摘  要：利用金相顯微鏡、掃描電鏡、原位分析儀等分析Q345B鋼板的拉伸試樣斷口形貌、金相組織、斷口內(nèi)夾雜物成分和鑄坯的成分偏析狀態(tài)，分析了斷口形成的原因，提出了多項(xiàng)改進(jìn)措施，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：斷口分離；中心偏析；拉伸試樣；夾雜物

1  前言

國內(nèi)某鋼廠低合金結(jié)構(gòu)鋼是主要的產(chǎn)品類別，占總產(chǎn)量的約30%，具有穩(wěn)定和廣闊的市場份額。但是自2008年以來，該鋼種的鋼板發(fā)生拉伸試樣斷口分離缺陷，由此造成的鋼板改判率最高時(shí)達(dá)到每月1.18%。給公司效益帶來了很大的影響，成為公司降本增效的重要障礙。為了盡快減少和消除斷口分離缺陷，對(duì)Q345B鋼種進(jìn)行了分析研究，探討造成斷口分離的原因，并提出應(yīng)對(duì)措施。

2  斷口形貌

    如圖1所示為典型的Q345B拉伸斷口宏觀形貌，可見在拉伸試樣厚度中心平行于鋼板表面的方向存在明顯的分離開裂現(xiàn)象，在裂口的兩邊的1～5mm的范圍內(nèi)斷口呈較淺的灰白色。在掃描電鏡下觀察了其外觀形貌，如圖2所示，可見分離裂口附近的斷口面為河流狀花樣解理斷裂斷口。

圖1  Q345B拉伸斷口分離宏觀形貌照片    圖2  4#樣拉伸斷口SEM照片

3  微觀分析

3.1  金相組織

    對(duì)多批分層鋼板的拉伸試樣的未變形區(qū)域取樣，觀察了金相組織，主要是鐵素體和珠光體，在有斷口分離的拉伸試樣的金相組織中存在較明顯的中心偏析現(xiàn)象。如圖3所示為典型的斷口分離拉伸試樣的鋼板厚度中心部分的金相組織，可見到顯著的中心偏析存在。進(jìn)一步放大倍數(shù)，由圖 觀察到在偏析帶存在的組織中典型的組織是鐵素體和珠光體，同時(shí)還存在部分貝氏體，貝氏體帶與珠光體帶緊密相鄰。

圖3  4#樣斷口分離試樣未變形區(qū)域的金相組織

3.2   SEM分析

對(duì)Q345B拉伸斷口分離試樣在斷口進(jìn)行取樣，將試樣拋光后在掃描電鏡下觀察其分離裂口并對(duì)裂口內(nèi)的夾雜物進(jìn)行分析，如圖4所示，在斷口分離裂口內(nèi)存在夾雜物，對(duì)該夾雜物進(jìn)行SEM分析得知該夾雜物為典型的MnS夾雜?？梢酝茢嘣摲蛛x裂口是在拉伸過程中沿鋼板中MnS夾雜開裂的。

圖4  4#樣SEM分析結(jié)果

3.3  鑄坯原位分析

原位分析可以獲得金屬材料較大尺度范圍內(nèi)各成分的位置分布、狀態(tài)分布及定量分布的準(zhǔn)確信息。為了研究Q345B鋼的偏析程度，對(duì)發(fā)生拉伸試樣斷口分離爐次的鑄坯低倍留樣上截取試樣，取樣的Q345B連鑄坯坯型尺寸為270×2100mm，在連鑄坯橫截面上，以鑄坯窄邊和寬度中心線為界取樣，為了便于分析將該試樣分成5等分，從窄邊到寬度中心線依次編號(hào)為1到5號(hào)。

圖5  Q345B鑄坯原位分析試樣示意圖

對(duì)試樣橫截面進(jìn)行刨平和磨床磨光后在原位分析儀上進(jìn)行各化學(xué)成分元素的原位分析。如圖5所示，取中心線附近區(qū)域進(jìn)行分析，灰度區(qū)域?yàn)榉治鰠^(qū)域，面積大小為60×70mm左右。如圖6所示為錳元素的分布二維等高圖，顯示了元素在不同區(qū)域的分布，Mn元素的最大偏析度為1.278。

圖6  5#試樣的Mn偏析

4  斷口分離試樣的力學(xué)性能

對(duì)存在拉伸試樣斷口分離和無斷口分離缺陷的鋼板力學(xué)性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如表1所示，前者的力學(xué)性能合格率達(dá)到93.5%，后者達(dá)到98.0%，由于統(tǒng)計(jì)數(shù)量的限制，存在斷口分離的試樣的力學(xué)性能沒有明顯的下降。表2為本次分析所取的三批試樣的力學(xué)性能具體數(shù)據(jù)，可見力學(xué)性能全部合格，且各項(xiàng)指標(biāo)都有一定的富余量。

表1  斷口分離和正常斷口拉伸試樣力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)比較

表2  Q345B拉伸試樣的力學(xué)性能

5  分析與討論

（1）斷口分離缺陷的Q345B鋼板金相組織以鐵素體和珠光體為主，但在鋼板的厚度中心存在少量上貝氏體脆性相，在試樣拉伸變形過程中上貝氏體塑性低，可能是裂紋源或者裂紋擴(kuò)散的路徑，從而造成斷口分離。

（2）由SEM分析結(jié)果可知，拉伸試樣斷口分層內(nèi)存在硫化錳夾雜，在連鑄凝固過程中，由于選分結(jié)晶造成硫、錳、碳、磷等元素在鑄坯中心聚集，硫與錳形成硫化錳低熔點(diǎn)塑性夾雜物，加熱過程中不易消除，在軋制過程中變形形成長條狀，在拉伸試樣變形過程中，在硫化錳與鋼基體的界面首先形成裂紋，并沿硫化物分布方向擴(kuò)展形成裂口，從而造成拉伸試樣斷口分離。

（3）鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量與連鑄機(jī)的機(jī)況有密切的關(guān)系。當(dāng)連鑄機(jī)對(duì)弧精度不高時(shí)，扇形段輥?zhàn)硬辉谕换【€上，在拉坯時(shí)鑄坯坯殼在內(nèi)外弧輥?zhàn)娱g距較小的輥?zhàn)又g受到擠壓，而在間距較大的輥?zhàn)又g又重新鼓起，這樣造成鑄坯液相的反復(fù)流動(dòng)，由于未凝固液相硫、磷、碳、錳等溶質(zhì)元素濃度較高，從而富集雜質(zhì)元素的液相在鑄坯中心形成嚴(yán)重的偏析，并遺傳到鋼板中，最終形成拉伸斷口分層的重要因素。

（4）在鋼板試樣拉伸時(shí)，首先試樣均勻變形，這個(gè)階段試樣受力狀態(tài)為單向拉應(yīng)力狀態(tài)（即“+00”），當(dāng)試樣開始出現(xiàn)縮頸后，由于力線在縮頸處彎曲，使該處的應(yīng)力狀態(tài)為三向拉應(yīng)力（即“+++”），如圖7所示，如果在鋼板中心的組織中存在薄弱環(huán)節(jié)，首先從薄弱環(huán)節(jié)中裂開，這就是分層的最初形成階段，同時(shí)由于在變形過程中，鋼板中心的薄弱環(huán)節(jié)與其它部分不能夠發(fā)生同步變形，因此在鋼板拉伸試樣中心（薄弱環(huán)節(jié)處）形成裂紋，即我們現(xiàn)在能夠經(jīng)常在分層試樣的兩個(gè)側(cè)切面處所見的分層裂紋。這是造成鋼板拉伸試樣斷口分離的外部因素。

（5）由于斷口分離形成的裂紋基本平行于鋼板且沿拉伸方向延伸，因此對(duì)拉伸試樣的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)影響較小。但會(huì)影響鋼板的疲勞壽命，在鋼板質(zhì)量判定中仍降級(jí)改判或判廢。

6  改進(jìn)措施

（1）嚴(yán)格控制鋼中的硫含量。所有鐵水都經(jīng)過KR處理，對(duì)于Q345B，KR后硫含量控制在0.005%以下，嚴(yán)格要求扒渣操作，扒渣后鐵水表面應(yīng)基本無殘?jiān)?。?duì)入轉(zhuǎn)爐廢鋼分類處理，限制高硫含量廢鋼的加入。使用低硫含量的造渣料。嚴(yán)格控制下渣量，采用雙擋渣出鋼。在LF爐提前造白渣，適當(dāng)增大渣量，提高LF爐脫硫率。

（2）制定嚴(yán)格詳細(xì)的設(shè)備檢修制度。設(shè)備是鑄坯質(zhì)量的保障。定期進(jìn)行設(shè)備小修，每年一次連鑄機(jī)中修，嚴(yán)格控制檢修精度，對(duì)不滿足對(duì)弧精度要求的扇形段及時(shí)更換。

（3）保證精煉后氬氣軟吹效果。延長軟吹時(shí)間，減小軟吹氬時(shí)鋼液面裸露面，從而保證夾雜物充分上浮。

（4）采用鑄坯和鋼板堆垛緩冷。一方面促進(jìn)鑄坯中氫的析出，另一方面堆垛緩冷可以減輕鑄坯中心偏析。對(duì)于厚規(guī)格鋼板，在軋制后一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鋼板堆垛緩冷，起到減少中心偏析和析出氫的效果。

（5）保證鑄坯加熱時(shí)間和控制加熱溫度，保證鑄坯溫度均勻，盡量減少已形成的中心偏析。

（6）采用二冷段電磁攪拌技術(shù)，優(yōu)化了二冷段的輕壓下，從而進(jìn)一步提高了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

7  結(jié)論

（1）通過對(duì)拉伸試樣和鑄坯的分析，得知造成Q345B鋼板拉伸試樣斷口分離的主要原因是長條狀硫化物夾雜和鑄坯中心偏析的存在。在試樣拉伸過程中由于縮頸的形成，應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而形成斷口分離。

（2）通過生產(chǎn)過程嚴(yán)格控制硫含量、制定嚴(yán)格的連鑄機(jī)檢修制度、鑄坯的堆垛緩冷等多項(xiàng)措施，顯著減少了斷口分離缺陷改判率。

參考文獻(xiàn)

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