份有限公司技术中心，辽宁鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司，辽宁鞍山 114001)

0 引言

Q460C作为常用的高强度结构钢，与普通的结构钢相比，既能够减少空间的浪费，又能够降低能源消耗。Q460C高强度结构钢板在普通结构钢的基础上，具有更严格的化学成分及力学性能要求，在工作温度下要求有良好的组织稳定性、可焊性、冷加工性和抗疲劳强度。近阶段，某厂生产的一批Q460C钢板在常温力学性能检验中，出现拉伸试样断口分层的现象[1-3]，因此，本文通过对出现断口分层试样的分析和研究，解决断口出现分层的问题。

1 试验材料

试验钢板为厚度50 mm的Q460C钢板，钢板轧制热处理工艺采用控轧控冷(TMCP)+回火处理，再空冷至室温。该钢板主要的化学成分、室温常规力学性能要求及实测值分别如表1，2所示。进行室温拉伸、冲击试验的试样，取样均在板厚的1/4处，且试样的轴线垂直于轧制方向。室温拉伸采用Zwick-600电子拉伸材料试验机，冲击试验采用CBZ-2602微机控制全自动金属摆锤冲击试验机。

表1 试验钢的化学成分 %

表2 试验钢的力学性能

2 宏观分析

2.1 低倍分析

宏观低倍分析试样取自Q460C连铸板坯。通过热酸蚀低倍检验方法进行试验，使用1∶ 1工业盐酸水溶液，加热至80 ℃，浸泡试样30 min。经过酸洗后发现，连铸板坯中心偏析为B1.5级，如图1所示。

图1 连铸板坯低倍照片

2.2 断口分析

宏观断口分析试样来源于Q460C钢板拉伸试验后的试样，断口呈现不同形貌。通过观察拉伸试样的断口，发现1#拉伸试样断口呈平齐状(见图2(a))，2#拉伸试样心部位置可见层状断裂特征的缺陷(见图2(b))，3#拉伸试样的侧面出现裂纹扩展(见图2(c))。

(a)1#拉伸试样

(b)2#拉伸试样

3 微观分析

在拉伸试样断口位置和靠近断口处截取金相试样，断口试样用于SUPRA 55型场发射扫描电镜断口分析；靠近断口处金相试样经磨制、抛光后置于ZEISS Aviovert 200 MAT光学显微镜下进行观察分析。

3.1 非金属夹杂物

非金属夹杂物按照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行检验，通过图3可看出，在1#试样厚度心部位置观察到较多的硫化物、块状的氮化钛夹杂物，同时可见一些微裂纹；在2#，3#试样裂纹缺陷位置观察到大量的硫化物夹杂，且存在裂纹沿着夹杂物扩展。

(a)1#拉伸试样 (b)2#拉伸试样 (c)3#拉伸试样

图3 拉伸试样断口厚度心部位置夹杂物形貌 100×

3.2 显微组织

将金相试样用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，进一步观察显微组织，结果显示1#～3#拉伸试样厚度心部处存在组织偏析，偏析位置金相组织为马氏体+贝氏体+铁素体。1#拉伸试样的偏析位置可见微裂纹(见图4)，2#，3#拉伸试样的裂纹缺陷位于组织偏析区(见图5，6)，1#～3#拉伸试样的基体组织均为铁素体+珠光体。

(a)基体组织形貌

(b)缺陷位置腐蚀态形貌

图4 1#拉伸试样显微组织 500×

(a)基体组织形貌

3.3 能谱分析

利用场发射扫描电镜对1#～3#拉伸试样断口中的非金属夹杂物进行分析，图7中检验结果表明，夹杂物以硫化锰为主，此外还分布有金属钛。

(a)1#拉伸试样 (b)2#拉伸试样 (c)3#拉伸试样

图7 1#～3#拉伸试样夹杂物能谱分析

4 分析与讨论

以上检测结果表明，Q460C拉伸试样断口出现分层的主要原因是存在较多的硫化物及块状的氮化钛夹杂，同时存在马氏体+贝氏体+铁素体组织偏析。

从非金属夹杂物检验结果可以看出，钢中存在的夹杂物以沿轧向分布的细条状硫化锰夹杂为主；其次是块状的氮化钛夹杂。细条状硫化锰夹杂物对钢的性能危害极大，在钢板轧制过程中，钢中的硫化物夹杂发生变形并沿轧制方向延伸形成条带状。由于夹杂物与基体的结构不同，破坏了基体的连续性，导致它们之间的应力传递方式的不同[4]，在夹杂物与基体交界处就相当于强度最弱区，为裂纹的萌生提供了基础条件。在轧后冷却和矫直的过程中，由于硫化锰的收缩系数比基体大，所以在冷却速度较快或者冷却不均匀时，硫化锰夹杂物收缩量比基体的大，使得夹杂物和基体间在张应力的作用下产生裂纹，裂纹沿着硫化锰夹杂的边缘扩展，便导致钢板拉伸试样断口出现分层[5-7]。氮化钛夹杂物通常是长方形或者多边形，由于其本身尖利的棱角和不变形性，易在其周围出现应力集中，使得氮化钛成为钢的内部裂纹萌生和扩展的薄弱点。因此，钢板拉伸试样断口出现分层现象与钢中夹杂物形态和含量有着密切的关系。

从钢的显微组织可以看出，在板厚中心区域存在着很严重的马氏体+贝氏体+铁素体组织偏析现象，主要是由于钢板成分偏析造成的。在轧后较快的冷却过程中，钢板表层和中心区域由于冷却速度的不同，在其内部容易产生热应力。在组织应力、热应力以及非金属夹杂物共同作用下，导致钢板内部裂纹形成，并与轧制方向平行。

由以上结果可以看出，断口的分层现象与连铸坯的中心偏析有着十分密切的关系。在连铸过程中，连铸坯的柱状晶均匀向中心发展，使得连铸坯中心最后凝固的钢水富含溶质元素C,Mn,P,S等，这不仅易造成硫化物非金属夹杂，还为心部出现带状组织创造了条件。带状组织的条带分布具有取向性，当钢材受应力作用时，带状组织间受晶界阻碍的可能性显著降低，同时，由于塑性硫化锰夹杂物、氮化钛夹杂物的存在，在轧制过程中容易形成微裂纹，使得板厚度中心位置成为钢板性能最薄弱的地方，在试样拉伸检验的过程中，微裂纹在带状组织间会迅速扩展，从而形成断口分层[8]。

5 改进措施

改进措施主要体现在冶炼方面。首先，进一步降低钢中有害元素S，将S元素从0.008%降低至0.003%以下；其次，适当降低钢水的过热度，通过精炼对钢水温度的准确控制，使钢水浇注的过热度从25～35 ℃降低至15 ℃以下；同时，改善电磁搅拌参数，从800 A，4 Hz调整至1 000 A,3.5 Hz来进一步减少成分偏析带来的最终组织偏析。调整后对连铸坯和钢板进行相应的枝晶检验和非金属夹杂物检验，检验结果如图8,9所示。通过以上改进，连铸板坯中心偏析从改进前的B1.5级降至B0.5级，硫化锰及氮化钛夹杂物也得到了有效控制。