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1、造船用钢板拉伸断口缺陷的研究刘年富 廖卫团 温志红 杨太阳(技术研究中心)摘要：对公司生产的船板拉伸断口出现分层、严重的中心偏析缺陷等现象，通过分析这些拉伸断口的特征从而对它们进行分类，分别阐述了形成异常拉伸断口的原因和采取的预防措施，及拉伸断口缺陷对船板的力学性能和使用寿命产生的影响。关键词：船板；拉伸断口；缺陷最近几年国内的造船业快速发展，对船用钢板质量也提出了更高的要求。受金融危机影响，2008年和2009年国内的造船业整体形势较为低迷，造船厂对船用钢板的质量提出了更为苛刻的要求，相应的各国船级社对船板的拉伸试样断口也进行了更严格的规定，要求拉伸试样断口不能出现诸如严重的偏析、分层等缺陷
2、。2007年以来，验船师开始对拉伸试样断口出现肉眼可见的偏析、分层等现象进行了新的规定，要求将具有这些断口缺陷的船板进行复检及改钢种降级处理。一些异常拉伸断口对应的试样的伸长率也出现了不合格现象，这些都制约着船板的性能合格率、命中率以及交货期，特别是对中板厂的影响尤为显著，因断口改判问题导致船板出现了多次的补轧现象。目前，国内很少文献12对船板的宏观拉伸断口进行专门的研究，通过对日常生产中常见的船板异常拉伸断口进行分析总结以阐述它们对船板质量和使用情况的影响。1 船板异常拉伸断口分类 根据目前船板常见的异常拉伸断口的宏观形貌进行分类，主要分为偏析断口和分层断口及两者共存的情况。 分层断口，亦即
3、裂缝断口，从拉伸断口形貌来看，可见分布无规律的长度不等的裂缝或是在中心处裂缝贯穿断口，后者最常见，表现为从中心处将断口分开成两层，裂缝的缝壁光滑，其颜色与基体不同。如图1所示。 偏析断口，从拉伸断口形貌来看，可见断口上有肉眼可见的灰白的或浅白色的断续的点状，或连续分布的细条带或块状缺陷，一般出现在断口中心呈连续或断续分布，所以也称为中心偏析断口，如图2所示。由于此类断口多是因为非金属夹杂或夹渣的聚集引起的偏析，而导致了拉伸断口的异常，因此亦称为非金属夹杂及夹渣断口。分层断口与偏析断口经常交叉出现，如图3所示，中心偏析严重的断口，在偏析的中心线上可见到一条裂缝，而且经常可以从试样的侧边看到试样处
4、在开裂状态，这种连接着整个试样断口的开裂，也即是分层现象。2 异常拉伸断口产生的形成过程及其原因2.1 异常拉伸断口的形成过程 在连铸钢水结晶凝固过程中，溶质元素在固液相中进行再分配时，表现为铸坯中元素分布不均匀，铸坯中心部位的C、S、P等元素含量明显高于其它部位，从而导致中心部位存在成分偏析或夹杂物偏析。连铸坯在加热炉加热时，由于合金元素和其它杂质元素的扩散系数低，均匀化比较困难，并不能减轻或消除中心偏析。在静载荷拉伸试验过程中，异常拉伸断口的形成过程可以归结为显著裂纹和空洞的形成，空洞的扩大、联合形成宏观裂纹，最后宏观裂纹向外扩展达到破坏。这种因孔洞或微裂纹的作用而导致在断口的中心位置出现
5、宏观裂纹而表现为分层开裂断口。存在夹杂物或夹渣偏析的区域，夹杂物及夹渣或者直接提供了微裂纹或空洞(夹杂物与基体互不联结)的形成，或者由于应力集中以及因线膨胀系数不同产生内应力，促进了微裂纹的形成，宏观裂纹扩张的过程就是宏观裂纹连接各个显微裂纹和空洞的过程。这种因中心偏析而导致宏观裂纹出现的断口即为中心偏析断口。2.2 异常拉伸断口产生的原因 一般对含硫偏高的钢及含夹杂量高的钢,中心偏析带内往往出现大量的硫化物或硅酸盐聚集,这些高熔点非金属夹杂物的变形程度与基体不一样,在轧制过程中造成钢的内部裂纹，非金属夹杂物随金属基体一起流动变形，最后变成条状或片状夹杂物，从而使钢板形成严重分层，它经常使断口
6、检查不合格。含硫量低及含硅酸盐少的钢这种现象一般比较少。 大量的研究表明，层状断口形成的主要原因是钢中夹杂物含量高、偏析严重及异常组织的产生；钢坯柱状晶过分发达，加之轧制压下比不足，晶粒不易破碎，微孔洞和疏松不能充分轧合而形成的。研究也表明在层状断口区存在超长的带状组织，其形貌为片层状，带状组织上总能发现数量不少的夹杂物，而且在夹杂物旁边往往伴随着微裂纹的产生，在拉伸受力之后，就形成了层状断口形貌。偏析断口形成的主要原因是连铸坯中心偏析不能通过后续的加热、轧制等工序消除，而在拉伸试验过程中，在拉伸试样断口表现出来的非金属夹杂物或夹渣中心偏析现象。严重的中心偏析问题是由大量的非金属夹杂物或夹渣聚
7、集，同时导致在轧制过程夹杂物沿轧制方向成带状分布，带状级别较高，同时易于在夹杂物偏析带状组织上产生各种缺陷。3 异常拉伸断口的影响 前期的试验研究分析表明4试样伸长率不合格的拉伸试样断口，普遍存在较严重的中心偏析或分层现象。通过对伸长率不合格的异常拉伸断口的金相分析，可看到大量的夹杂物，夹杂物评级较高，对应的带状组织评级也较高，大量的研究工作已经表明非金属夹杂物对钢板的性能，特别是塑韧性造成不良的影响。另外在带状组织上常伴随着贝氏体或马氏体的出现，由于贝氏体、马氏体和周围的基体组织的抗塑性变形能力差异较大，很容易在异常组织中产生应力集中。且这些脆硬的异常组织增大了钢板的淬硬倾向，在一定的应变条
8、件下，容易发生脆性断裂，所以首先在异常组织附近形成了微裂纹。这表明了严重的中心偏析或分层拉伸断口的出现与试样延伸率不合格之间存在着一定的关系。 船舶安全性取决于船体强度和水密性，而强度和水密性在极大程度上决定于焊接质量。船板钢的异常拉伸断口是钢板内部钢质缺陷和组织缺陷的宏观表现，严重的钢材缺陷，如硫化物、氧化物和硅酸盐夹杂过多、粗大，内部开裂以及组织缺陷等都会影响着焊接质量，从而影响船舶的使用安全性及使用寿命。 在焊接接口处产生的层状撕裂缺陷将大大降低钢板之间的焊接区的力学性能，容易导致船舶在使用过程中优先在焊接区产生开裂而破坏船体的使用性能。焊接区的层状撕裂产生的主要原因是在轧制钢板中存在硫
9、化物、氧化物和硅酸盐等非金属夹杂物，这些夹杂物经轧制后成带状或片状分布在与表面平行的各层中，变形能力极差，使钢板在厚度方向上的机械性能，特别使断面收缩率严重下降。在垂直于厚度方向的焊接应力作用下，在夹杂物的边缘产生应力集中，当应力超过一定值时，某些部位的夹杂物首先开裂并扩展，造成层状撕裂。而钢板的内部微裂都容易导致裂纹形成层状开裂，从而连成一体，造成层状撕裂。另外中心偏析或分层严重的拉伸断口出现的异常组织贝氏体或马氏体，还会使得在焊接过程在这些异常组织附近产生焊接后延迟的冷裂纹。分层使钢材力学性能具有各向异性，特别是沿钢板厚度方向的力学性能恶化、导致钢板Z向性能降低，降低塑韧性。所以对于要求特
10、殊使用性能的Z向船舶平台用钢、采油平台用钢，分层缺陷是完全不允许的缺陷。另外，分层缺陷的边线形状尖锐，对应力的作用非常的敏感，很容易引起严重的应力集中。在船舶航行过程，船体在海上不断受到海水的冲击，就会在应力集中区形成很大的交变应力，以致造成船体的应力疲劳，影响船舶安全性和使用寿命。4 异常拉伸断口的预防措施 异常拉伸断口产生的主要因素就是钢板中心偏析严重，带状组织级别高，异常组织的产生，微裂纹的出现。而造成钢板这些问题的铸钢方面的原因主要又是铸坯杂质较多、清洁度较差，大量的夹杂物或夹渣聚集于连铸坯的中心，形成了严重的中心偏析或疏松；在轧制工序上，由于轧制力不够，不能轧合而完全消除疏松或微孔洞
11、缺陷。因此解决异常拉伸断口最主要措施就是如何冶炼洁净度较高的钢水，如何减轻连铸坯的中心偏析或疏松。 通过铁水预脱硫工序可以很大程度降低硫含量，减少硫化物形成的数量；并且在精炼过程往钢水中加入适量的硫化物变形剂硅钙线，可以改善硫化物的形状，使硫化物成颗粒细小的圆球状分布，而不是长条状分布，降低硫化物的级别，降低因硫化物引起的中心偏析的几率。 硅酸盐夹杂是钢中常见的复合夹杂物，用硅铁和锰脱氧的钢中常出现。其产成原因主要是脱氧操作不良（脱氧生成物不能及时浮上去，留在钢中）或其他原材料、炉衬、耐火材料等玷污钢水所造成。因此在精炼过程增加对钢水的搅拌，有利于脱氧产物及时上浮去除；在中间包上设置合适位置和
12、合适数量的挡渣坝和挡渣墙，可以有效地使钢水中夹杂物上浮分离；使用质量等级较高的炉衬和耐火材料，及时更换炉衬和耐火材料，减少它们对钢水的玷污；采用合适形状的浸入式水口和浸入深度以确保结晶器内的夹杂物及时上浮分离及防止保护渣的卷入。 为了降低连铸坯的中心偏析和中心疏松程度，除了要提高钢水纯净度，降低钢中易偏析元素C、S、P的含量，防止形成大量和粗大的非金属夹杂物外，还应采取低过热度的浇注，减少柱状晶带的宽度，从而达到控制铸坯的凝固结构；采用电磁搅拌技术，消除柱状晶搭桥，增大中心等轴晶区宽度，达到减轻或消除中心偏析的效果；防止铸坯发生鼓肚变形，为此二冷区夹辊要严格对弧；宽板坯的夹辊最好采用多节辊，避
13、免夹辊变形；在铸坯的凝固末端采用轻压下技术，来补偿铸坯最后凝固的收缩，从而抑制残余钢水的流动，减轻或消除中心偏析；另外，在铸坯的凝固末端设置强制冷却区，可防止鼓肚，增加中心等轴晶区，减轻中心偏析3。另外还可以通过后续的轧制降低中心疏松。在轧制工艺设计时，最大发挥轧机的轧制力，通过提高粗轧阶段道次压下量，采用较大的压缩比，可以使铸坯的疏松得到轧合，消除铸坯的中心疏松。采取合适的终轧温度和冷却速率，也可以有效抑制钢板的中心偏析。5 小结 （1）船板拉伸断口分层、严重的中心偏析在一定程度上降低了钢板的延伸率，对钢板的Z向性能以及船舶的使用寿命影响较大。 （2）分层和严重的中心偏析主要是由于钢中非金属
14、夹杂物多而粗大，引起连铸坯产生严重的中心偏析和疏松，后续的轧制过程仍未能轧合疏松缺陷，在钢板中心产生严重的非金属夹杂物或夹渣偏析，铁素体带状级别较高，偏析带上容易产生微裂纹，以及出现了异常的硬脆组织马氏体或贝氏体。（3）要改善断口的质量，提高船板断口合格率，必须减轻和消除分层和严重中心偏析缺陷，关键是冶炼洁净的钢水，控制连铸产生的中心偏析和中心疏松的程度，提高轧机的轧制力，增大压缩比。参 考 文 献1.韩炯，高亮.高强船板拉伸试验断口分层的原因分析.宽厚板.2006，12（1）：30322.尹立新，罗家明，王萍等.船用钢板拉伸断口分层形成机理分析.首钢科技.2008（1）：6123.向亚云主编，钢铁冶炼技术工艺常见疑难问题解答及处理方法-疑难问题解析十万个为什么与怎么办，北京：中国科技文化出版社，2005：9494.刘年富，廖卫团，刘金源等，探讨热轧16MnR延伸率不合格的原因，韶钢科技，2008（2）：5658
