Q235B厚板拉伸檢測不合格原因分析與改進

廖衛(wèi)團，彭海京

（寶武集團廣東韶關鋼鐵有限公司）

1 前言

Q235B是中厚板中的常用產品，拉伸檢測的屈服強度、抗拉強度、伸長率是重要評價指標。為滿足市場需要，自2016年韶鋼開始將生產的45、50mm厚規(guī)格板全部改為提供性能交貨，即按GB/T700要求，提供拉伸、冷彎、沖擊試驗性能。前期實際檢測冷彎、沖擊均符合要求，但厚規(guī)格板的拉伸檢測初檢合格率波動大，有段時期嚴重偏低，最低只有68%。拉伸檢測不合格造成鋼板交貨不及時、鋼板在倉庫壓堆等，復檢仍不合格則判為廢品，需要對訂單進行補軋，嚴重影響生產計劃安排。

為此，對Q235B厚板拉伸檢測不合格的產品取樣從材料的組織、工藝幾個方面進行分析，提出了針對性改進措施，措施逐項實施固化后，厚規(guī)格板拉伸檢測初檢合格率提高至99.5%以上。

2 拉伸檢測不合格原因分析

2016年初期，厚板拉伸試驗檢測初檢合格率嚴重偏低且波動大，最低時段初檢合格率僅為68%，而有些時段初檢合格率可達99.2%。對初檢不合格試樣，按標準規(guī)定取雙倍樣進行復檢，仍有約五分之一批次復檢拉伸檢測不合格。初檢和復檢拉伸不合格的試樣檢測結果主要表現(xiàn)為：拉伸曲線無屈服平臺（屈服值高）、抗拉超上限、伸長率偏低。

材料的性能是由其組織決定，影響組織的因素包括成分、生產工藝、試樣加工工藝，試樣檢測過程也會影響檢測結果。從這幾方面對Q235B厚板拉伸檢測不合格的產品進行試驗分析，探究解決措施。

2.1 關于產品成分

中厚板作為一種熱軋產品，性能波動往往與冶煉過程中發(fā)生的化學成分波動有關。因而對45mm、50mm規(guī)格Q235B的化學成分進行分析。表1是2016年全部試樣的分析結果。

表1 試樣化學分析結果

從表1可看出，產品化學成分均在標準范圍內，且波動不大。因而認為，初驗不合格不是由冶煉成分的明顯波動造成的。

2.2 組織分析試驗結果

Q235B屬于C-Mn鋼，影響拉伸性能的最主要因素是整體組織形貌、鐵素體晶粒大小以及基體中第二相或夾雜物的種類。因而利用金相顯微鏡和掃描電鏡對性能出現(xiàn)波動典型試樣和性能合格試樣進行了組織形貌、鐵素體晶粒度級別及夾雜物的對比。結果發(fā)現(xiàn)，性能不合格的試樣中，在鋼板上下表面存在不同厚度的貝氏體組織，而性能合格的試樣組織較為均勻，晶粒度評級也略有差別。而夾雜物水平和基體中第二相等結果，性能合格樣與不合格樣對比，大體相當。如圖1、圖2所示。

圖1 存在貝氏體組織（鋼板下邊緣）×100

圖2 正常F+P組織×100

2.3 冷卻工藝參數(shù)對組織性能影響的分析結果

根據組織分析結果，拉伸不合格試樣上下表面存在不同厚度的貝氏體組織。對于Q235B這類典型的C、Mn鋼，多年來軋制生產中對變形制度、軋程溫度控制改動不大。軋后冷卻裝置于2014年改造為超快冷方式，并將鋼板冷卻策略按超快冷需求進行了修改，強調較低的返紅溫度，按670±30℃進行控制。對于45mm、50mm這些較厚鋼板，為達到要求的返紅溫度，鋼板進入冷卻區(qū)時的冷卻水量更大，鋼板上下表面急冷，從而在鋼板近表面出現(xiàn)貝氏體組織層，一般為數(shù)毫米厚度。

資料表明[3]，拉伸試樣的宏觀韌性斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成，斷口特征的三要素，見圖3。絕大部分拉伸檢測合格批次試樣的宏觀斷口符合韌性斷裂特征三要素，其微觀特征有典型的韌窩形狀。但拉伸檢測不合格批次試樣，宏觀斷口纖維區(qū)和剪切唇區(qū)不明顯，微觀特征為解理斷口，可判斷為晶間斷裂引起。根據甄納-斯特羅位錯塞積理論，由于C、Mn鋼中不均勻的貝氏體存在，拉伸檢測過程在滑移面上的切應力作用下，刃型位錯互相靠近。當切應力達到某一臨界值時，塞積頭處的位錯互相擠緊聚合而成為一高為nb長為r的楔形裂紋（或孔洞位錯）。斯特羅（A.N.Stroh）指出，如果塞積頭處的應力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處的最大拉應力能夠等于理論斷裂強度而形成裂紋。

圖3 拉伸試樣的宏觀韌性斷口示例

解理斷裂過程包括：通過塑性變形形成裂紋、裂紋在同一晶粒內初期長大、以及越過晶界向相鄰晶粒擴展三個階段。

解理裂紋可以通過兩種基本方式擴展導致宏觀脆性斷裂。第一種是解理方式，裂紋擴展速度較快，如脆性材料在低溫下試驗就是這種狀況。

第二種方式是在裂紋前沿先形成一些微裂紋或微孔，而后通過塑性撕裂方式互相聯(lián)結，開始時裂紋擴展速度比較緩慢，但到達臨界狀態(tài)時也迅速擴展而產生脆性斷裂。

圖1可見，拉伸檢測不合格試樣的貝氏體組織分布不均勻，屬于過冷奧氏體在中溫相變的產物，為不典型上貝氏體，表現(xiàn)為脆性，硬度較高，拉伸斷口表現(xiàn)為典型的解理特征，解理過程符合第二種方式。這些解理特征是造成拉伸曲線無屈服平臺（屈服值高）、抗拉超上限、伸長率偏低的主要因素。

2.4 試樣加工工藝分析

厚規(guī)格試樣加工工藝執(zhí)行GB/T2975要求。韶鋼檢測中心擁有WE系列液壓式萬能試驗機、WAW系列微機控制電液伺服萬能試驗機等多臺，其中有2臺最大拉伸試驗力達2000kN，對于45mm、50mm的Q235B等鋼板，具備拉伸全厚度試樣的能力。2016年改為全部保性能交貨時，為了便于與船板等鋼種管理的需要，根據GB/T 228和GB/T 2975要求，采用φ10mm圓形試樣（圖4）。

加工圓形試樣的流程為：鋸切為約20×20mm的長方條—車削為φ15mm圓棒—中部再車削為φ10mm的檢測試樣

圖4 φ10mm圓形試樣

該兩次車削過程，造成試樣需檢測部分存在較多的加工硬化，即存在殘余應力。結果表明，這種加工硬化，對拉伸檢測同樣會帶來拉伸曲線無屈服平臺（屈服值高）、抗拉超上限、伸長率偏低的后果。因此認為試樣加工工藝是影響因素之一。

2.5 試樣拉伸檢測過程分析

試樣在拉伸機的拉伸過程主要包括安裝試樣、進行加載測出材料的屈服載荷、最大載荷等，其中加載過程是影響拉伸檢測結果的重要參數(shù)。提高加載速率如同降低溫度，使金屬材料脆性增大，韌脆轉變溫度提高。加載速率對鋼脆性的影響和鋼的強度水平有關，一般中、低強度鋼的韌脆轉變溫度對加載速率比較敏感。韶鋼采用等速拉伸法，作業(yè)指導書有明確的規(guī)定，操作中執(zhí)行良好。因此認為試樣拉伸檢測過程不是主要的影響因素。

3 改進措施

通過分析，結合其他廠家經驗，進行了系列試驗：最先考慮弱化冷卻、圓樣時效。弱化冷卻和圓樣時效是一個漸進過程，返紅溫度自原目標670℃提升至720℃、再至780℃；圓樣自最初不時效，改為時效24h、再至48h。初驗合格率逐步提高但只有約95%，并且圓樣時效過長，導致鋼板交貨不及時，不能滿足要求。

根據拉伸檢測裝備能力，將45mm、50mm規(guī)格試樣改為全厚度直條試樣，試樣加工流程對應為：鋸切—銑平試樣兩個側面，這樣就消除了車削的加工硬化問題。通過優(yōu)化調整，并形成了針對性的固化措施。

3.1 鋼板軋制工藝的固化

Q235B厚度規(guī)格40mm＜厚度≤50mm精軋開軋溫度≤870℃，終軋溫度 810～840℃，返紅溫度＞780℃。強調較低的精軋開軋溫度，有利于細化晶粒[2]。資料表明，在多晶體材料中，由于晶界兩邊晶粒取向不同，晶界成為原子排列紊亂的區(qū)域，當塑性變形由一個晶粒橫過晶界進入另一個晶粒時，由于晶界阻力大，穿過晶界困難。材料的晶粒愈細，則晶界面積就愈大，產生一定塑性變形所需要消耗的能量就更大，韌性更高。細化晶粒也有強化作用，所以，細化晶粒是使強度和韌性同時提高的有效手段。

3.2 鋼板冷卻工藝的固化

Q235B板冷卻模式采用間隔冷卻，根據水溫及氣溫情況，可以選擇冷卻區(qū)的后端1組到2組，減弱冷卻因素，從而提高厚度方向冷卻均勻性。

3.3 加工全厚度試樣進行檢測

先實施40mm＜厚度≤45mm規(guī)格板，效果良好，全部試樣都沒出現(xiàn)拉伸曲線無屈服平臺（屈服值高）現(xiàn)象，連續(xù)保持初檢性能合格率達100%。后推廣至≤50mm規(guī)格產品，也沒有出現(xiàn)拉伸曲線無屈服平臺（屈服值高）現(xiàn)象，只是個別檢驗批出現(xiàn)伸長率低于下限需要復檢。

目前，Q235B厚度40mm～50mm鋼板初檢性能合格率已達到99.5%以上，組織觀察也未見貝氏體組織。有關措施已納入現(xiàn)行工藝卡。

4 結語

（1）原規(guī)定返紅溫度670±30℃偏低，鋼板上下表面出現(xiàn)貝氏體層，拉伸斷口表現(xiàn)為典型的解理特征，是造成拉伸曲線無屈服平臺（屈服值高）、抗拉超上限、伸長率偏低的主要因素。生產工藝改為弱冷即規(guī)定返紅溫度＞780℃后，再沒有出現(xiàn)貝氏體層。

（2）圓樣加工出現(xiàn)試樣表面硬化，改為全厚度試樣后，消除了加工硬化的影響。

（3）明確精軋開軋溫度和終軋溫度控制要求，保證鋼材晶粒細化，進一步提高了拉伸檢測合格率。