高強鋼S700MC拉伸斷口分層現象研究

徐勇

【摘 要】為將本鋼新建的世界上最先進的2300熱連軋機組裝備優勢轉化為先進的技術優勢和擴大高強鋼產品市場份額，通過合理設計的合金成分，采用TMCP技術生產的高強度合金鋼S700MC，在拉伸試驗過程中其斷口出現分層缺陷，采用金相方法對缺陷部位進行分析，是由于鑄坯在凝固過程中C、Mn等元素的中心偏析以及氧化物夾雜所造成的，通過對煉鋼工藝和軋鋼工藝的優化可控制拉伸斷口分層現象的發生。

【關鍵詞】S700MC 高強鋼 斷口分層

1 引言

隨著工程機械向裝備大型化、輕量化及重載荷等方向的發展，高強度鋼使用比例和質量要求都有較大提高，國內高強度工程機械用鋼的研發及生產已取得快速進展，對高強鋼的質量和強度要求越來越高。S700MC屬于屬低碳微合金冷成型用鋼，采用了鈮、鈦微合金化和控軋空冷技術，廣泛用于工程機械和車輛結構等領域。

目前，600MPa級及以上的高強熱軋卷板按的強化機制主要有兩種，一是低碳貝氏體系列，其特點是在低C或是超低碳的基礎上加一定貝的Mn、Mo、B、Nb、Cr等合金元素，其組織是細的低碳貝氏體組織。這類鋼的優點是有好的低溫沖擊性能，缺點是生產難度大，需要較低的卷取溫度，板卷性能波動大；二是析出強化系列，其特點是在C-Mn鋼的基礎上加一定量的Nb、Ti等微合金元素。析出強化系列的優點是成形性能好，容易生產。目前，絕大多數高強板采用析出強化，本論文的高強鋼S700MC就屬此第二系列[1]。

2 試驗材料與拉伸斷口分層現象

2.1 S700MC化學成分及力學性能

S700MC鋼合金成分執行標準EN10149-2，化學成分見表1，鋼卷卷取8小時以后取樣，要求在尾部3米，板寬1/4處取樣，鋼板厚度12.6mm，進行縱向拉伸、沖擊和橫向冷彎實驗，各項性能指標均滿足S700MC標準要求，實際測量現場生產樣品，屈服強度和抗拉強度分別為735和850MPa，伸長率18.5%，-20℃沖擊功大于70J，冷彎性能良好。

表1 S700MC鋼化學成分

Table 1 Chemical composition of S700MC /%

成分 C Si Mn P S Alt Nb Ti V Nb+Ti+V Mo

產品成分 0.056 0.16 1.76 0.017 0.001 0.05 0.055 0.13 0.004 0.189 0.15

2.2 拉伸斷口形貌及分析

S700MC的拉伸試樣，見圖1，通過進行金相分析，S700MC的組織為貝氏體加鐵素體，見圖2，因硬脆相貝氏體體積含量大，鋼板存在較大的殘余應力。

在拉伸試樣斷口處取樣進行金相分析，經過研磨拋光后，利用金相顯微鏡和掃描電鏡對試樣斷口處夾雜物以及C、Mn的偏析進行觀察，見圖2，發現中心存在嚴重的偏析，呈明顯的帶狀分布，通常，鋼液在連鑄坯冷卻凝固過程中以樹枝晶的方式長大，由于選擇結晶，造成晶內和枝晶間的化學成分不均勻，枝晶間富集了較多的碳、合金元素及硫、磷等雜質。連鑄坯加熱時，碳作為間隙固溶原子在奧氏體內部擴散分布較均勻，而置換固溶原子錳均勻化較困難，枝晶偏析難以徹底改善，在軋制過程中，鑄坯的枝晶偏析逐步轉變為成品卷板的帶狀偏析[2]。對拉力分層處中心試樣重新拋光，進行夾雜物分析，發現中心存在夾雜物，檢測分析其中B類夾雜物達2.5級，D類和Ds類分別為1.0和1.5級，這也是導致拉伸斷口分層的主要原因。

圖1 S700MC拉伸斷口 圖2 S700MC心部顯微組織（厚度方向）

Fig.1 Tensile fracture of S700MC Fig.2 Microstructure in the1/4 position（thickness direction）

3 S700MC鋼拉伸斷口分層的控制措施

以上研究表明，拉伸斷口分層的產生的根本原因是連鑄坯澆注鋼水在凝固過程中合金元素產生的中心偏析造成的，通過優化煉鋼和軋鋼工藝可以加以控制其斷口分層缺陷的形成。

3.1 煉鋼工藝優化

連鑄坯澆注過程中的鋼水過熱度、拉速、扇形段輥道開口度及夾雜物控制等因素直接影響連鑄坯中心偏析。鋼水過熱度是影響等軸晶比例的重要因素。非金屬夾雜物，特別是硫化物、氧化物夾雜的偏聚對鋼材的性能產生惡劣影響，嚴重降低鋼材的塑性、韌性[3]。

針對以上因素，對煉鋼工藝進行了以下優化：

（1）中包過熱度控制在10～30℃，鑄坯拉速保持1.0m/min 恒速澆鑄。

（2）采用輕壓下以及電磁攪拌技術，以減輕鑄坯中心偏析。

3.2 軋制工藝優化

優化軋制工藝主要目的是改善板坯中心偏析對鋼卷中心分層的影響和細化鐵素體晶粒，促進Ti（C、N）和Nb（C、N）的彌散析出，細化晶粒，提高產品強韌性，粗軋采用大壓下工藝，將粗軋的3+5 道次調整為3+3 道次，以及降低冷卻速率等。

4 結語

（1）S700MC鋼板拉伸斷口分層產生的主要原因是連鑄坯存在C和Mn等元素產生的中心偏析，使脆性相貝氏體在中心碳、錳偏析的區域優先形成，從而造成整個斷面組織產生較大的差異。

（2）煉鋼工藝可采取控制澆注鋼水過熱度、降低鑄坯拉速、采用動態壓下或電磁攪拌；軋制工藝粗軋采用大壓下工藝，將粗軋的3+5 道次調整為3+3道次和降低冷卻速率等控制措施避免或減輕S700MC鋼板拉伸斷口分層。

參考文獻：

[1]陸匠心.700MPa級高強度微合金鋼生產技術研究[D].東北大學博士學位論文，2004.

[2]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2007.74-76.

[3]任吉堂.連鑄連軋理論與實踐[M].冶金工業出版社，2002.107-108.