供稿| 安霞,左啟偉,陳春生,張曉光,楊樹鵬/AN Xia, ZUO Qi-wei, CHEN Chun-sheng, ZHANG Xiaoguang, YANG Shu-peng

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文章利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對 Q345 角鋼開裂樣進(jìn)行分析.結(jié)果表明:發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象是導(dǎo)致 1# 樣矯直開裂直接原因;鑄坯縮孔是導(dǎo)致 2# 樣矯直開裂的直接原因.帶狀組織和級別為 3.0 的夾雜物雖不是裂紋源,但是對裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用.從煉鋼環(huán)節(jié)提出了防止產(chǎn)生鑄坯縮孔的措施,從軋鋼環(huán)節(jié)提出了防止發(fā)生藍(lán)脆的措施.

唐鋼已有多年生產(chǎn)角鋼的歷史,產(chǎn)品規(guī)格已成系列化,近幾年角鋼主要應(yīng)用于電力鐵塔構(gòu)件.受角鋼軋制過程中軋件的變形及金屬流動特點的影響,特別是大規(guī)格角鋼由于粗軋道次壓縮比偏小,連鑄坯的鑄態(tài)組織缺陷得不到良好的消除.本文通過對 Q345 角鋼矯直開裂樣做化學(xué)成分、金相組織、夾雜物和斷口掃描等檢驗分析,從煉鋼、軋鋼等環(huán)節(jié)找原因,提出有針對性的工藝改進(jìn)措施.

檢查結(jié)果與分析

取兩個宏觀形貌不同的開裂樣進(jìn)行分析,為了敘述方便,將觀察的試樣分別編號為 1# 樣、2# 樣.

開裂試樣的宏觀形貌如圖 1 所示,1# 樣開裂處角鋼頂部受到外力碰撞,碰撞處氧化色為藍(lán)色,2# 樣裂紋源起始于角鋼角部,向周邊放射狀擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展方向和脆斷方向一致.

圖 1 開裂樣外觀圖片

對開裂樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表 1 所示,化學(xué)成分完全符合企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn).

表 1 開裂角鋼化學(xué)成分分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

金相檢查

取試樣橫截面,精磨拋光后,用 4% 硝酸酒精浸蝕,用光學(xué)顯微鏡觀察金相.檢查結(jié)果表明,開裂試樣顯微組織為鐵素體+珠光體,有級別為 2.0 的帶狀組織.帶狀組織產(chǎn)生的原理為鋼材在熱軋后的冷卻過程中發(fā)生相變時鐵素體優(yōu)先在由枝晶引起的偏析和非金屬夾雜延伸而成的條帶中形成,導(dǎo)致鐵素體形成條帶,鐵素體條帶之間為珠光體,兩者相間成層分布[1].帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻,并影響鋼材性能,降低鋼的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率.所以,帶狀組織對角鋼矯直開裂和有一定影響.

按照 GB/T 10561-2005 標(biāo)準(zhǔn),磨制縱截面金相試樣,觀察鋼中非金屬夾雜物,結(jié)果表明 1#、2#樣中夾雜物級別及類型基本一致,夾雜物級別比較高,C 類夾雜物級別達(dá)到 3.0 級.通過對夾雜物做掃描電鏡能譜分析,1 點處黑色夾雜物為硅酸鹽類和硫化錳,2 點處片狀灰色夾雜物為硫化錳.硫化錳是與基體性質(zhì)相近的夾雜,具有較好的高溫塑性,但由于它破壞了基體的連續(xù)性,起著缺口和應(yīng)力集中的作用,在施加載荷過程中會使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展.

圖 2 觀察試樣顯微組織

圖 3 鋼中的非金屬夾雜物

斷口分析

由圖 4 (a) 看出,1# 樣裂紋起始部位在角鋼角部應(yīng)力集中處,向周邊放射狀擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展方向和脆斷方向一致,屬于脆性斷口.由圖 4 (b) 看出在裂紋源處可見解理斷口和少量韌窩斷口,說明是受力后一次斷裂.

由圖 5 (a) 看出,2# 樣角部有黑色縮孔;由圖 5 (b) 看出試樣裂紋起始部位在角鋼頂部縮孔處.

開裂原因分析

試樣存在級別為 2.0 的帶狀組織和級別為 3.0 的夾雜物,對裂紋擴(kuò)展有一定的促進(jìn)作用,但不是角鋼開裂的根本原因.從裂紋擴(kuò)展和角部碰撞處的氧化色來看,1# 樣開裂是由于角鋼頂部受到外力沖擊,發(fā)生了藍(lán)脆現(xiàn)象,藍(lán)脆是碳鋼和某些合金鋼在 230~370℃ 范圍內(nèi)拉伸時,強(qiáng)度升高,塑性降低[1].因為在該溫度范圍內(nèi)加熱鋼的氧化色為藍(lán)色,故此現(xiàn)象稱為藍(lán)脆.藍(lán)脆是形變時效加速進(jìn)行的結(jié)果.當(dāng)溫度升高到某一適當(dāng)溫度時,碳、氮原子擴(kuò)散速率增加,易于在位錯附近偏聚形成柯氏氣團(tuán).這一過程所需的時間較塑性變形發(fā)展所需的時間短,因而在塑性變形過程中就產(chǎn)生了時效,使材料強(qiáng)度提高塑性下降.所以在生產(chǎn)中,當(dāng)鋼材冷卻溫度在230~370℃ 范圍時,應(yīng)避免受到外力碰撞,防止發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象.

圖 4 1# 樣斷口掃描

圖 5 2# 樣斷口掃描

綜合分析檢測結(jié)果最終確定,連鑄坯內(nèi)存在縮孔是 2# 樣產(chǎn)生開裂的直接原因.連鑄坯內(nèi)部存在較大的縮孔時,軋制過程中總壓縮比是一定的,所以鑄坯在軋制成角鋼的過程中并不能使縮孔完全軋合,縮孔殘留在角鋼內(nèi)部,一旦角鋼矯直受到外力時,縮孔處就首先產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋就在縮孔處開始擴(kuò)展.在生產(chǎn)中,要消除或減少鑄坯縮孔缺陷,必須做到 (1) 要控制中間包鋼水過熱度,隨著過熱度的增加,縮孔級別增加[2].(2) 穩(wěn)定拉速,拉速增加,縮孔級別增大,另外拉速與鋼水過熱度應(yīng)配合適當(dāng).

結(jié)束語

根據(jù)角鋼裂紋微觀形貌及組織可以看出發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象和鑄坯縮孔是導(dǎo)致角鋼矯直開裂的直接原因;夾雜物和帶狀組織不是引起開裂的根本原因,但對裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用.為了解決此類問題采取以下措施 (1) 當(dāng)鋼材冷卻溫度在 230~370℃ 范圍時,應(yīng)避免受到外力碰撞,防止發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象.(2) 要控制中間包鋼水過熱度及穩(wěn)定拉速.實施后效果比較好,大大降低了矯直開裂的比例.

[1] 崔忠圻. 金屬學(xué)與熱處理, 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000

[2] 蔡開科. 連鑄技術(shù)的進(jìn)展. 煉鋼, 2001, 18(1): 7-12