摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法对 Q235B钢中厚 板弯曲开裂的原因进行分析,结果表明:开裂的 Q235B钢中厚板近表面存在气泡,裂纹扩展和延伸 处存在严重的偏析和硫化物偏聚;在冷弯过程中的应力作用下,Q235B钢中厚板近表面气泡位置 首先形成裂纹源,裂纹沿着偏析带及硫化物延展方向扩展,最终导致钢板发生弯曲开裂。 

关键词:弯曲开裂;气泡;成分偏析;带状组织;夹杂物 

中图分类号:TB31;TG115.2                文献标志码:B                         文章编号:1001-4012(2023)04-0054-03

Q235B钢中厚板为主要的钢铁构建材料之一, 被广泛应用于桥梁、船舶、汽车等多个领域。Q235B 钢中厚板为基础材料,在用户的使用加工过程中,其 拉伸性能及弯曲性能十分重要。Q235B钢中厚板 的可塑性较强,某厚度为8mm 的 Q235B钢中厚板 在使用过程中出现纵向弯曲开裂现象,笔者采用宏 观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜(SEM) 分析等方法对其开裂原因进行分析,以避免该类问 题再次发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

Q235B钢中厚板纵向弯曲开裂部位的宏观形 貌如图1所示。由图1可知:钢板弯曲后,受拉应 力较大的外弧表面出现开裂,裂纹向内扩展并与 1/4板厚位置相连接,1/4板厚位置肉眼可见严重 偏析。

1.2 化学成分分析

在 Q235B钢中厚板纵向弯曲开裂部位及未弯 曲的正常部位分别截取试样,利用直读光谱仪对试 样的化学成分进行分析,结果如表1所示。由表1 可知:该钢板的化学成分符合技术要求。

1.3 金相检验、扫描电镜及能谱分析 

沿垂直于裂纹方向及平行于裂纹方向分别取样, 在光学显微镜下观察试样的组织及夹杂物,结果如图 2所示。由图2可知:开裂部位的缺陷由表面向板材 内部扩展,直至板厚的1/4处;裂纹向平行于板面的 反向继续延伸,附近的小裂纹开口较宽,无扩展趋势, 可明显观察到类圆形孔洞,疑似为皮下气泡。 

用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液对试样进行 腐蚀,在光学显微镜下观察 Q235B钢中厚板弯曲开 裂处的纵截面,结果如图3所示。缺陷处未观察到 明显氧化现象。在钢板1/4厚度位置有明显的偏 析,有较长的铁素体条带,并有大量浅灰色条形及颗 粒状夹杂物聚集。

利用扫描电镜及能谱仪对偏析带中的浅灰色条 形及颗粒状物质进行分析,结果如图4所示,由图4 可知:长条形浅灰色夹杂物为硫化锰。

2 综合分析 

Q235B钢中厚板近表面存在孔洞,形状近似椭 圆形,孔洞缺陷呈现出向钢板内部扩展的形貌,且底 端圆钝,可以判定钢板表面下的孔洞缺陷为皮下气 泡。钢板内部的气泡产生在轧制前,为连铸板坯的 内部气泡,其产生原因有3种:脱氧不良导致的CO 气泡、氩气气泡以及水蒸气分解成的含 H、O 元素 的气泡。结合现场工艺控制情况,可以排除脱氧不 良导致的CO气泡;同时,连铸过程中添加的原辅料 水含量均在要求范围内,在孔洞缺陷处无氧化痕迹, 且未发现氧化物,因此可排除氧气泡。氢元素在固 态钢中的溶解度非常小,其对轧制后钢板造成的缺 陷主要为白点和层状断口,不会以孔洞形貌存在于 钢板近表面位置,进而排除氢气泡。对照现场工艺 及参数,在钢板的连铸生产过程中,氩气的流量并不稳定,判断该皮下气泡为氩气气泡。在连铸坯加热 的过程中,近板坯表层的氩气气泡能够排出,内部的 部分气泡则随着轧制过程释放出来,其余气泡则留 在钢板近表面位置,形成钢板表面皮下气泡。在钢 板的弯曲过程中,受表面拉伸应力的作用,气泡扩展 并暴露在钢板表面,在压应力作用下钢板出现裂纹。

在 Q235B钢中厚板内部1/4厚度位置存在严 重的偏析带,在较长的铁素体条带上聚集着大量的 硫化锰夹杂物,这是由于连铸过程中电磁搅拌参数 控制不合理,在原始板坯内部的合金元素未充分扩 散,造成成分偏析[1],硫化物的偏聚往往伴随着组织 偏析且存在于偏析带中。硫化锰夹杂物具有较好的 热塑性,在轧制过程中,该夹杂物沿着钢板的轧制方 向延伸后变成了条带状,铁素体优先在该处形核长 大,形成了铁素体条带,因此出现了严重的带状组 织。带状组织造成钢板内部1/4厚度位置的显微硬 度分布不均,在弯曲受力过程中,钢板产生应力集 中,在两相交界处钢板开裂。同时,硫化锰夹杂物的 存在破坏了基体的连续性[2],硫化锰夹杂物与金属 基体的热膨胀系数不同,钢板轧制冷却后,硫化锰夹 杂物与金属基体之间存在间隙[3],在弯曲外力的作 用下,间隙进一步扩展,造成钢板内部1/4厚度位置 发生开裂。在钢板弯曲变形的过程中,钢板表面的 气泡开裂并向内部扩展,与钢板内部1/4厚度位置的裂纹连接在一起,导致其弯曲开裂。

3 结语及建议 

Q235B钢中厚板近表面位置有皮下气泡,为氩 气气泡,在弯曲过程中,在应力作用下其表面发生开 裂。Q235B钢中厚板1/4厚度位置偏析严重,带状 组织上硫化锰夹杂物聚集,在弯曲受力过程中,裂纹 与表面缺陷连接并贯穿到表面,造成钢板弯曲开裂。

为了有效解决这一问题,建议对现场生产工艺 进行如下改进。 

(1)在连铸过程中,严格控制工艺参数,确保氩 气流量稳定,保证吹氩质量,在中间包确保氩气充分 上浮。 

(2)在连铸的过程中,控制电磁搅拌的参数,有 效去除合金元素的偏析,确保铸坯内部成分均匀。

参考文献: 

[1] 董凤奎,李祥龙,王银国,等.Q345B钢板弯曲开裂原 因分析[J].江西冶金,2015,35(6):11-13. 

[2] 汤海芳,王豹,郑翠军,等.Q345R钢板断后伸长率不 合格原因分析[J].理化检验(物理分册),2016,52 (4):287-290. 

[3] 鲁献辉,马娥.Q345B中厚板成型裂纹原因分析[J]. 河北冶金,2015(7):23-25,46. 

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 4期 (pp:54-56)>