重型H型钢拉伸性能异常原因

王德宝, 徐 雁, 陆向东, 牟祖茂, 杨 峥, 浦 红, 徐 辉

(1.马鞍山钢铁股份公司 技术中心, 马鞍山 243000；2.江苏永钢集团有限公司, 张家港 215628)

近年来,大跨度桥梁、超高层建筑以及大型体育场馆建设对大尺寸、厚翼缘和厚腹板的H型钢的需求不断增加。重型热轧H型钢的外形尺寸、翼缘和腹板厚度较大，具有较高的受力安全系数，是建设大跨度桥梁和高层建筑钢结构所需的理想材料，也是目前国内外研究开发的重点[1-3]。在部分重型H型钢的力学性能试验中，发现其纵向拉伸和Z向拉伸断口出现大小不一的银白色斑点，同时材料的塑性明显降低。根据试验数据统计结果可知，银白色斑点的数量和尺寸对材料的塑性影响较大，银白色斑点尺寸越大、数量越多，材料的塑性越低，而其对材料的抗拉强度和屈服强度无明显影响，说明银白色斑点与材料的塑性存在直接关系。为查明造成此种影响的根本原因，笔者对存在银白色斑点的重型H型钢材料取样并进行拉伸试验，对拉伸试样进行理化检验与分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对试样拉伸断口(见图1)进行宏观观察，由图1可知：纵向拉伸断口较为平整，高低起伏不大，塑性变形不明显，在断口表面存在肉眼可见的鱼眼状银白色斑点；Z向拉伸断口高低起伏较为明显，但是不存在剪切唇、放射区和纤维区，同样在断口面存在鱼眼状银白色斑点。通过对试样纵向拉伸断口侧面(见图2)进行观察，发现沿拉伸方向存在一系列微孔和裂纹，并有翘皮现象，这是由试样中的气孔鼓泡在拉伸过程中破裂造成的。

图1 拉伸试样断口宏观形貌

图2 拉伸试样断口侧面宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对试样的化学成分进行分析，结果如表1所示。由表1可知，材料的化学成分符合标准要求。采用定氢分析仪对试样的氢含量进行了测定，氢含量(氢元素的浓度)达到10 mg/kg。结合断口宏观形貌分析，可以初步判定断口处的银白色斑点属于氢致白点[4-5]。

表1 试样化学成分 %

1.3 金相检验

对试样断口附近进行金相检验和夹杂物分析，其显微组织为铁素体+珠光体，带状组织不明显，晶粒度为7.5～8.0级，无其他异常组织(见图3)。图4为拉伸试样侧面孔洞周边缺陷显微组织形貌，可以看出孔洞周边缺陷显微组织为铁素体+珠光体，有变形迹象，但与其他部位显微组织相比并无异常，未发现明显粗大夹杂物、组织偏析和其他异常组织。依据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》对非金属夹杂物进行评级，夹杂物级别较低，未发现大颗粒夹杂物的存在(见表2)[6]。

表2 试样非金属夹杂物级别 级

1.4 断口微观形貌分析

采用扫描电镜(SEM)对纵向和Z向拉伸断口进行显微观察，图5,6分别为纵向拉伸和Z向拉伸断口显微组织形貌。两种断口在断面上均存在大小不同的扁平特征区域，即为肉眼观察的银白色斑点，该区域与周边存在明显的分界，与基体断裂区形成明显的轮廓。在平坦区域内部断口形貌为舌状花样，局部存在发纹特征，具有明显的脆性断裂特征，该区域的断裂形式以准解理断裂为主。拉伸试样侧面孔洞翘皮缺陷处形貌与拉伸断口形貌类似，均为准解理断裂，本质上是同一类型断口(见图7)。在整个断口面上除银白色斑点外，其他区域均存在断裂韧窝，说明在断口表面的银白色斑点区域为解理断裂的脆性断裂，其他区域仍然为以韧窝为主的韧性断裂(见图8)。将断口银白色斑点区域放大，可以观察到在中心区域存在细小夹杂物，能谱分析结果表明，其主要成分为钙的复合夹杂物(见图9,10)。由断口微观形貌可知，拉伸过程中银白色斑点区域由于基体脆化和第二相的作用而萌生裂纹，并发生扩展直至断裂，属于氢致脆性断裂[7-8]。

图5 纵向拉伸断口SEM形貌

图6 Z向拉伸断口SEM形貌

图7 纵向拉伸试样侧面孔洞翘皮缺陷处SEM形貌

图8 断口韧窝SEM形貌

图9 纵向拉伸断口银白色斑点区域能谱分析位置及能谱图

图10 Z向拉伸断口银白色斑点区域能谱分析位置及能谱图

1.5 去氢退火试验

为了进一步验证试样的氢脆行为，对同一批拉伸试样进行去氢退火处理，温度为500 ℃，保温时间为4 h，然后随炉缓慢冷却。经定氢仪测定氢含量为4 mg/kg，较退火前氢含量(10 mg/kg)大幅度降低。

试样去氢退火前后力学性能如表3所示，可见试样经过去氢退火后，其塑性明显提高,但是强度提高较少。大量试验结果表明，去氢退火后试样强度和塑性的均匀性也明显提高。经去氢退火后试样断口形貌如图11所示，此时断口微观表面已无银白色斑点，全部为大小均匀分布的韧窝，表明试样断裂断质为韧性断裂。

表3 试样去氢退火前后力学性能

图11 试样去氢退火后断口微观形貌

2 综合分析

重型H型钢在冶炼、轧制过程中不可避免地会受到来自大气中水蒸气、矿石或合金中水分以及废钢中铁锈的氢侵入[9]。氢在钢中的破坏机理是：由于氢在液态钢水中的溶解度远高于其在固态金属中的溶解度，因此重型H型钢在冶炼过程中，液态金属中的氢在凝固时来不及逸出而残留在金属中，造成氢在材料中不断扩散并聚集，当局部聚集达到一定含量时，会造成白点、氢鼓泡等现象。氢在钢中局部聚集使材料脆化、承载能力下降以及塑性降低[10]。由于重型H型钢翼缘和腹板厚度较大，分别为67.6，42 mm，因此氢更加不易扩散和逸出，从而在心部聚集，更容易产生氢脆现象。一般情况下氢聚集在材料缺陷比较严重的部位，如夹杂物、碳化物、微气孔等处。在缺陷处，氢原子结合成氢分子，由此产生明显的应力，并形成氢气泡[11]。在纵向和Z向拉伸过程中，这些缺陷位于重型H型钢表面处，氢气泡与基体变形不一致造成气泡破裂，所以在拉伸试样侧面形成翘皮缺陷。

3 结论及建议

重型H型钢拉伸断口异常以及塑性降低的原因是材料氢含量过高，产生氢脆。氢脆现象可以通过去氢退火消除，属于可逆性氢脆。

为避免此类问题发生，建议加强炼钢原材料管理，避免因原材料受潮造成外来氢的侵入。在冶炼过程中，可以进行真空循环脱气炉处理，优化真空工艺路线，使初始氢从钢水中逸出，以降低钢水中的氢含量。