摘  要：利用金相顯微鏡、掃描電鏡、原位分析儀等分析Q345B鋼板的拉伸試樣斷口形貌、金相組織、斷口內夾雜物成分和鑄坯的成分偏析狀態，分析了斷口形成的原因，提出了多項改進措施，取得了良好的效果。

關鍵詞：斷口分離；中心偏析；拉伸試樣；夾雜物

1  前言

國內某鋼廠低合金結構鋼是主要的產品類別，占總產量的約30%，具有穩定和廣闊的市場份額。但是自2008年以來，該鋼種的鋼板發生拉伸試樣斷口分離缺陷，由此造成的鋼板改判率最高時達到每月1.18%。給公司效益帶來了很大的影響，成為公司降本增效的重要障礙。為了盡快減少和消除斷口分離缺陷，對Q345B鋼種進行了分析研究，探討造成斷口分離的原因，并提出應對措施。

2  斷口形貌

    如圖1所示為典型的Q345B拉伸斷口宏觀形貌，可見在拉伸試樣厚度中心平行于鋼板表面的方向存在明顯的分離開裂現象，在裂口的兩邊的1～5mm的范圍內斷口呈較淺的灰白色。在掃描電鏡下觀察了其外觀形貌，如圖2所示，可見分離裂口附近的斷口面為河流狀花樣解理斷裂斷口。

圖1  Q345B拉伸斷口分離宏觀形貌照片    圖2  4#樣拉伸斷口SEM照片

3  微觀分析

3.1  金相組織

    對多批分層鋼板的拉伸試樣的未變形區域取樣，觀察了金相組織，主要是鐵素體和珠光體，在有斷口分離的拉伸試樣的金相組織中存在較明顯的中心偏析現象。如圖3所示為典型的斷口分離拉伸試樣的鋼板厚度中心部分的金相組織，可見到顯著的中心偏析存在。進一步放大倍數，由圖 觀察到在偏析帶存在的組織中典型的組織是鐵素體和珠光體，同時還存在部分貝氏體，貝氏體帶與珠光體帶緊密相鄰。

圖3  4#樣斷口分離試樣未變形區域的金相組織

3.2   SEM分析

對Q345B拉伸斷口分離試樣在斷口進行取樣，將試樣拋光后在掃描電鏡下觀察其分離裂口并對裂口內的夾雜物進行分析，如圖4所示，在斷口分離裂口內存在夾雜物，對該夾雜物進行SEM分析得知該夾雜物為典型的MnS夾雜?？梢酝茢嘣摲蛛x裂口是在拉伸過程中沿鋼板中MnS夾雜開裂的。

圖4  4#樣SEM分析結果

3.3  鑄坯原位分析

原位分析可以獲得金屬材料較大尺度范圍內各成分的位置分布、狀態分布及定量分布的準確信息。為了研究Q345B鋼的偏析程度，對發生拉伸試樣斷口分離爐次的鑄坯低倍留樣上截取試樣，取樣的Q345B連鑄坯坯型尺寸為270×2100mm，在連鑄坯橫截面上，以鑄坯窄邊和寬度中心線為界取樣，為了便于分析將該試樣分成5等分，從窄邊到寬度中心線依次編號為1到5號。

圖5  Q345B鑄坯原位分析試樣示意圖

對試樣橫截面進行刨平和磨床磨光后在原位分析儀上進行各化學成分元素的原位分析。如圖5所示，取中心線附近區域進行分析，灰度區域為分析區域，面積大小為60×70mm左右。如圖6所示為錳元素的分布二維等高圖，顯示了元素在不同區域的分布，Mn元素的最大偏析度為1.278。

圖6  5#試樣的Mn偏析

4  斷口分離試樣的力學性能

對存在拉伸試樣斷口分離和無斷口分離缺陷的鋼板力學性能進行了統計對比，如表1所示，前者的力學性能合格率達到93.5%，后者達到98.0%，由于統計數量的限制，存在斷口分離的試樣的力學性能沒有明顯的下降。表2為本次分析所取的三批試樣的力學性能具體數據，可見力學性能全部合格，且各項指標都有一定的富余量。

表1  斷口分離和正常斷口拉伸試樣力學性能統計比較

表2  Q345B拉伸試樣的力學性能

5  分析與討論

（1）斷口分離缺陷的Q345B鋼板金相組織以鐵素體和珠光體為主，但在鋼板的厚度中心存在少量上貝氏體脆性相，在試樣拉伸變形過程中上貝氏體塑性低，可能是裂紋源或者裂紋擴散的路徑，從而造成斷口分離。

（2）由SEM分析結果可知，拉伸試樣斷口分層內存在硫化錳夾雜，在連鑄凝固過程中，由于選分結晶造成硫、錳、碳、磷等元素在鑄坯中心聚集，硫與錳形成硫化錳低熔點塑性夾雜物，加熱過程中不易消除，在軋制過程中變形形成長條狀，在拉伸試樣變形過程中，在硫化錳與鋼基體的界面首先形成裂紋，并沿硫化物分布方向擴展形成裂口，從而造成拉伸試樣斷口分離。

（3）鑄坯的內部質量與連鑄機的機況有密切的關系。當連鑄機對弧精度不高時，扇形段輥子不在同一弧線上，在拉坯時鑄坯坯殼在內外弧輥子間距較小的輥子之間受到擠壓，而在間距較大的輥子之間又重新鼓起，這樣造成鑄坯液相的反復流動，由于未凝固液相硫、磷、碳、錳等溶質元素濃度較高，從而富集雜質元素的液相在鑄坯中心形成嚴重的偏析，并遺傳到鋼板中，最終形成拉伸斷口分層的重要因素。

（4）在鋼板試樣拉伸時，首先試樣均勻變形，這個階段試樣受力狀態為單向拉應力狀態（即“+00”），當試樣開始出現縮頸后，由于力線在縮頸處彎曲，使該處的應力狀態為三向拉應力（即“+++”），如圖7所示，如果在鋼板中心的組織中存在薄弱環節，首先從薄弱環節中裂開，這就是分層的最初形成階段，同時由于在變形過程中，鋼板中心的薄弱環節與其它部分不能夠發生同步變形，因此在鋼板拉伸試樣中心（薄弱環節處）形成裂紋，即我們現在能夠經常在分層試樣的兩個側切面處所見的分層裂紋。這是造成鋼板拉伸試樣斷口分離的外部因素。

（5）由于斷口分離形成的裂紋基本平行于鋼板且沿拉伸方向延伸，因此對拉伸試樣的強度和韌性指標影響較小。但會影響鋼板的疲勞壽命，在鋼板質量判定中仍降級改判或判廢。

6  改進措施

（1）嚴格控制鋼中的硫含量。所有鐵水都經過KR處理，對于Q345B，KR后硫含量控制在0.005%以下，嚴格要求扒渣操作，扒渣后鐵水表面應基本無殘渣。對入轉爐廢鋼分類處理，限制高硫含量廢鋼的加入。使用低硫含量的造渣料。嚴格控制下渣量，采用雙擋渣出鋼。在LF爐提前造白渣，適當增大渣量，提高LF爐脫硫率。

（2）制定嚴格詳細的設備檢修制度。設備是鑄坯質量的保障。定期進行設備小修，每年一次連鑄機中修，嚴格控制檢修精度，對不滿足對弧精度要求的扇形段及時更換。

（3）保證精煉后氬氣軟吹效果。延長軟吹時間，減小軟吹氬時鋼液面裸露面，從而保證夾雜物充分上浮。

（4）采用鑄坯和鋼板堆垛緩冷。一方面促進鑄坯中氫的析出，另一方面堆垛緩冷可以減輕鑄坯中心偏析。對于厚規格鋼板，在軋制后一定溫度范圍內進行鋼板堆垛緩冷，起到減少中心偏析和析出氫的效果。

（5）保證鑄坯加熱時間和控制加熱溫度，保證鑄坯溫度均勻，盡量減少已形成的中心偏析。

（6）采用二冷段電磁攪拌技術，優化了二冷段的輕壓下，從而進一步提高了鑄坯的內部質量。

7  結論

（1）通過對拉伸試樣和鑄坯的分析，得知造成Q345B鋼板拉伸試樣斷口分離的主要原因是長條狀硫化物夾雜和鑄坯中心偏析的存在。在試樣拉伸過程中由于縮頸的形成，應力狀態的改變，從而形成斷口分離。

（2）通過生產過程嚴格控制硫含量、制定嚴格的連鑄機檢修制度、鑄坯的堆垛緩冷等多項措施，顯著減少了斷口分離缺陷改判率。

參考文獻

[1]  王青江等，控制軋制鋼中的斷口分離現象，兵器材料科學與工程，1992，15 (9) ：50～ 54.

[2]  黃守漢，塑性變形與軋制原理，北京：冶金工業出版社，2002.

[3]  巴  虹，張  艷，萬書偉， 船板拉伸試樣斷口分層缺陷分析，物理測試，2009，27(2)：60～62.