Q460C低合金高強度結構鋼具有良好的強度和韌性,在機械設計制造領域應用廣泛,隨著國內機械設計制造行業的快速發展,對Q460C鋼板的需求越來越大[1－2]。在鋼板設計使用過程中,需要對其進行切割、折彎、焊接等操作,用于制造相應的零件。某廠生產的一批 Q460C鋼板經切割后,在鋼板折彎過程中,有部分鋼板在其厚度方向出現裂紋。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了鋼板折彎裂紋產生的原因,并提出了改進措施,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

折彎加工的鋼板厚度為20 mm,根據設計要求先切割成尺寸為200 mm×800 mm(長度×寬度)的工件,然后將工件一邊折彎45°,另一邊折彎85°,在折彎過程中,有部分工件在折彎85°一側的側面出現裂紋,裂紋位于鋼板1/4厚度附近(見圖1)。 

圖  1  開裂Q460C鋼板的宏觀形貌

將Q460C鋼板沿折彎裂紋人工拉斷,對其斷口進行宏觀觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：斷口呈脆性斷裂特征,沒有明顯的頸縮,鋼板1/4厚度附近存在呈木紋狀的斷裂區域,該區域為折彎開裂位置。 

圖  2  Q460C鋼板斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂的Q460C鋼板上取樣,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣中P、S元素的質量分數超過GB/T 1591—2018 《低合金高強度結構鋼》的要求。 

1.3   金相檢驗

在鋼板斷口處取尺寸為20 mm×20 mm×20 mm(長度×寬度×高度)的試樣,對試樣進行清洗、磨拋處理,利用光學顯微鏡觀察試樣中的非金屬夾雜物,按照GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗方法》中的A法進行評級,結果如表2所示。 

用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液對試樣進行腐蝕,用光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織形貌,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣組織為鐵素體＋珠光體；在斷口木紋區對應的1/4位置,可明顯觀察到鐵素體和珠光體交替存在的帶狀組織,鐵素體帶較為明顯,灰色條狀硫化物夾雜在此處明顯偏聚,帶狀組織評級為4.0級,斷口1/4處帶狀組織嚴重異常；其他位置的組織為均勻的鐵素體和珠光體；帶狀組織中鐵素體范圍較寬,鐵素體內部存在大量灰色條狀硫化物夾雜。 

圖  3  試樣的顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將金相試樣放入丙酮溶液中進行超聲清洗,然后利用掃描電鏡及能譜儀分別對試樣鐵素體帶中的長條狀非金屬夾雜物和鏈狀非金屬夾雜物進行分析,結果如圖4,5所示。由圖4,5可知：試樣鐵素體帶中的長條狀非金屬夾雜物主要成分為MnS,鏈狀非金屬夾雜物的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、MgO等。 

圖  4  長條狀非金屬夾雜物的SEM形貌及能譜分析結果

圖  5  鏈狀非金屬夾雜物的SEM形貌及能譜分析結果

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗結果可知,裂紋附近存在的超長非金屬夾雜物主要成分為MnS。當鋼液中S元素含量較高時,鋼液在結晶器凝固過程中,S元素容易產生偏聚。S元素在鋼液中的擴散速率小于枝晶的生長速率,使凝固前沿部分區域的S元素含量偏高,形成了S元素偏析。鋼液中的Mn元素與形成偏析的S元素結合形成了MnS夾雜物,該夾雜物為塑性夾雜物,其在鑄坯軋制成鋼板的過程中容易沿軋制方向變形為長條狀。隨著鋼板溫度的降低,開始發生過冷奧氏體的轉變,先生成的鐵素體會以MnS夾雜物為形核點逐漸形成鐵素體膜,該鐵素體膜將硫化物包裹在其內部。在軋制結束后形成的鐵素體帶內部含有大量長條狀的硫化物[3－5]。鋼板中的MnS夾雜物與基體機械結合,結合處存在微小的間隙,鋼板中的夾雜物、氣體會在間隙處聚集,破壞鋼板基體的連續性。在鋼板折彎過程中,MnS夾雜物與基體的間隙處會產生應力集中。隨著鋼板進一步變形,MnS夾雜物與基體的間隙處開始產生孔洞,孔洞連接在一起會形成微裂紋,最終導致鐵素體變形,材料發生開裂。MnS夾雜物的存在會使位錯排斥力下降,形成剪切面平臺,進一步使裂紋擴展,最終導致鋼板產生折彎裂紋。 

當鋼液中的P元素含量較高時,鑄坯在凝固過程中容易在枝晶間發生偏聚,在鑄坯軋制成鋼板的過程中,P元素偏聚容易使材料形成帶狀組織,嚴重的帶狀組織會造成鋼板的冷彎性能變差[4]。鋼液中P元素的質量分數為0.027%,S元素的質量分數為0.035%,P、S元素含量超過標準要求；S元素含量過高使鋼中硫化物增多,在鋼板軋制過程中形成長條狀硫化物夾雜并分布在鋼板中,降低了鋼板冷彎性能；P元素含量過高容易加重鋼中帶狀組織傾向。 

3.   改進措施

加強轉爐操作。出鋼時將鋼液中氧元素質量分數控制為0.02%以下；嚴格控制出鋼溫度和出鋼下渣量,確保出鋼爐渣厚度不大于60 mm；在出鋼過程中加入適量的石灰,避免鋼液回磷。 

在鋼包爐精煉過程中,分別加入適量的石灰和精煉渣,將爐渣的堿度控制為4～5,加入鋁粒進行擴散脫氧,并適當延長白渣時間至25 min,以提高脫硫效果；精煉結束后保證軟吹時間大于8 min,使夾雜物上浮并被去除。 

在連鑄過程中,采用低過熱度進行澆鑄,減輕P、S元素的偏析程度。加強連鑄操作,以防止鋼液產生二次氧化；采用鋼包下渣檢測方法,避免鋼包渣流入結晶器內。 

4.   結論及建議

P元素的偏聚使Q460C鋼板存在嚴重的帶狀組織,且寬大的鐵素體帶中含有大量的硫化物；在對鋼板進行折彎加工時,硫化物處會產生應力集中,使夾雜物與基體之間產生間隙,隨著鋼板進一步變形,間隙會連接形成裂紋,最終導致鋼板在折彎過程中發生開裂。 

建議嚴格控制Q460C鋼的生產工藝,提高鋼液的純凈度,減少鋼中P、S元素的含量,嚴格控制鋼中硫化物夾雜的數量和形態,避免Q460C鋼板在加工過程中發生開裂。 

文章來源——材料與測試網