摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法對 Q235B鋼中厚 板彎曲開裂的原因進行分析,結果表明:開裂的 Q235B鋼中厚板近表面存在氣泡,裂紋擴展和延伸 處存在嚴重的偏析和硫化物偏聚;在冷彎過程中的應力作用下,Q235B鋼中厚板近表面氣泡位置 首先形成裂紋源,裂紋沿著偏析帶及硫化物延展方向擴展,最終導致鋼板發生彎曲開裂。
關鍵詞:彎曲開裂;氣泡;成分偏析;帶狀組織;夾雜物
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)04-0054-03
Q235B鋼中厚板為主要的鋼鐵構建材料之一, 被廣泛應用于橋梁、船舶、汽車等多個領域。Q235B 鋼中厚板為基礎材料,在用戶的使用加工過程中,其 拉伸性能及彎曲性能十分重要。Q235B鋼中厚板 的可塑性較強,某厚度為8mm 的 Q235B鋼中厚板 在使用過程中出現縱向彎曲開裂現象,筆者采用宏 觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡(SEM) 分析等方法對其開裂原因進行分析,以避免該類問 題再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
Q235B鋼中厚板縱向彎曲開裂部位的宏觀形 貌如圖1所示。由圖1可知:鋼板彎曲后,受拉應 力較大的外弧表面出現開裂,裂紋向內擴展并與 1/4板厚位置相連接,1/4板厚位置肉眼可見嚴重 偏析。
1.2 化學成分分析
在 Q235B鋼中厚板縱向彎曲開裂部位及未彎 曲的正常部位分別截取試樣,利用直讀光譜儀對試 樣的化學成分進行分析,結果如表1所示。由表1 可知:該鋼板的化學成分符合技術要求。
1.3 金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析
沿垂直于裂紋方向及平行于裂紋方向分別取樣, 在光學顯微鏡下觀察試樣的組織及夾雜物,結果如圖 2所示。由圖2可知:開裂部位的缺陷由表面向板材 內部擴展,直至板厚的1/4處;裂紋向平行于板面的 反向繼續延伸,附近的小裂紋開口較寬,無擴展趨勢, 可明顯觀察到類圓形孔洞,疑似為皮下氣泡。
用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液對試樣進行 腐蝕,在光學顯微鏡下觀察 Q235B鋼中厚板彎曲開 裂處的縱截面,結果如圖3所示。缺陷處未觀察到 明顯氧化現象。在鋼板1/4厚度位置有明顯的偏 析,有較長的鐵素體條帶,并有大量淺灰色條形及顆 粒狀夾雜物聚集。
利用掃描電鏡及能譜儀對偏析帶中的淺灰色條 形及顆粒狀物質進行分析,結果如圖4所示,由圖4 可知:長條形淺灰色夾雜物為硫化錳。
2 綜合分析
Q235B鋼中厚板近表面存在孔洞,形狀近似橢 圓形,孔洞缺陷呈現出向鋼板內部擴展的形貌,且底 端圓鈍,可以判定鋼板表面下的孔洞缺陷為皮下氣 泡。鋼板內部的氣泡產生在軋制前,為連鑄板坯的 內部氣泡,其產生原因有3種:脫氧不良導致的CO 氣泡、氬氣氣泡以及水蒸氣分解成的含 H、O 元素 的氣泡。結合現場工藝控制情況,可以排除脫氧不 良導致的CO氣泡;同時,連鑄過程中添加的原輔料 水含量均在要求范圍內,在孔洞缺陷處無氧化痕跡, 且未發現氧化物,因此可排除氧氣泡。氫元素在固 態鋼中的溶解度非常小,其對軋制后鋼板造成的缺 陷主要為白點和層狀斷口,不會以孔洞形貌存在于 鋼板近表面位置,進而排除氫氣泡。對照現場工藝 及參數,在鋼板的連鑄生產過程中,氬氣的流量并不穩定,判斷該皮下氣泡為氬氣氣泡。在連鑄坯加熱 的過程中,近板坯表層的氬氣氣泡能夠排出,內部的 部分氣泡則隨著軋制過程釋放出來,其余氣泡則留 在鋼板近表面位置,形成鋼板表面皮下氣泡。在鋼 板的彎曲過程中,受表面拉伸應力的作用,氣泡擴展 并暴露在鋼板表面,在壓應力作用下鋼板出現裂紋。
在 Q235B鋼中厚板內部1/4厚度位置存在嚴 重的偏析帶,在較長的鐵素體條帶上聚集著大量的 硫化錳夾雜物,這是由于連鑄過程中電磁攪拌參數 控制不合理,在原始板坯內部的合金元素未充分擴 散,造成成分偏析[1],硫化物的偏聚往往伴隨著組織 偏析且存在于偏析帶中。硫化錳夾雜物具有較好的 熱塑性,在軋制過程中,該夾雜物沿著鋼板的軋制方 向延伸后變成了條帶狀,鐵素體優先在該處形核長 大,形成了鐵素體條帶,因此出現了嚴重的帶狀組 織。帶狀組織造成鋼板內部1/4厚度位置的顯微硬 度分布不均,在彎曲受力過程中,鋼板產生應力集 中,在兩相交界處鋼板開裂。同時,硫化錳夾雜物的 存在破壞了基體的連續性[2],硫化錳夾雜物與金屬 基體的熱膨脹系數不同,鋼板軋制冷卻后,硫化錳夾 雜物與金屬基體之間存在間隙[3],在彎曲外力的作 用下,間隙進一步擴展,造成鋼板內部1/4厚度位置 發生開裂。在鋼板彎曲變形的過程中,鋼板表面的 氣泡開裂并向內部擴展,與鋼板內部1/4厚度位置的裂紋連接在一起,導致其彎曲開裂。
3 結語及建議
Q235B鋼中厚板近表面位置有皮下氣泡,為氬 氣氣泡,在彎曲過程中,在應力作用下其表面發生開 裂。Q235B鋼中厚板1/4厚度位置偏析嚴重,帶狀 組織上硫化錳夾雜物聚集,在彎曲受力過程中,裂紋 與表面缺陷連接并貫穿到表面,造成鋼板彎曲開裂。
為了有效解決這一問題,建議對現場生產工藝 進行如下改進。
(1)在連鑄過程中,嚴格控制工藝參數,確保氬 氣流量穩定,保證吹氬質量,在中間包確保氬氣充分 上浮。
(2)在連鑄的過程中,控制電磁攪拌的參數,有 效去除合金元素的偏析,確保鑄坯內部成分均勻。
參考文獻:
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