Q355B鋼板拉伸斷口分層原因及改善措施

祁敏翔, 仲陽陽, 李振興, 宋繼強, 王 博

(日鋼營口中板有限公司, 營口 115000)

Q355B鋼屬于低合金鋼，具有較好的綜合力學性能，主要用于橋梁、管道等行業。在對某廠生產的40 mm厚Q355B鋼板進行拉伸試驗時，發現其拉伸斷口分層嚴重，說明鋼板的抗層狀撕裂性能較差，在實際應用中會造成較大的安全隱患，因此使產品無法按合同正常交付，使企業的經濟效益受損。

筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、拉伸試驗、熱酸蝕檢驗、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法，分析了Q355B鋼板拉伸斷口分層的原因，以期避免該類缺陷的再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

由圖1可見，斷口分層位置在鋼板厚度中心區域，開裂口較長，幾乎使鋼板完全分裂為兩部分。

圖1 Q355B鋼板拉伸斷口不同位置的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對Q355B鋼板的化學成分進行分析。由表1可見，其化學成分符合GB/T 1591-2018《低合金高強度結構鋼》標準對Q335B鋼的技術要求。

表1 Q355B鋼板的化學成分

1.3 拉伸試驗

在Q355B鋼板上截取試樣進行拉伸性能測試。由表2可見，其拉伸性能符合GB/T 1591-2018標準對Q335B鋼的技術要求。

表2 Q355B鋼板的拉伸性能

1.4 熱酸蝕檢驗

在Q355B鋼板拉斷試樣原取樣位置的附近重新取樣，記為未拉伸試樣，對拉斷試樣和未拉伸試樣橫截面進行熱酸蝕檢驗。

由圖2可見，兩個試樣均存在粗大的柱狀晶組織，距離鋼板中心區域越近，晶粒越粗大，同時，試樣厚度中心處存在嚴重的未軋合的偏析、縮孔、疏松和裂紋。

圖2 Q355B鋼板拉斷試樣和未拉伸試樣的熱酸蝕低倍組織形貌

1.5 金相檢驗

1.5.1 顯微組織觀察

用4%(體積分數)硝酸酒精溶液對Q355B鋼板拉斷試樣和未拉伸試樣進行腐蝕后，采用光學顯微鏡觀察其顯微組織。

由圖3可見，試樣基體組織為鐵素體+珠光體，兩個試樣板厚中心區域均存在條帶狀貝氏體，貝氏體中有微裂紋，微裂紋的擴展方向與分層裂口的擴展方向一致。

圖3 Q355B鋼板拉斷試樣和未拉伸試樣不同區域的顯微組織

1.5.2 夾雜物檢驗

在拉斷試樣和未拉伸試樣上取樣進行夾雜物檢驗。

由圖4可見，兩個試樣均存在微裂紋，且微裂紋內部及其附近均有較多的淺灰色夾雜物。

圖4 Q355B鋼板拉斷試樣和未拉伸試樣的夾雜物形貌

1.6 掃描電鏡及能譜分析

采用掃描電鏡和X射線能譜儀(EDS)對Q355B鋼板斷口及橫截面中心區域裂紋中的夾雜物進行分析。

由圖5可見，該區域的夾雜物為易變性的硅酸鹽夾雜物2MnO·SiO2和硫化物MnS，2MnO·SiO2的性能與MnS的性能相似，夾雜物尺寸約為20 μm。

圖5 Q355B鋼板斷口及橫截面中心區域裂紋中兩種夾雜物的EDS分析位置和分析結果

對Q355B鋼板基體和板厚中心貝氏體區域進行了微區成分分析，結果見表3。可知Q355B鋼板中心貝氏體區域的碳、硅、錳元素偏析嚴重，這與熱酸蝕檢驗結果相一致。

表3 Q355B鋼板基體和板厚中心貝氏體區域的EDS分析結果

2 分析與討論

通過以上檢驗結果可知，Q355B鋼板拉伸斷口分層與鋼板內部缺陷有關，這些缺陷來源于鋼板原材料。

通過熱酸蝕檢驗結果可知，Q355B鋼板內部柱狀晶組織較粗大，且板厚中心處存在偏析、縮孔、疏松和裂紋，這些缺陷均來源于原材料連鑄坯。在二次冷卻過程中，連鑄坯表面與心部有較大的溫度梯度，形成垂直表面的單向傳熱，晶體最快生長方向是向中心優先生長，向其他方向生長的晶體受到彼此妨礙而被抑制，最終形成柱狀晶區[1]。連鑄坯組織中的柱狀晶越粗大，越易產生搭橋現象，如果液體金屬得不到及時補充，就會形成中心疏松或縮孔，隨之產生嚴重的中心偏析。另外，連鑄坯經噴水冷卻后進入輻射冷卻區，其表面溫度回升，坯殼受熱膨脹，當應變超過該處應變極限時，就會在粗大的柱狀晶間產生裂紋。

通過掃描電鏡及能譜分析結果可知，Q355B鋼板中心貝氏體區域的碳、硅、錳元素含量比基體中的含量高很多，這與熱酸蝕檢驗結果相一致。

夾雜、疏松、氣孔、中心偏析、帶狀組織均可導致拉伸斷口分層[2]。中心裂紋的產生主要有以下幾個原因。

(1) 碳、錳元素偏析會使過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線(CCT曲線)右移，進而使過冷奧氏體的穩定性升高，在一定的冷卻速率下，有可能會形成貝氏體組織，在貝氏體轉變過程中其體積變化與基體組織產生差異，使鋼板內部產生應力而形成裂紋。

(2) 在軋后冷卻過程中，鋼板表層和中心的冷卻速率不同，會產生熱應力，進而產生裂紋。

(3) 鋼板厚度中心區域存在的夾雜物會破壞金屬連續性，造成應力集中，微裂紋會在夾雜物與基體界面處產生，隨著拉伸變形的不斷進行，裂紋逐漸擴展；有研究顯示[3]，當鋼中硫的質量分數降低到0.02%以下，夾雜物尺寸控制在5 μm以下時，可有效減少斷口分層缺陷；如圖4所示，該Q355B鋼板中的夾雜物尺寸偏大，這不利于對裂紋和分層缺陷的控制。

(4) 縮孔、疏松缺陷會使連鑄坯在軋制過程中出現絞線狀裂紋。

綜上所述，Q355B鋼板拉伸斷口出現分層現象的主要原因是連鑄坯厚度中心處存在縮孔、疏松、偏析和夾雜物缺陷，導致鋼板產生中心裂紋，在拉伸試驗過程中，裂紋處會產生應力集中，隨著變形量的不斷增加，裂紋不斷擴展，最終形成斷口分層現象。

在拉伸試驗過程中，試樣在塑性變形時內部為三軸應力狀態，當沿板厚方向的應力超過開裂應力極限值時，就會發生平行于軋制面的斷口分層開裂[4-5]。因此，降低板厚方向的應力集中是解決鋼板拉伸斷口分層現象的有效途徑，主要包括以下幾種解決措施。

(1) 降低鋼水過熱度，保證過熱度低于25 ℃，減少柱狀晶比例，將縮孔、疏松和中心裂紋等缺陷級別控制在較低水平。

(2) 在煉鋼過程中，結晶器出口到拉矯機之間的二次冷卻區采用弱冷方式，合理分配二次冷卻區各冷卻段的水量，增加等軸晶比例。

(3) 合理選擇連鑄拉坯速率與澆鑄溫度。

(4) 加大各道次壓下量，保證變形滲透率，減少或消除連鑄坯內部縮孔和疏松等缺陷。

(5) 適當提高軋制溫度，降低冷卻速率[6]。

(6) 軋后采用堆垛緩冷(多張鋼板堆垛進行冷卻，降低冷卻速率)，減輕相變應力、熱應力等對微裂紋形成的影響。

(7) 采用電磁攪拌和輕壓下技術，以改善柱狀晶搭橋現象和補償凝固收縮。

3 結論及建議

(1) Q355B鋼板拉伸斷口出現分層現象的主要原因是連鑄坯厚度中心處存在縮孔、疏松、偏析和夾雜物缺陷，導致鋼板產生中心裂紋，在拉伸試驗過程中，裂紋處產生應力集中，隨著變形量的不斷增加，裂紋不斷擴展，最終形成斷口分層現象。

(2) 在適當調整連鑄坯澆注及鋼板軋制工藝參數(如過熱度、二次冷卻速率、拉坯速率、道次壓下率和軋制溫度等)后，采用電磁攪拌和輕壓下技術以及軋后緩冷等措施，Q355B鋼板拉伸斷口不合格率由6.82%降低至0.84%，并穩定在1%以下。