摘 要:Q235B钢中厚板拉伸试样在力学性能测试中出现断后伸长率不合格问题。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该试样断后伸长率不合格的原因进行 分析。结果表明:试样断后伸长率不合格的主要原因是炼钢过程中,中间包温度高,连铸坯拉速慢, 导致硫元素偏聚;轧制冷却过程中以 MnS夹杂物为形核点,形成了铁素体偏析带。拉伸试验中,在 试样非金属夹杂物处产生了应力集中,造成了钢板分层断裂,使得其断后伸长率降低。
关键词:Q235B钢;中厚板;断后伸长率;夹杂物;分层
中图分类号:TG115.5+2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)09-0039-03
中厚钢板被广泛应用于建筑、桥梁等行业。断 后伸长率是衡量钢材力学性能的重要指标之一。铸 坯中氢元素含量过高,中心珠光体比例高以及存在 带状组织、内应力、夹杂物等均会导致中厚板的断后 伸长率不合格,且试样断口出现层状撕裂[1-5]。针对 厚度为40mm 的 Q235B钢板断后伸长率不合格的 问题,笔者采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、 扫描电镜及能谱分析等方法对不合格试样进行分 析,并提出了相应的改进措施,以避免该类问题再次 发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
对拉断后断后伸长率合格和不合格的试样进行 宏观观察,结果如图1所示。由图1可知:不合格试 样的断口上存在层片状的分离面,该面距轧制面约 15mm,呈脆性断裂,加工面上存在呈断续状线条分 布的撕裂孔洞层,与层状断口的脆性区位置相对应; 合格试样的断口整体呈韧性断裂,有明显的颈缩,加 工面上无撕裂孔洞层。
1.2 力学性能测试
厚度为40mm 的 Q235B钢板试样的力学性能 如表1所示,发现批次1092试样的断口伸长率不符合 GB/T700—2006《碳素结构钢》的要求。
1.3 化学成分分析
对断后伸长率不合格试样(批次1092)进行化 学成分分析,发现断后伸长率不合格试样的化学成 分符合 GB/T700—2006的要求(见表2)。
1.4 扫描电镜及能谱分析
对断后伸长率不合格试样的断口进行扫描电镜 (SEM)及能谱分析,结果如图 2 所示。由 图 2 可 知:不合格试样的断口为解理断口,大部分呈层片 状,具有多个平面,层状区附近存在撕裂棱和韧窝; 在层状区内存在较多片状或颗粒性夹杂物,其主要 含有 Fe,Mn,S,Si,O 元素,表明其中多数为 MnS 夹杂物和非金属氧化物。
1.5 金相检验
分别在断后伸长率合格和不合格试样的断口处 取样,用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液侵蚀,观察 试样轧制方向的截面组织,结果如图3所示。由图 3可知:合 格 和 不 合 格 试 样 的 显 微 组 织 均 为 铁 素 体+珠光体;在不合格试样的夹杂物聚集处或支流 汇集处有孔洞出现,在呈河流花样分布的夹杂物处 存在铁素体带,其距轧制表面约15 mm,与不合格 试样断口宏观形貌的层片状位置相对应。
2 综合分析
SEM 分析结果显示,不合格试样中的 MnS较 多,说明钢中 Mn,S元素含量比及 O 元素的含量较 高,使 得 FeS 与 FeO 形 成 的 共 晶 体 熔 点 变 低。 Q235B钢的液相线温度理论值为1518 ℃ [6],而该 炉不合格试样钢板的中间包温度为1558 ℃,与理 论值相比,该不合格试样钢板的过热度较高,导致生 产中铸坯拉速降低,不利于合金元素的均匀分布。 能谱分析结果显示,分层断口附近有 S元素偏析, 主要夹杂物为 MnS,说明钢水在 结 晶 器 凝 固 过 程 中,凝固速率慢,溶质元素 S发生了偏聚,溶质原子 在熔体中的扩散速率小于晶体生长速率,使部分区 域S元素含量偏高,形成了硫化物偏析。Mn元素 与不均匀分布的S元素形成了 MnS夹杂物,其在连 铸过程中上浮,最后凝固,造成局部区域 MnS富集, 割裂了基体的均匀连续性,增大了钢的脆性,使钢的 塑性下降。MnS是塑性夹杂物,在后期轧制控冷过 程中容易沿轧制方向变形成条状或聚集性颗粒状, 以 MnS夹杂物为形核点,会优先形成铁素体膜,并 沿着颗粒状硫化物分布,最终呈河流花样状,导致钢 板的横向性能变差。宏观观察结果显示,断口为脆 性断裂,钢板中的硫化物与基体是机械性结合,结合 力较低[7]。当横向的拉伸试样承受外界载荷时,拉 应力在某滑移平面开始产生位错,硫化物与基体的 交界处为强度最弱区域[8],产生应力集中,随后以非 金属夹杂物为起裂点产生孔洞,随着拉应力的增大, 较软的铁素体偏析带优先变形并开裂,一些聚集性 的颗粒状硫化夹杂物使位错排斥力下降,形成剪切 面平台,加快了裂纹的扩展,造成试样分层断裂,最 终导致拉伸试样的断后伸长率降低。
3 改进措施
为减小 MnS夹杂物带来的影响,提高拉伸试样的断后伸长率,提出以下改进措施:合理控制钢包温 度,保持较高的出钢碳含量,降低钢的含氧量;选择 钢包合适的吹氩流量和时间,保证钢水的纯净,从减 少一些有害元素的偏析,从而提高钢材的力学性能; 增强钢包到中间包结晶器这一过程的保护浇注,做 好保护渣吸附夹杂物的工作,加快铸坯凝固速率。
综合以上措施,优化炼钢过程,使中间包温度控 制在约1530 ℃,减小钢水的过热度。工艺改进前 后 Q235B钢板的力学性能如表3所示,改进前后分 别选取 30 批 试 样 进 行 测 试,结 果 表 明 改 进 后 该 Q235B钢板断后伸长率的合格率得到了提升。
4 结论
Q235B钢板断后伸长率不合格的主要原因如 下所述。
(1)MnS夹杂物的聚集造成了应力集中,使钢 板分层断裂。
(2)在连铸坯结晶过程中,中间包温度高,连铸 坯拉速降低,导致S元素形成偏聚。 (3)钢板在冷却轧制过程中以硫化物为形核 点,形成了铁素体偏析带。
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