分享：Q355B钢板拉伸断口分层原因及改善措施

祁敏翔,仲阳阳,李振兴,宋继强,王 博 

(日钢营口中板有限公司,营口 115000) 

摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、热酸蚀检验、金相检验、扫描电镜及能谱分析 等方法,分析了 Q355B钢板拉伸断口出现分层的原因。结果表明:Q355B钢板拉伸断口出现分层 的主要原因是连铸坯厚度中心处存在缩孔、疏松、偏析和夹杂物缺陷,导致钢板产生中心裂纹,在拉 伸试验过程中,裂纹处产生应力集中,随着变形量的不断增加,裂纹不断扩展,最终出现断口分层现 象;在适当调整连铸坯浇注及钢板轧制工艺参数(如过热度、二次冷却速率、拉坯速率、道次压下率 和轧制温度等)后,采用电磁搅拌和轻压下技术,以及轧后缓冷等措施,Q355B 钢板拉伸断口不合 格率由6.82%降低至0.84%,并稳定在1%以下。

关键词:Q355B钢;拉伸试验;断口分层;中心裂纹;贝氏体;夹杂物

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0070-05

Q355B钢属于低合金钢,具有较好的综合力学 性能,主要用于桥梁、管道等行业。在对某厂生产的 40mm 厚 Q355B 钢板进行拉伸试验时,发现其拉 伸断口分层严重,说明钢板的抗层状撕裂性能较差, 在实际应用中会造成较大的安全隐患,因此使产品 无法按合同正常交付,使企业的经济效益受损。 笔者采用宏观观察、化学成分分析、拉伸试验、 热酸蚀检验、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方 法,分析了 Q355B钢板拉伸断口分层的原因,以期 避免该类缺陷的再次发生。 

1 理化检验

1.1 宏观观察 

由图1可见,断 口 分 层 位 置 在 钢 板 厚 度 中 心 区域,开 裂 口 较 长,几 乎 使 钢 板 完 全 分 裂 为 两 部分。

1.2 化学成分分析

对 Q355B 钢板的化学成分进行分析。由表 1 可见,其化学成分符合 GB/T1591-2018《低合金 高强度结构钢》标准对 Q335B钢的技术要求。

1.3 拉伸试验 在 Q355B钢板上截取试样进行拉伸性能测试。 由表2可见,其拉伸性能符合 GB/T1591-2018标 准对 Q335B钢的技术要求。

1.4 热酸蚀检验 在 Q355B 钢板拉断试样原取样位置的附近重 新取样,记为未拉伸试样,对拉断试样和未拉伸试样 横截面进行热酸蚀检验。

由 图2可 见 ,两 个 试 样 均 存 在 粗 大 的 柱 状 晶组织,距离钢板中心区域越近,晶粒越粗大,同时,试 样厚度中心处存在严重的未轧合的偏析、缩孔、疏松 和裂纹。

1.5 金相检验 

1.5.1 显微组织观察

用4%(体积分数)硝酸酒精溶液对 Q355B 钢 板拉断试样和未拉伸试样进行腐蚀后,采用光学显 微镜观察其显微组织。

由图3可见,试样基体组织为铁素体+珠光体, 两个试样板厚中心区域均存在条带状贝氏体,贝氏 体中有微裂纹,微裂纹的扩展方向与分层裂口的扩 展方向一致。

1.5.2 夹杂物检验 在拉断试样和未拉伸试样上取样进行夹杂物 检验。由图4可见,两个试样均存在微裂纹,且微裂纹 内部及其附近均有较多的浅灰色夹杂物。

1.6 采扫用描扫电镜描及电能镜谱和分析

X 射 线 能 谱 仪 (EDS)对 Q355B钢板断口及横截面中心区域裂纹中的夹杂 物进行分析。 由图5可见,该区域的夹杂物为易变性的硅酸 盐夹 杂 物 2MnO·SiO2 和 硫 化 物 MnS,2MnO· SiO2 的性能与 MnS的性能相似,夹杂物尺寸约为 20μm。对 Q355B 钢板基体和板厚中心贝氏体区域进 行了微区成分分析,结果见表3。可知 Q355B钢板 中心贝氏体区域的碳、硅、锰元素偏析严重,这与热 酸蚀检验结果相一致。

2 分析与讨论

通过以上检验结果可知,Q355B钢板拉伸断口 分层与钢板内部缺陷有关,这些缺陷来源于钢板原 材料。

通过热酸蚀检验结果可知,Q355B钢板内部柱 状晶组织较粗大,且板厚中心处存在偏析、缩孔、疏 松和裂纹,这些缺陷均来源于原材料连铸坯。在二 次冷却过程中,连铸坯表面与心部有较大的温度梯 度,形成垂直表面的单向传热,晶体最快生长方向是 向中心优先生长,向其他方向生长的晶体受到彼此 妨碍而被抑制,最终形成柱状晶区[1]。连铸坯组织 中的柱状晶越粗大,越易产生搭桥现象,如果液体金 属得不到及时补充,就会形成中心疏松或缩孔,随之 产生严重的中心偏析。另外,连铸坯经喷水冷却后 进入辐射冷却区,其表面温度回升,坯壳受热膨胀, 当应变超过该处应变极限时,就会在粗大的柱状晶 间产生裂纹。

通过扫描电镜及能谱分析结果可知,Q355B钢 板中心贝氏体区域的碳、硅、锰元素含量比基体中的 含量高很多,这与热酸蚀检验结果相一致。

夹杂、疏松、气孔、中心偏析、带状组织均可导致 拉伸断口分层[2]。中心裂纹的产生主要有以下几个 原因。

(1)碳、锰元素偏析会使过冷奥氏体连续冷却 转变曲线(CCT 曲线)右移,进而使过冷奥氏体的稳 定性升高,在一定的冷却速率下,有可能会形成贝氏 体组织,在贝氏体转变过程中其体积变化与基体组 织产生差异,使钢板内部产生应力而形成裂纹。 

(2)在轧后冷却过程中,钢板表层和中心的冷 却速率不同,会产生热应力,进而产生裂纹。

(3)钢板厚度中心区域存在的夹杂物会破坏金 属连续性,造成应力集中,微裂纹会在夹杂物与基体 界面处产生,随着拉伸变形的不断进行,裂纹逐渐扩 展;有研 究 显 示[3],当 钢 中 硫 的 质 量 分 数 降 低 到 0.02%以下,夹杂物尺寸控制在5μm 以下时,可有 效减少断口分层缺陷;如图4所示,该 Q355B 钢板 中的夹杂物尺寸偏大,这不利于对裂纹和分层缺陷的控制。

(4)缩孔、疏松缺陷会使连铸坯在轧制过程中 出现绞线状裂纹。

综上所述,Q355B钢板拉伸断口出现分层现象 的主要原因是连铸坯厚度中心处存在缩孔、疏松、偏 析和夹杂物缺陷,导致钢板产生中心裂纹,在拉伸试 验过程中,裂纹处会产生应力集中,随着变形量的不 断增加,裂纹不断扩展,最终形成断口分层现象。

在拉伸试验过程中,试样在塑性变形时内部为 三轴应力状态,当沿板厚方向的应力超过开裂应力 极限值时,就 会 发 生 平 行 于 轧 制 面 的 断 口 分 层 开 裂[4-5]。因此,降低板厚方向的应力集中是解决钢板 拉伸断口分层现象的有效途径,主要包括以下几种 解决措施。 

(1)降低钢水过热度,保证过热度低于25 ℃, 减少柱状晶比例,将缩孔、疏松和中心裂纹等缺陷级 别控制在较低水平。 

(2)在炼钢过程中,结晶器出口到拉矫机之间 的二次冷却区采用弱冷方式,合理分配二次冷却区 各冷却段的水量,增加等轴晶比例。 (3)合理选择连铸拉坯速率与浇铸温度。

(4)加大各道次压下量,保证变形渗透率,减少 或消除连铸坯内部缩孔和疏松等缺陷。

(5)适当提高轧制温度,降低冷却速率[6]。 

(6)轧后采用堆垛缓冷(多张钢板堆垛进行冷 却,降低冷却速率),减轻相变应力、热应力等对微裂 纹形成的影响。 

(7)采用电磁搅拌和轻压下技术,以改善柱状 晶搭桥现象和补偿凝固收缩。 

3 结论及建议 

(1)Q355B钢板拉伸断口出现分层现象的主要 原因是连铸坯厚度中心处存在缩孔、疏松、偏析和夹 杂物缺陷,导致钢板产生中心裂纹,在拉伸试验过程 中,裂纹处产生应力集中,随着变形量的不断增加, 裂纹不断扩展,最终形成断口分层现象。

(2)在适当调整连铸坯浇注及钢板轧制工艺参 数(如过热度、二次冷却速率、拉坯速率、道次压下率 和轧制温度等)后,采用电磁搅拌和轻压下技术以及 轧后缓冷等措施,Q355B钢板拉伸断口不合格率由 6.82%降低至0.84%,并稳定在1%以下。 

参考文献: 

[1] 许庆太,王文仲.连铸钢坯低倍检验和缺陷图谱[M]北京:中国标准出版社,2009. [2] 李荣锋,余立.关于钢材力学性能试验试样断口厚向 开裂的若干问题[J].材料开发与应用,2013,28(3): 1-8. [3] 李艳梅,朱伏先,崔凤平,等.中厚钢板分层缺陷的形 成机制分析[J].东北大学学报(自然科学版),2007, 28(7):1002-1005. [4] 韩荣东,刘静.Q390E钢板拉伸试验试样断口分层原 因分析 [J].武 汉 工 程 职 业 技 术 学 院 学 报,2009,21 (3):19-21. [5] 李荣锋.关于力学性能试验试样断口分层(离)开裂现 象的思考[J].物理测试,2011,29(S1):75-79. [6] 王蕾,王立军,金潮,等.Q345钢板拉力分层成因及控 制措施[C]∥中国金属学会.第八届(2011)中国钢铁 年会论文集[M].北京:冶金工业出版社,2011.

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