Q550D鋼拉伸試樣斷口分層原因

牛盼杰, 陳艷偉, 曾宋文

(1.寶武集團鄂城鋼鐵有限公司質(zhì)檢中心, 鄂州 436000； 2.河南工業(yè)大學漯河工學院, 漯河 462000； 3.武漢理工大學 材料科學與工程學院, 武漢 430000)

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼具有較高的屈服強度、良好的焊接性能和冷加工性能，特別是在板厚方向上的塑性良好，其還具有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，廣泛應(yīng)用于建筑、高壓容器、工程機械等行業(yè)。

Q550D鋼屬于低合金高強度鋼，其在生產(chǎn)制備時采用控制軋制和控制冷卻工藝，微合金元素使鋼中的奧氏體在轉(zhuǎn)變之前的熱變形過程中達到了合理的組織狀態(tài)，在轉(zhuǎn)變后能夠得到更細小的鐵素體晶粒，在提高強度的同時保持良好的韌、塑性，能夠在保證使用和安全性能的前提下，降低構(gòu)件的體積和質(zhì)量。

筆者單位開發(fā)Q550D鋼寬厚板過程中，在進行力學性能試驗時發(fā)現(xiàn)拉伸試樣的斷口出現(xiàn)分層，從而造成斷后伸長率不符合標準要求，導(dǎo)致需要進一步通過熱處理來改善其力學性能，這既影響了公司的效益，又加重了成本負擔。筆者對出現(xiàn)斷口分層的試樣進行了一系列檢驗和分析，找出了分層原因，提出了適當改善措施，進而提高Q550D鋼的合格率。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

拉伸試樣斷口分層的宏觀形貌如圖1所示。可見試樣斷口處沿厚度1/2位置形成V字形裂口，深入基體內(nèi)部。分析認為，試樣在受到拉伸載荷作用時，裂紋前端三維應(yīng)力場中沿層合板厚度方向的主應(yīng)力作用于層合面上，層合面發(fā)生分離，并促使該次生裂紋沿著層合面擴展，造成主裂紋淺緣局部平面應(yīng)變狀態(tài)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生分層韌化。裂紋源由較為薄弱的厚度1/2處始發(fā)，在拉伸應(yīng)力持續(xù)作用的過程中由平面應(yīng)力占主導(dǎo)造成裂紋沿著厚度1/2平面擴展，直至試樣斷裂，形成圖1中所示斷口形貌。

1.2 金相檢驗

取拉伸試樣斷口處的未變形區(qū)域的樣塊，制備縱向和橫向金相試樣進行分析。經(jīng)過拋光后，縱向截面金相試樣拋光面上厚度1/2處可見貫穿整個視場的B類夾雜物，如圖2a)所示。進一步經(jīng)過4%(體積分數(shù))硝酸酒精浸蝕后的試樣，其形貌如圖2b)所示，可見橫截面金相試樣在厚度1/4和3/4處有較嚴重的條帶組織分布，且條帶顏色深淺不一。

圖2 縱截面金相試樣宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of longitudinal section metallographic sample: a) class B inclusions; b) strip structure

金相試樣表面顯微組織形貌如圖3a)所示，可見試樣表面顯微組織為馬氏體+貝氏體。試樣厚度1/2處的顯微組織形貌如圖3b)所示，為粒狀貝氏體+少量板條狀貝氏體+少量馬氏體+少量塊狀鐵素體。試樣厚度1/4處的顯微組織如圖4所示，可見有明顯的組織條帶，顏色較暗，為粒狀貝氏體+板條狀貝氏體+少量馬氏體。

圖3 拉伸試樣不同位置處的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology at different positions of the tensile sample: a) surface; b) at 1/2 thickness

圖4 拉伸試樣1/4厚度處的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology at 1/4 thickness of the tensile sample: a) at low magnification; b) at high magnification

1.3 硬度測試

對橫向斷面金相試樣采用顯微維氏硬度計沿試樣厚度方向每隔1.5 mm進行維氏硬度分析，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果可見試樣厚度上、下1/4處的維氏硬度明顯高于1/2處的。

圖5 橫向金相試樣沿厚度方向的硬度分布曲線Fig.4 Hardness distribution curve of transverse metallographic sample along thickness direction

1.4 能譜分析

通過能譜儀對橫向金相試樣上、下1/4處的組織條帶進行分析，結(jié)果表明條帶內(nèi)的硅元素和錳元素偏析較為嚴重，相應(yīng)的含量分別達到了1.2%(質(zhì)量分數(shù))和3.0%(質(zhì)量分數(shù))。

2 分析與討論

結(jié)合斷口宏觀形貌和夾雜物分析可知，試樣的心部區(qū)域有大量的B類夾雜物，B類夾雜物屬于脆性相，在試樣受到拉伸外力作用時，易出現(xiàn)斷裂，起到裂紋源的作用，同時夾雜物降低了鋼基體組織的連續(xù)性。可以認為，在外力作用下，夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中而引起塑性變形難以持續(xù)，于是夾雜物周圍產(chǎn)生大量位錯環(huán)，當位錯環(huán)在外力作用下到達夾雜物和基體的界面時，界面分離產(chǎn)生微孔，破壞了鋼基體的連續(xù)性，微孔不斷長大和聚合就形成了顯微裂紋。在外力的作用下，裂紋逐漸向周圍擴展，隨著裂紋的不斷聚合長大，沿一定的晶界而發(fā)展，形成解理面并迅速擴張形成斷裂。

再結(jié)合金相檢驗結(jié)果可知，試樣的上、下1/4處存在明顯的偏析帶和組織條帶，而且從1/4處至1/2處的組織顏色由暗轉(zhuǎn)淺。結(jié)合厚度方向的硬度分布情況及能譜分析結(jié)果，試樣厚度的上、下1/4處的維氏硬度明顯高于1/2處的，且上、下1/4處存在較嚴重的硅元素和錳元素偏析。該試樣沿厚度方向的組織不均勻，粒狀貝氏體、板條貝氏體、馬氏體、塊狀鐵素體混合組織呈條帶分布。試樣上、下1/4處顯微組織為大量貝氏體+少量馬氏體，造成強度偏高而塑性較差，試樣的心部區(qū)域為大量的粒狀貝氏體+少量馬氏體+塊狀鐵素體，造成心部強度偏低而塑性較好。夾雜物與基體界面產(chǎn)生的裂紋源，在擴展過程中會向著基體較薄弱、變形抗力較小的部位擴展，即向試樣的心部擴展。造成拉伸試驗斷口處沿1/2界面形成組織剝離，即形成斷口分層。

3 結(jié)論及建議

板坯在連鑄過程中采用了不當?shù)倪B鑄工藝，導(dǎo)致連鑄鋼坯在上、下1/4處形成成分正偏析，在1/2處形成負偏析，加大了雜質(zhì)元素在心部的富集。軋制成鋼板后，在鋼板的1/4厚度處有嚴重的貝氏體偏析帶，在心部區(qū)域有大量的B類夾雜物。最終導(dǎo)致拉伸試樣斷口沿1/2界面處形成斷口分層。

建議通過提高鋼液純凈度、優(yōu)化連鑄工藝來改善偏析。采用合適的回火工藝，對已經(jīng)產(chǎn)生拉伸斷口分層的鋼板進行回火熱處理，以解決拉伸試樣斷口的分層問題。