低合金高強鋼拉伸斷口分層的原因分析

陳 萌，孫 乾，白 瑩，劉亞儒，徐延嶺，吳 群

（1 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104；3 山東金鼎集團有限公司，山東 濟南 271104）

1 前 言

低合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上，為了優(yōu)化基體性能，加入一種或幾種合金元素，但合金元素總量小于5%的合金鋼，因其具有較好的工藝性能，廣泛應(yīng)用于工程機械、橋梁、建筑、船舶、壓力容器等各行業(yè)[1］。拉伸試驗是檢驗鋼鐵材料的屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率等拉伸性能的常用方法[2］。當?shù)秃辖痄摌舆M行拉伸試驗，斷口橫截面處出現(xiàn)撕裂，裂縫沿試樣長度方向縱深向內(nèi)延伸，導(dǎo)致拉伸性能不合，即為“斷口分層”[3］。本文以420 MPa級別低合金鋼為分析對象，針對該鋼樣拉伸斷口分層現(xiàn)象，通過斷口形貌、非金屬夾雜物及金相組織觀察以及掃描電鏡、能譜檢驗等分析技術(shù)手段，對其宏觀形貌、微觀組織等綜合分析，并對斷口分層的原因及影響因素進行探討。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

420 MPa 級別低合金鋼板產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→LD 轉(zhuǎn)爐/電爐初煉→LF 精煉→RH精煉→連鑄→鑄坯緩冷→（鑄坯清理）→加熱→軋制→冷卻→冷床冷卻（鋼板緩冷）→探傷→（熱處理）→取樣、檢驗→入庫。采用德國斯派克SPECTROLAB 直讀光譜儀對其拉伸試樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。采用濟南聯(lián)拓試驗設(shè)備有限公司W(wǎng)EW-1000B 型號萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗，采用濟南聯(lián)拓試驗設(shè)備有限公司JBW450C沖擊試驗機進行沖擊試驗，力學(xué)性能統(tǒng)計見表2。所檢驗試樣兩塊出現(xiàn)了斷口分層現(xiàn)象，但成分及力學(xué)性能均符合GB/T 1591—2018的標準要求。

表2 力學(xué)性能

2.2 制樣與檢驗

取拉伸試驗后存在斷口分層的異常試樣金相檢驗分析，采用無水乙醇作為介質(zhì)，利用超聲波清洗儀對拉伸斷口進行超聲波清洗，采用OLYMPUSBX53M 掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，通過掃描電鏡中EDS 探頭對析出物及雜質(zhì)進行化學(xué)成分分析。斷口分析結(jié)束后，為了進一步確認分層原因，從分層試樣上切取全厚度金相試樣，采用德國蔡司ZEISS AXIO 光學(xué)顯微鏡進行金相顯微組織及夾雜物進行觀察。

3 分析與研究

3.1 宏觀形貌分析

試樣斷口形貌如圖1所示，由此可見試樣斷口在1/2厚度處斷裂分層，且斷面均垂直于厚度方向，即平行于軋制方向。裂紋肉眼可見，裂口縫隙寬度最大可達到1～2 mm，開裂沿著試樣長度方向向內(nèi)部延伸，延伸距離嚴重的可達10 mm，心部塑性變形較小，裂紋兩側(cè)有較大的塑性變形，為正常剪切狀，呈淺灰色。

圖1 斷口分層試樣實物

3.2 非金屬夾雜物分析

3 塊斷口層裂試樣加持側(cè)各取1 塊金相樣，取平行于斷口面磨樣拋光，未腐蝕時，金相顯微鏡下發(fā)現(xiàn)心部分布長約150～195 μm（約1.5 級）的A 類條狀夾雜物，如圖2所示。

圖2 試樣心部條狀夾雜物 100×

按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，利用金相顯微鏡對鋼中各類夾雜物進行評級，結(jié)果見表3。由表3 可以發(fā)現(xiàn)，試樣組織中的其余夾雜物并未超出標準要求。

3.3 金相分析

采用4%硝酸酒精對分層金相樣腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)，組織以鐵素體、珠光體為主；近表面晶粒較細，心部出現(xiàn)一定程度的偏析現(xiàn)象，約1.0級；珠光體含量明顯高于近表面基體，且存在斷續(xù)帶狀貝氏體異常組織，如圖3、圖4所示。100倍下依據(jù)GB/T 6394—2002 對其晶粒度評價，分別為10 級、10 級、9.5級，達到正常要求。

圖3 試樣近表面金相

圖4 試樣心部金相

3.4 掃描電鏡分析

3.4.1 電鏡下的組織觀察

采用掃描電鏡對分層金相樣觀察發(fā)現(xiàn)，心部存在珠光體偏析，且存在斷續(xù)帶狀貝氏體異常組織，與金相觀察一致。如圖5所示。

圖5 試樣心部SEM掃描電鏡顯微組織（2 000×）

3.4.2 分層斷口形貌觀察

拉伸分層試樣斷口及分層處斷裂的電鏡形貌如圖6所示。斷口分層平行于鋼板軋制面，分層最寬處約1.4 mm，宏觀上，分層斷裂處呈一定臺階狀，呈波紋狀向內(nèi)滑移，脆性斷裂趨勢；微觀上，斷面的微觀斷裂形貌為韌窩及變形韌窩，并存在一定的顯微孔洞斷口。EDS能譜發(fā)現(xiàn)存在MnS夾雜物。

圖6 斷口及掃描電鏡顯微形貌及EDS能譜

4 分層原因及控制措施

4.1 原因分析

420 MPa級別低合金鋼板在成分及力學(xué)性能檢驗均正常的情況下，部分拉伸試樣出現(xiàn)斷口分層的現(xiàn)象，分析原因是鋼基體存在一定珠光體偏析，并存在A 類MnS 夾雜物在厚度方向上對鋼基體連續(xù)性起到了分割作用；當拉伸試驗時，試樣承受較大拉應(yīng)力時沿心部缺陷集中分布的組織層面上產(chǎn)生開裂及分層。

4.2 控制措施

嚴控鋼水純凈度，選擇高品質(zhì)廢鋼及優(yōu)質(zhì)輔料，提高原材料的純凈度；煉鋼出鋼時采用擋渣法、扒渣法等手段高效控制煉鋼爐下渣量。根據(jù)鋼的要求優(yōu)化冶煉工藝、脫氧制度，保證鋼水精煉時間及吹氬攪拌時間，促進夾雜物充分上浮[4-5］。

澆注過程采用中間包控流裝置，盡可能增加鋼水在中間包內(nèi)的平均停留時間，改變鋼水在中間包流動路徑和方向，促進夾雜物上浮，并加中間包覆蓋劑，有效吸附鋼液中的夾雜物；采用保護澆注，防止氣體進入，鋼水二次污染，同時做好拉速控制，采用低過熱度澆注工藝，保證結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面平穩(wěn)，防止保護渣卷渣，形成夾雜物及應(yīng)力集中點[6］。

通過調(diào)整合適的加熱溫度、優(yōu)化加熱制度，確保鋼坯組織均勻性，減小帶狀組織級別，減輕中心偏析程度；同時，軋鋼過程中粗軋首道次采用大規(guī)程軋制壓下量，使鑄坯中存在的缺陷（尤其是心部微裂紋等可能誘發(fā)分層的缺陷）盡可能焊合；配合合理的控軋控冷工藝，改善低溫精軋對夾雜物（尤其是硫化物）帶來的尖端應(yīng)力集中，改善夾雜物作為裂紋源在外載荷作用下的裂紋擴展傾向，可顯著優(yōu)化鋼基體性能，避免拉伸分層現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié) 語

通過對420 MPa 級別低合金鋼板試樣進行拉伸性能、光譜成分、組織及夾雜物觀察等科學(xué)檢驗，對其室溫橫向拉伸斷口出現(xiàn)分層現(xiàn)象的原因進行綜合分析，認為試樣存在心部Mn、S元素偏析，MnS夾雜物在厚度方向上對鋼基體連續(xù)性起到了分割作用，形成應(yīng)力集中區(qū)域是誘發(fā)試樣拉伸斷裂后斷口分層的主要原因。通過提高鋼液純凈度，優(yōu)化冶煉工藝、脫氧制度，嚴控硫、磷等有害元素含量；結(jié)合連鑄低過熱度澆注工藝，優(yōu)化控軋控冷工藝，可有效減少該類分層現(xiàn)象的發(fā)生。