12MnNiVR鋼板拉伸試樣分層開裂原因分析

歐陽鑫，胡昕明，王儲，孫殿東，李廣龍

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

12MnNiVR鋼是一種用于制造大型原油儲罐的壓力容器高強度低合金鋼，其成分以C-Mn為基礎，添加少量Mo、V、Ni等合金元素。與國內外同類鋼種成分相比，由于合金元素含量減少，從而降低了碳當量，改善了焊接性能，同時提高了鋼的強韌性匹配度[1-3]。對一批12MnNiVR鋼板進行力學性能檢驗時，發(fā)現在部分橫向板拉伸試樣斷口處出現分層現象，鋼板斷后伸長率等力學性能降低。文中利用光學顯微鏡、掃描電鏡等檢測手段，對拉伸分層試樣進行金相組織觀察、夾雜物類型判定及夾雜物成分測定，確定12MnNiVR鋼板拉伸試樣產生分層的原因。

1 試驗材料

12MnNiVR鋼板生產工藝如下：

轉爐冶煉—板坯連鑄—板坯加熱一軋制—在線淬火—（堆垛）—探傷—回火。

試驗分析采用的12MnNiVR鋼拉伸分層試樣來自于調質熱處理后的鋼板。鋼板化學成分和力學性能分別見表1和表2。

從表中可以看出，分層鋼板的化學成分滿足標準要求，但斷后伸長率和沖擊性能明顯低于標準要求。拉伸試樣分層照片如圖1所示。

表1 試驗用12MnNiVR鋼的化學成分（質量分數） %

表2 試驗用12MnNiVR鋼的力學性能

圖1 12MnNiVR鋼拉伸試樣分層照片

2 試驗結果與分析

2.1 試驗方法

采用卡爾·蔡司ZEISS Aviovert 200 MAT金相顯微鏡和QUANT400型掃描電子顯微鏡對12MnNiVR鋼拉伸分層試樣分層處進行夾雜物形貌、分布和成分分析以及顯微組織觀察。

2.2 顯微組織分析

試樣的金相組織如圖2所示。

圖2 12MnNiVR鋼軋后顯微組織

由圖2可以看出，12MnNiVR鋼的顯微組織除了鐵素體和回火貝氏體，還存在一定量的回火索式體。回火索式體富集處為微觀組織的缺陷集中區(qū)域，其附近組織相對不均勻，形成嚴重的中心偏析帶，在拉伸過程中，應力集中于此。同時，裂紋容易在兩相界面萌生并沿中心偏析帶擴展，引起開裂[4]。

連鑄坯中C、Mn元素偏析較嚴重情況下，在富含C、Mn元素的局部區(qū)域，容易生成碳化物和MnS夾雜物，而在貧碳的局部區(qū)域，軋后冷速較快時則容易生成硬而脆的馬氏體組織[5]。這些也會產生中心偏析和大量夾雜，從而成為影響鋼板組織性能的主要因素。

2.3 夾雜物形貌、分布及成分分析

拉伸分層試樣經過研磨和拋光后，在光學金相顯微鏡下觀察其夾雜物的形貌特征，結果如圖3所示。可以看出，試樣有大塊條狀夾雜物。粗大的夾雜物容易沿軋向拉長呈條帶狀分布，此類夾雜物與晶界的接觸面是組織中的薄弱環(huán)節(jié)，容易在拉伸應力作用下產生應力集中[6]。

圖3 12MnNiVR鋼中的夾雜物形貌

利用場發(fā)射掃描電鏡對拉伸分層試樣斷口中的夾雜物形貌進行觀察，同時利用能譜儀對夾雜物的成分進行分析，其結果分別如圖4和圖5所示。圖4中箭頭指出的長條狀組織，主要富集在端口韌窩的中心，長度為15～25 μm，從形貌上判斷其為夾雜物。

圖5能譜分析證實，長條狀夾雜物為MnS。條帶狀MnS是塑性夾雜物，容易沿軋制方向拉長。在快冷過程中，由于夾雜物尖端應力急劇集中，使材料的橫向斷面收縮率和斷后伸長率急劇降低，導致材料力學性能降低，容易在拉伸過程中引發(fā)橫向裂紋，從而產生分層現象[7-8]。

圖4 12MnNiVR鋼中的夾雜物SEM圖

圖5 12MnNiVR鋼1號試樣分層處夾雜物能譜圖

由此可見，12MnNiVR鋼中的夾雜物是造成鋼顯微組織中出現集中微觀缺陷的主要原因，在拉伸過程中，應力容易在缺陷集中分布的顯微組織層面上富集，產生開裂和分層，影響斷后伸長率等力學性能。

通過上述分析手段，可以看出，在12MnNiVR鋼的連鑄坯冷卻結晶過程，主要合金元素C、Mn由于鋼坯內外冷卻速度不均，被擠壓到鑄坯中心處富集，形成中心偏析。在后期軋制的過程中，合金元素沒有充分固溶到晶粒中，而是繼續(xù)在晶界處偏聚，造成軋制后試樣中存在大量被拉長的條狀MnS夾雜物和條帶狀回火索式體組織偏析，從而形成鋼板心部微觀組織缺陷。在試樣拉伸過程中，微觀組織缺陷處將產生應力集中，致使拉伸試樣產生開裂和分層，大大降低鋼板的抗拉強度和斷后延伸率。

3 結論

（1）在拉伸過程中，應力集中于微觀組織中的中心偏析帶，裂紋在兩相界面萌生并沿中心偏析帶擴展，引起開裂；

（2）由于夾雜和偏析導致鋼板軋后冷卻速度較快時，生成硬而脆的馬氏體組織是影響鋼板組織性能的主要因素；

（3）條帶狀MnS是塑性夾雜物，在軋后快冷過程中，由于夾雜物尖端應力急劇集中，會使材料的橫向斷面收縮率和斷后伸長率急劇降低，在拉伸過程中引發(fā)橫向裂紋，從而產生分層現象。