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1、Q690D 高强度钢板拉伸试样断口分离的研究唐国红( 济南钢铁股份有限公司 )摘 要 对 Q690D 高强度中厚钢板的拉伸试样断口分离行为进行了研究 ， 分析了断口分离产生的机理和主要原因 ， 研究结果表明造成分离的主要原因是偏析和条状硫化物夹杂 。针对生产实际采取多项措施 ， 实现了断口分离造成的钢板改判率的大幅下降 ， 取得了良好的经济效益 。关键词 高强钢 拉伸断口分离 夹杂物 中心偏析Research on Fracture Separation Behavior of TensileSpecimen for Q690D High Strength Steel PlateTang Gu
2、ohong( Jinan Iron and Steel Co Ltd)Abstract The article investigates the fracture separation behavior of tensile specimen for Q690D high strengthsteel plate， analyzes the formation mechanism and major causes of fracture separation The results show that the separa-tion is mainly caused by segregation
3、 and strip sulfide inclusions After taking various measures on the basis of actualproduction， the substandard rate of steel plate due to fracture separation has been reduced and good economic benefitobtainedKeywords High strength steel， Tensile fracture separation， Inclusion， Central segregation0 前言
4、自 2008 年以来 ， 济钢所生产 Q690D 高强钢板的拉伸断口分离造成钢板改判率居高不下 ， 给公司效益带来了较大损失 ， 成为影响降本增效的主要质量问题 。本研究采用金相观察 、扫描电镜等试验手段和统计方法 ， 分析了 Q690D 钢板断口分离形成原因 ， 提出了具体改进措施并在现场生产中取得了成效 。1 断口宏观形貌Q690D 钢板试样经过拉伸试验后 ， 断口处沿平行于试样轧制面开裂 ， 裂口缝隙最大 1 4 mm，并向断口内部延伸 ， 延伸距离约 10 40 mm。对于全厚度板状试样 、厚度 1/4 处板状试样和圆棒状试样 ， 分离面位于试样厚度中心并呈多层开裂 。Q690D 钢板
5、的拉伸试样断口分离宏观形貌如图 1所示 。图 1 Q690D 钢板拉伸试样断口分离宏观形貌2 微观分析21 金相组织分别对 Q690D 钢板板状拉伸试样断口分离和正常断口试样的未变形区截取金相试样 ， 利用OLYMPUS 金相显微镜对其进行金相组织的观察与对比 。通过 Q690D 钢板拉伸断口分离试样的金相组织观察 ， 发现原奥氏体晶粒在轧制后形成平行于轧制方向的长条状晶粒 ， 在原奥氏体晶粒内形9第 19 卷第 2 期2013 年 4 月宽厚板WIDE AND HEAVY PLATEVol19， No2April 2013成均匀的贝氏体组织 ， 钢板厚度 1/2 处可见较明显的偏析现象 ，
6、而 1/4 处没有明显的异常组织 ， 如图 2 所示 。观察 Q690D 钢板拉伸无断口分离试样的金相组织 ， 在厚度中心处没有发现明显的偏析带以及原奥氏体晶粒在轧制后形成的长条状晶粒 ， 如图 3 所示 。图 2 不同厚度 Q690D 钢板板厚 1/4 和 1/2 处的金相组织图 3 Q690D 钢板无断口分离拉伸试样的厚度中心处金相组织22 断口扫描用外力将断口分离拉伸试样沿分离裂口拉开 ， 通过扫描电镜观察剖开面的组织形态 ， 并进行了 13 个视场的能谱扫描分析 ， 在多个视场下都发现数量较多的条状夹杂 。能谱分析将这些条状夹杂均确定为典型的硫化锰夹杂 。断口分离面微观形貌如图 4 所
7、示 ， 分离面能谱扫描结果见图 5。图 4 断口分离面微观形貌图 5 分离面能谱扫描图及分析结果3 铸坯低倍组织统计2008 年 Q690D 钢板拉伸试样断口分离造成的钢板改判量变化曲线和铸坯低倍组织偏析指数变化曲线见图 6。从图中可以看出 ， 5 月份钢板改判量最低 ， 8 月份最高 ， 与连铸坯月平均偏析指数在 5 月份较低和 8 月份最高的现象相对应 。01宽厚板 第 19 卷图 6 拉伸断口分离造成的钢板改判量及连铸坯低倍组织偏析指数变化曲线4 断口分离拉伸试样的力学性能拉伸试样断口分离和无断口分离缺陷钢板的力学性能统计对比结果见表 1。前者的力学性能合格率达到 93 1%， 后者达到
8、 97 3%， 断口分离试样的力学性能没有明显的下降 。本次分析所取4 批试样的力学性能数据见表 2， 力学性能全部合格 ， 且各项指标都有一定的富余量 。还分别从正常断口和断口分离拉伸试样的未变形区域取样 ，加工成 Z 向拉伸试样 ， 并采用摩擦焊接方法在 Z向拉伸试样两端焊接拉伸夹头 ， 在拉伸试验机上进行拉伸试验 ， 测定其断口收缩性能 。正常断口与断口分离拉伸试样的 Z 向拉伸试验结果表明 ，发生断口分离与正常断口的试样 Z 向拉伸性能无明显的区别 ， 见表 3。表 1 Q690D 钢板断口分离和正常断口拉伸试样的力学性能比较项目 总数量 力学性能合格量 合格率 /%断口分离试样 29
9、 27 931正常断口试样 255 248 973表 2 Q690D 钢板断口分离拉伸试样的力学性能批号 钢板厚度 /mm Re/MPa Rm/MPa A/%20 ( 纵向 ) KV2/J冷弯R79650 30 755 818 170 151 94 103 合格R79600 30 770 820 165 134 130 136 合格R79711 16 810 850 145 126 71 136 合格R79663 30 730 805 200 97 130 106 合格表 3 正常断口与断口分离拉伸试样的 Z 向拉伸性能Z 向拉伸性能断口分离试样R79650 R79600 R79711 R79
10、663正常断口试样R80001 R61772 R61673 R84104断面收缩率 /% 264 241 215 226 205 213 236 2525 分析与讨论51 铸坯内部质量与连铸机状况的关系当连铸机对弧精度不高时 ， 扇形段辊子不在同一弧线上 ， 拉坯过程中铸坯坯壳在间距较小的内外弧辊子之间受到挤压 ， 而在间距较大的内外弧辊子之间又重新鼓起 ， 造成铸坯中心液相的反复流动 。由于未凝固液相的硫 、磷 、碳 、锰等溶质元素浓度较高 ， 在铸坯中心形成严重的偏析 ， 并遗传到钢板中 ， 最终形成拉伸断口分离 。52 断口分离与轧制的关系Q690D 钢板断口分离拉伸试样金相组织中的原奥
11、氏体晶粒在轧制过程中被拉长变形 。当轧11第 2 期 唐国红 : Q690D 高强度钢板拉伸试样断口分离的研究制变形大而温度低时 ， 变形引起的硬化过程占优势 ， 晶格畸变得不到完全恢复 ， 没有继续发生再结晶 ， 从而保留了原有的奥氏体晶粒晶界 ， 而晶界内部在随后的继续变形 、冷却及热处理过程中发生相变 ， 最终形成比较均匀的贝氏体组织 。由于在粗轧时轧制力较小 ， 道次变形量小 ， 钢板的厚度中心变形未充分渗透 ， 从而没有发生完全再结晶 ， 保留了原有的奥氏体晶界 。在随后的精轧过程中 ，由于在奥氏体相变温度以下变形 ， 原有的奥氏体并未继续发生再结晶 ， 而是在随后的冷却和中温回火过
12、程中保留下来 。在拉伸变形时 ， 这些晶界和晶界上聚集的夹杂物成为开裂的源头 ， 裂纹继续沿奥氏体晶界发展 ， 最终形成了断口分离 1 2。53 造成断口分离的外部因素在钢板试样拉伸时 ， 首先发生均匀变形 ， 试样的受力状态为单向拉应力状态 ( 即 “+00”) ， 当试样开始出现缩颈时 ， 由于力线在缩颈处弯曲 ， 使该处的应力状态为三向拉应力 ( 即 “+ + +”) 。如果在钢板中心的组织中存在薄弱环节 ， 则首先从薄弱环节裂开 ， 这就是分离的最初形成阶段 ; 同时由于在变形过程中 ， 钢板中心的薄弱环节与其它部分不能够发生同步变形 ， 因此在钢板拉伸试样中心 ( 薄弱环节处 ) 形
13、成裂纹 ， 即在断口分离试样的两个侧切面处所见的分离裂纹 3， 这是造成钢板拉伸试样断口分离的外部因素 。54 断口分离对钢板性能的影响由于断口分离形成的裂纹基本平行于钢板且沿拉伸方向延伸 ， 因此对拉伸试样的强度和韧性指标影响较小 ， 但将影响钢板的疲劳寿命 ， 在质量判定中钢板仍会降级改判或判废 。6 改进措施61 严格控制钢中的硫含量铁水均经过 KR 处理 ， 硫含量控制在 0005%以下 ， 并严格扒渣操作 ， 扒渣后铁水表面应基本无残渣 ; 对装入转炉废钢分类处理 ， 限制高硫含量废钢的加入 ; 使用低硫含量的造渣料 ; 严格控制下渣量 ， 采用双挡渣出钢 ; 在 LF 炉提前造白渣
14、 ， 适当增大渣量 ， 提高 LF 炉脱硫率 。62 制定严格详细的设备检修制度设备是铸坯质量的保障 。定期进行连铸机设备小修 ， 每年进行一次中修 ， 严格控制检修精度 ，及时更换不能满足对弧精度要求的扇形段 。63 保证精炼后氩气软吹效果延长软吹时间 ， 减小软吹氩时钢液裸露面积 ，从而保证夹杂物充分上浮 。64 采用铸坯和钢板堆垛缓冷堆垛缓冷一方面促进铸坯和钢板中氢的析出 ， 另一方面可以减轻中心偏析 。对于厚规格钢板 ， 在轧制后一定温度范围内进行钢板堆垛缓冷 ，起到减少中心偏析和析出氢的作用 。65 保证铸坯加热时间和控制加热温度 ， 使铸坯温度均匀 ， 尽量减少中心偏析 。66 采
15、用二冷段电磁搅拌技术 ， 优化二冷段轻压下工艺 ， 从而进一步提高铸坯的内部质量 。7 结论( 1) Q690D 钢板拉伸试样断口分离的主要原因是轧制过程中的原奥氏体未发生完全再结晶并保留了原有的奥氏体晶界 ， 在晶界处析出的硫化物夹杂变形成为长条状 ， 这些因素都是拉伸过程中形成断口分离的裂纹源头 。( 2) 在拉伸试验过程中 ， 当拉伸试样发生缩颈时 ， 内部应力状态发生改变 ， 由原来的一维应力变成三维应力 ， 垂直于钢板轧制面方向的应力使拉伸试样断口开裂 。( 3) 在分析研究的基础上 ， 逐步采用降低钢中硫含量 、提高连铸机设备保障水平 、降低钢中夹杂物水平和堆垛缓冷等多项改进措施 ， 最终大幅降低拉伸断口分层改判率 ， 提高了经济效益 。参考文献1 熊庆人 X70 管线钢的断口分离现象分析研究 J 机械工程材料 ， 2005， 29( 12) : 21 252 崔忠圻 金属学与热处理 M 北京 : 机械工业出版社 ， 19993 黄守汉 塑性变形与轧制原理 M 北京 : 冶金工业出版社 ，2002唐国红，男 ， 2005 年毕业于北京科技大学金属材料专业 ，工程师 。收稿日期 : 2013 02 1721宽厚板 第 19 卷
