摘 要:Q235B鋼中厚板拉伸試樣在力學(xué)性能測試中出現(xiàn)斷后伸長率不合格問題。采用宏觀觀 察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對該試樣斷后伸長率不合格的原因進(jìn)行 分析。結(jié)果表明:試樣斷后伸長率不合格的主要原因是煉鋼過程中,中間包溫度高,連鑄坯拉速慢, 導(dǎo)致硫元素偏聚;軋制冷卻過程中以 MnS夾雜物為形核點,形成了鐵素體偏析帶。拉伸試驗中,在 試樣非金屬夾雜物處產(chǎn)生了應(yīng)力集中,造成了鋼板分層斷裂,使得其斷后伸長率降低。 

關(guān)鍵詞:Q235B鋼;中厚板;斷后伸長率;夾雜物;分層 

中圖分類號:TG115.5+2                                 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                    文章編號:1001-4012(2022)09-0039-03

中厚鋼板被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁等行業(yè)。斷 后伸長率是衡量鋼材力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。鑄 坯中氫元素含量過高,中心珠光體比例高以及存在 帶狀組織、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物等均會導(dǎo)致中厚板的斷后 伸長率不合格,且試樣斷口出現(xiàn)層狀撕裂[1-5]。針對 厚度為40mm 的 Q235B鋼板斷后伸長率不合格的 問題,筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、 掃描電鏡及能譜分析等方法對不合格試樣進(jìn)行分 析,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,以避免該類問題再次 發(fā)生。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察

對拉斷后斷后伸長率合格和不合格的試樣進(jìn)行 宏觀觀察,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知:不合格試 樣的斷口上存在層片狀的分離面,該面距軋制面約 15mm,呈脆性斷裂,加工面上存在呈斷續(xù)狀線條分 布的撕裂孔洞層,與層狀斷口的脆性區(qū)位置相對應(yīng); 合格試樣的斷口整體呈韌性斷裂,有明顯的頸縮,加 工面上無撕裂孔洞層。 

1.2 力學(xué)性能測試

厚度為40mm 的 Q235B鋼板試樣的力學(xué)性能 如表1所示,發(fā)現(xiàn)批次1092試樣的斷口伸長率不符合 GB/T700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

1.3 化學(xué)成分分析 

對斷后伸長率不合格試樣(批次1092)進(jìn)行化 學(xué)成分分析,發(fā)現(xiàn)斷后伸長率不合格試樣的化學(xué)成 分符合 GB/T700—2006的要求(見表2)。 

1.4 掃描電鏡及能譜分析

對斷后伸長率不合格試樣的斷口進(jìn)行掃描電鏡 (SEM)及能譜分析,結(jié)果如圖 2 所示。由 圖 2 可 知:不合格試樣的斷口為解理斷口,大部分呈層片 狀,具有多個平面,層狀區(qū)附近存在撕裂棱和韌窩; 在層狀區(qū)內(nèi)存在較多片狀或顆粒性夾雜物,其主要 含有 Fe,Mn,S,Si,O 元素,表明其中多數(shù)為 MnS 夾雜物和非金屬氧化物。

1.5 金相檢驗 

分別在斷后伸長率合格和不合格試樣的斷口處 取樣,用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液侵蝕,觀察 試樣軋制方向的截面組織,結(jié)果如圖3所示。由圖 3可知:合 格 和 不 合 格 試 樣 的 顯 微 組 織 均 為 鐵 素 體+珠光體;在不合格試樣的夾雜物聚集處或支流 匯集處有孔洞出現(xiàn),在呈河流花樣分布的夾雜物處 存在鐵素體帶,其距軋制表面約15 mm,與不合格 試樣斷口宏觀形貌的層片狀位置相對應(yīng)。 

2 綜合分析 

SEM 分析結(jié)果顯示,不合格試樣中的 MnS較 多,說明鋼中 Mn,S元素含量比及 O 元素的含量較 高,使 得 FeS 與 FeO 形 成 的 共 晶 體 熔 點 變 低。 Q235B鋼的液相線溫度理論值為1518 ℃ [6],而該 爐不合格試樣鋼板的中間包溫度為1558 ℃,與理 論值相比,該不合格試樣鋼板的過熱度較高,導(dǎo)致生 產(chǎn)中鑄坯拉速降低,不利于合金元素的均勻分布。 能譜分析結(jié)果顯示,分層斷口附近有 S元素偏析, 主要夾雜物為 MnS,說明鋼水在 結(jié) 晶 器 凝 固 過 程 中,凝固速率慢,溶質(zhì)元素 S發(fā)生了偏聚,溶質(zhì)原子 在熔體中的擴(kuò)散速率小于晶體生長速率,使部分區(qū) 域S元素含量偏高,形成了硫化物偏析。Mn元素 與不均勻分布的S元素形成了 MnS夾雜物,其在連 鑄過程中上浮,最后凝固,造成局部區(qū)域 MnS富集, 割裂了基體的均勻連續(xù)性,增大了鋼的脆性,使鋼的 塑性下降。MnS是塑性夾雜物,在后期軋制控冷過 程中容易沿軋制方向變形成條狀或聚集性顆粒狀, 以 MnS夾雜物為形核點,會優(yōu)先形成鐵素體膜,并 沿著顆粒狀硫化物分布,最終呈河流花樣狀,導(dǎo)致鋼 板的橫向性能變差。宏觀觀察結(jié)果顯示,斷口為脆 性斷裂,鋼板中的硫化物與基體是機(jī)械性結(jié)合,結(jié)合 力較低[7]。當(dāng)橫向的拉伸試樣承受外界載荷時,拉 應(yīng)力在某滑移平面開始產(chǎn)生位錯,硫化物與基體的 交界處為強(qiáng)度最弱區(qū)域[8],產(chǎn)生應(yīng)力集中,隨后以非 金屬夾雜物為起裂點產(chǎn)生孔洞,隨著拉應(yīng)力的增大, 較軟的鐵素體偏析帶優(yōu)先變形并開裂,一些聚集性 的顆粒狀硫化夾雜物使位錯排斥力下降,形成剪切 面平臺,加快了裂紋的擴(kuò)展,造成試樣分層斷裂,最 終導(dǎo)致拉伸試樣的斷后伸長率降低。 

3 改進(jìn)措施 

為減小 MnS夾雜物帶來的影響,提高拉伸試樣的斷后伸長率,提出以下改進(jìn)措施:合理控制鋼包溫 度,保持較高的出鋼碳含量,降低鋼的含氧量;選擇 鋼包合適的吹氬流量和時間,保證鋼水的純凈,從減 少一些有害元素的偏析,從而提高鋼材的力學(xué)性能; 增強(qiáng)鋼包到中間包結(jié)晶器這一過程的保護(hù)澆注,做 好保護(hù)渣吸附夾雜物的工作,加快鑄坯凝固速率。

綜合以上措施,優(yōu)化煉鋼過程,使中間包溫度控 制在約1530 ℃,減小鋼水的過熱度。工藝改進(jìn)前 后 Q235B鋼板的力學(xué)性能如表3所示,改進(jìn)前后分 別選取 30 批 試 樣 進(jìn) 行 測 試,結(jié) 果 表 明 改 進(jìn) 后 該 Q235B鋼板斷后伸長率的合格率得到了提升。

4 結(jié)論

Q235B鋼板斷后伸長率不合格的主要原因如 下所述。 

(1)MnS夾雜物的聚集造成了應(yīng)力集中,使鋼 板分層斷裂。

(2)在連鑄坯結(jié)晶過程中,中間包溫度高,連鑄 坯拉速降低,導(dǎo)致S元素形成偏聚。 (3)鋼板在冷卻軋制過程中以硫化物為形核 點,形成了鐵素體偏析帶。

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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:39-41)>