分享：Q460C中厚鋼板折彎裂紋形成原因

Q460C低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼具有良好的強(qiáng)度和韌性,在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,隨著國(guó)內(nèi)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)Q460C鋼板的需求越來(lái)越大[1－2]。在鋼板設(shè)計(jì)使用過(guò)程中,需要對(duì)其進(jìn)行切割、折彎、焊接等操作,用于制造相應(yīng)的零件。某廠生產(chǎn)的一批 Q460C鋼板經(jīng)切割后,在鋼板折彎過(guò)程中,有部分鋼板在其厚度方向出現(xiàn)裂紋。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了鋼板折彎裂紋產(chǎn)生的原因,并提出了改進(jìn)措施,以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

折彎加工的鋼板厚度為20 mm,根據(jù)設(shè)計(jì)要求先切割成尺寸為200 mm×800 mm(長(zhǎng)度×寬度)的工件,然后將工件一邊折彎45°,另一邊折彎85°,在折彎過(guò)程中,有部分工件在折彎85°一側(cè)的側(cè)面出現(xiàn)裂紋,裂紋位于鋼板1/4厚度附近(見(jiàn)圖1)。 

圖  1  開(kāi)裂Q460C鋼板的宏觀形貌

將Q460C鋼板沿折彎裂紋人工拉斷,對(duì)其斷口進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷口呈脆性斷裂特征,沒(méi)有明顯的頸縮,鋼板1/4厚度附近存在呈木紋狀的斷裂區(qū)域,該區(qū)域?yàn)檎蹚濋_(kāi)裂位置。 

圖  2  Q460C鋼板斷口宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在開(kāi)裂的Q460C鋼板上取樣,采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣中P、S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)GB/T 1591—2018 《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在鋼板斷口處取尺寸為20 mm×20 mm×20 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度)的試樣,對(duì)試樣進(jìn)行清洗、磨拋處理,利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣中的非金屬夾雜物,按照GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)方法》中的A法進(jìn)行評(píng)級(jí),結(jié)果如表2所示。 

用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織形貌,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣組織為鐵素體＋珠光體；在斷口木紋區(qū)對(duì)應(yīng)的1/4位置,可明顯觀察到鐵素體和珠光體交替存在的帶狀組織,鐵素體帶較為明顯,灰色條狀硫化物夾雜在此處明顯偏聚,帶狀組織評(píng)級(jí)為4.0級(jí),斷口1/4處帶狀組織嚴(yán)重異常；其他位置的組織為均勻的鐵素體和珠光體；帶狀組織中鐵素體范圍較寬,鐵素體內(nèi)部存在大量灰色條狀硫化物夾雜。 

圖  3  試樣的顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將金相試樣放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗,然后利用掃描電鏡及能譜儀分別對(duì)試樣鐵素體帶中的長(zhǎng)條狀非金屬夾雜物和鏈狀非金屬夾雜物進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4,5所示。由圖4,5可知：試樣鐵素體帶中的長(zhǎng)條狀非金屬夾雜物主要成分為MnS,鏈狀非金屬夾雜物的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、MgO等。 

圖  4  長(zhǎng)條狀非金屬夾雜物的SEM形貌及能譜分析結(jié)果

圖  5  鏈狀非金屬夾雜物的SEM形貌及能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,裂紋附近存在的超長(zhǎng)非金屬夾雜物主要成分為MnS。當(dāng)鋼液中S元素含量較高時(shí),鋼液在結(jié)晶器凝固過(guò)程中,S元素容易產(chǎn)生偏聚。S元素在鋼液中的擴(kuò)散速率小于枝晶的生長(zhǎng)速率,使凝固前沿部分區(qū)域的S元素含量偏高,形成了S元素偏析。鋼液中的Mn元素與形成偏析的S元素結(jié)合形成了MnS夾雜物,該夾雜物為塑性?shī)A雜物,其在鑄坯軋制成鋼板的過(guò)程中容易沿軋制方向變形為長(zhǎng)條狀。隨著鋼板溫度的降低,開(kāi)始發(fā)生過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變,先生成的鐵素體會(huì)以MnS夾雜物為形核點(diǎn)逐漸形成鐵素體膜,該鐵素體膜將硫化物包裹在其內(nèi)部。在軋制結(jié)束后形成的鐵素體帶內(nèi)部含有大量長(zhǎng)條狀的硫化物[3－5]。鋼板中的MnS夾雜物與基體機(jī)械結(jié)合,結(jié)合處存在微小的間隙,鋼板中的夾雜物、氣體會(huì)在間隙處聚集,破壞鋼板基體的連續(xù)性。在鋼板折彎過(guò)程中,MnS夾雜物與基體的間隙處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著鋼板進(jìn)一步變形,MnS夾雜物與基體的間隙處開(kāi)始產(chǎn)生孔洞,孔洞連接在一起會(huì)形成微裂紋,最終導(dǎo)致鐵素體變形,材料發(fā)生開(kāi)裂。MnS夾雜物的存在會(huì)使位錯(cuò)排斥力下降,形成剪切面平臺(tái),進(jìn)一步使裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致鋼板產(chǎn)生折彎裂紋。 

當(dāng)鋼液中的P元素含量較高時(shí),鑄坯在凝固過(guò)程中容易在枝晶間發(fā)生偏聚,在鑄坯軋制成鋼板的過(guò)程中,P元素偏聚容易使材料形成帶狀組織,嚴(yán)重的帶狀組織會(huì)造成鋼板的冷彎性能變差[4]。鋼液中P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.027%,S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.035%,P、S元素含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求；S元素含量過(guò)高使鋼中硫化物增多,在鋼板軋制過(guò)程中形成長(zhǎng)條狀硫化物夾雜并分布在鋼板中,降低了鋼板冷彎性能；P元素含量過(guò)高容易加重鋼中帶狀組織傾向。 

3.   改進(jìn)措施

加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐操作。出鋼時(shí)將鋼液中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.02%以下；嚴(yán)格控制出鋼溫度和出鋼下渣量,確保出鋼爐渣厚度不大于60 mm；在出鋼過(guò)程中加入適量的石灰,避免鋼液回磷。 

在鋼包爐精煉過(guò)程中,分別加入適量的石灰和精煉渣,將爐渣的堿度控制為4～5,加入鋁粒進(jìn)行擴(kuò)散脫氧,并適當(dāng)延長(zhǎng)白渣時(shí)間至25 min,以提高脫硫效果；精煉結(jié)束后保證軟吹時(shí)間大于8 min,使夾雜物上浮并被去除。 

在連鑄過(guò)程中,采用低過(guò)熱度進(jìn)行澆鑄,減輕P、S元素的偏析程度。加強(qiáng)連鑄操作,以防止鋼液產(chǎn)生二次氧化；采用鋼包下渣檢測(cè)方法,避免鋼包渣流入結(jié)晶器內(nèi)。 

4.   結(jié)論及建議

P元素的偏聚使Q460C鋼板存在嚴(yán)重的帶狀組織,且寬大的鐵素體帶中含有大量的硫化物；在對(duì)鋼板進(jìn)行折彎加工時(shí),硫化物處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,使夾雜物與基體之間產(chǎn)生間隙,隨著鋼板進(jìn)一步變形,間隙會(huì)連接形成裂紋,最終導(dǎo)致鋼板在折彎過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂。 

建議嚴(yán)格控制Q460C鋼的生產(chǎn)工藝,提高鋼液的純凈度,減少鋼中P、S元素的含量,嚴(yán)格控制鋼中硫化物夾雜的數(shù)量和形態(tài),避免Q460C鋼板在加工過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂。 

文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)