王攀峰， 靳　星

(南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京　210035)

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高強(qiáng)船板延伸率不合格原因分析與探討*

王攀峰， 靳星

(南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京210035)

結(jié)合高強(qiáng)船板冶煉和軋制生產(chǎn)的實(shí)際情況，通過采用金相分析、掃描電鏡微觀分析和低倍檢測(cè)分析等手段，對(duì)高強(qiáng)船板延伸波動(dòng)的主要原因進(jìn)行分析和探討，尋找延伸率不合格與坯料質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并提出工藝優(yōu)化措施，提高船板延伸率。

高強(qiáng)船板； 延伸率； 內(nèi)部質(zhì)量； 中間裂紋

引言

隨著造船業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)船板的需求與日俱增，對(duì)船板的強(qiáng)韌性、可焊性和表面質(zhì)量要求也不斷提高，對(duì)材料本身性能的要求也更加嚴(yán)格。延伸率(δ)是描述材料塑性性能的指標(biāo)，即試樣拉伸斷裂后標(biāo)距段的總變形ΔL與原標(biāo)距長(zhǎng)度L之比的百分?jǐn)?shù)：δ=ΔL/L×100%。延伸率在一定程度上反映了材料塑性變形的承受能力。從強(qiáng)度級(jí)別上看，高強(qiáng)船板的強(qiáng)度等級(jí)高于普通船板，在高強(qiáng)度條件下滿足材料延伸率性能對(duì)材料本身提出了更高的要求，在生產(chǎn)過程中，由于坯料中心偏析、鋼板內(nèi)部質(zhì)量等問題，鋼板延伸率經(jīng)常出現(xiàn)波動(dòng)，影響了高強(qiáng)船板的交付和使用。

許多學(xué)者[1-8]對(duì)鋼板延伸率問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，主要從鋼水純凈度、鑄坯中心偏析、夾雜物分布和組織異常等方面開展工作。劉曉美[1]等對(duì)Q235B鋼板延伸率不合格試樣進(jìn)行分析，認(rèn)為內(nèi)部夾雜物特別是硫化物分布不均勻是造成延伸率不合格的主要原因，改進(jìn)措施是提高冶金質(zhì)量，減少夾雜物偏析，盡可能把夾雜物從條帶狀改變?yōu)榉稚⒐铝⒌狞c(diǎn)狀，以減少應(yīng)力集中，從而提高鋼板的延伸率。姚海濱[2]、陸淑娟[3]從鋼材中夾雜物的類型和鋼水純凈度控制方面進(jìn)行分析，認(rèn)為沿軋向分布的條帶狀塑性?shī)A雜物(硫化物、硅酸鹽和點(diǎn)鏈狀氧化物)是造成鋼板延伸率低的主要原因。羅淼[4]分析認(rèn)為鋼材中超標(biāo)帶狀組織、硫化物夾雜和心部高硬度脆性相的存在是造成 Q345R容器板延伸性能不合的主要因素；通過優(yōu)化鈣處理工藝和連鑄冷卻制度，控制硫含量以減少鋼中的夾雜物數(shù)量，改善成分偏析和夾雜物的分布，可以減少鋼中的裂紋源并抑制裂紋的擴(kuò)展，最終提高鋼板的延伸性能。劉洪芝[5]、王艷莉[6]、蘇春昌[7]等從鋼板異常組織、鋼水純凈度、夾雜物等方面對(duì)影響鋼板延伸率的因素進(jìn)行分析，提出優(yōu)化措施，改善厚度方向鋼板性能均勻性。

1　影響鋼板延伸率的主要因素分析

1.1化學(xué)成分對(duì)延伸率的影響

如果僅考慮鋼中晶粒尺寸、珠光體含量及固溶元素對(duì)延伸率的影響，材料斷裂時(shí)的總應(yīng)變可以用下式表示

0.29×w(Sn)+0.015×d-0.5

(1)

從式(1)可以看出，影響材料總應(yīng)變的主要因素有：碳含量、晶粒大小、磷、硫雜質(zhì)含量等，其中由于磷和錫元素容易在晶界析出，影響材料塑性變形；硫含量高容易生成硫化物夾雜，影響材料基體塑性連續(xù)變形能力；Si，Mn為鐵素體固溶元素，除了生成夾雜物影響塑性外，固溶在鐵素體內(nèi)的Si，Mn對(duì)塑性影響不大，相反由于使奧氏體相變溫度下降，有利于細(xì)化鐵素體晶粒。連鑄成分偏析對(duì)帶狀組織的生成影響較大，帶狀組織嚴(yán)重破壞了金屬變形的連續(xù)性，隨著帶狀級(jí)別的加大，延伸率指標(biāo)也呈下降趨勢(shì)，尤其是鋼板中心位置的偏析嚴(yán)重時(shí)會(huì)大幅度降低延伸性能。

1.2材料組織對(duì)延伸率的影響

由于高強(qiáng)度船板有碳當(dāng)量要求，采用控軋、控冷工藝保證強(qiáng)度要求，組織狀態(tài)以鐵素體+珠光體為主，大部分為鐵素體；由于珠光體是由鐵素體與滲碳體構(gòu)成的，鐵素體為塑性相，滲碳體為脆性相，脆性相不易變形，因此珠光體量的多少及其形態(tài)是影響延伸率性能的主要因素。減少珠光體量可以有效地提高塑、韌性，同時(shí)又要滿足高強(qiáng)船板的強(qiáng)度要求；另外細(xì)化珠光體片層間距可以有效地使?jié)B碳體片變薄，使其易于變形，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致珠光體總量的增加(增加偽珠光體量)。晶粒尺寸越小，材料越容易變形，其延伸率指標(biāo)也越高，但在考慮晶粒對(duì)延伸率影響的同時(shí)，晶粒的均勻性也要一并考慮。

1.3工藝對(duì)材料延伸率的影響

1)煉鋼工藝方面，主要考慮鋼水純凈度、鑄坯內(nèi)部質(zhì)量、中心偏析的控制等因素對(duì)鋼板延伸性能的影響，原則上鋼水純凈度越高、內(nèi)部質(zhì)量越好、中心偏析較輕均有利于延伸性能的提升。

2)軋鋼工藝方面，主要考慮加熱溫度、開軋溫度、終軋溫度和軋后冷卻速度等因素對(duì)鋼板延伸性能的影響，較低的加熱溫度、開軋溫度有利于獲得較細(xì)的原始奧氏體晶粒，為最終得到細(xì)小的鐵素體晶粒創(chuàng)造條件，有利于延伸率的提高；適當(dāng)降低終軋溫度，軋制時(shí)晶粒變形帶增多，有利于后續(xù)鐵素體的形核并細(xì)化鐵素體晶粒，對(duì)塑性的提高有利；軋后鋼板冷卻均勻性和終冷溫度也會(huì)影響鋼板延伸性能。

2　高強(qiáng)船板延伸率不合格原因分析

2.1延伸率不合格統(tǒng)計(jì)

在高強(qiáng)船板生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了批量性延伸性能波動(dòng)的情況，船級(jí)社規(guī)范要求高強(qiáng)船板A36延伸率≥21%，約有20%比例出現(xiàn)了不同程度的延伸率不合格。

表1　不同厚度船板的延伸率統(tǒng)計(jì)

軋制鋼板厚度規(guī)格為8～28 mm，對(duì)比不同厚度鋼板的合格率情況(如表1所示)，不合格試樣主要集中在28 mm厚度，合格率僅為51.72%，小于28 mm厚度鋼板延伸合格率較高，數(shù)據(jù)分析表明，高強(qiáng)船板延伸率不合格與軋制鋼板厚度有相關(guān)性。

2.2拉伸斷口宏觀形貌

對(duì)不合格試樣的拉伸斷口進(jìn)行觀察，如圖1所示，斷口處無明顯頸縮，均為脆性斷口，表明鋼板塑性變形能力較差。在拉伸試樣斷口處，出現(xiàn)了不同程度的臺(tái)階狀形貌，表明鋼板厚度方向材料塑性變形的連續(xù)性出現(xiàn)問題。

圖1　不合格試樣斷口形貌

2.3拉伸斷口掃描電鏡觀察

圖2　合格和不合格試樣的掃描電鏡觀察

對(duì)比合格和不合格試樣斷口形貌(如圖2所示)，不合格試樣有較多條帶狀形貌，合格試樣也有條帶狀形貌，但是數(shù)量比前者少；對(duì)斷口局部放大觀察，條帶狀部位內(nèi)有大量硫化錳夾雜(如圖3所示)。MnS的大量存在會(huì)導(dǎo)致鋼板塑性變形變差，直接影響鋼板延伸率。

Spectrumw(S)/%w(Mn)/%w(Fe)/%TotalSpectrum125.0540.5134.45100.00Spectrum232.3856.3411.27100.00Spectrum327.4552.0120.53100.00

圖3試樣夾雜物分析結(jié)果

將試樣側(cè)面磨拋腐蝕、觀察，試樣組織均為鐵素體+珠光體，試樣心部均有輕微偏析，如圖4所示。不合格試樣側(cè)面有拉伸孔洞，孔洞附近組織為鐵素體+珠光體，有少量硬相馬氏體組織，如圖5所示。

圖4　心部組織對(duì)比

圖5　不合格試樣組織觀察

2.4氧氮、夾雜分析

對(duì)延伸合格和不合格試樣進(jìn)行氧氮、夾雜和晶粒度分析。氧氮分析結(jié)果表明，兩種試樣的氧含量均為(11～13)×10-6，不合格試樣氮成分為54×10-6，而合格試樣為35×10-6。夾雜分析結(jié)果如表2所示，不合格試樣存在大顆粒夾雜。兩種試樣的晶粒度和帶狀組織水平相當(dāng)，晶粒度為8.5級(jí)，帶狀組織為1.5級(jí)。

表2　不同試樣的夾雜分析結(jié)果

2.5鑄坯、鋼板低倍和Z向分析

對(duì)高強(qiáng)船板鑄坯和鋼板的低倍照片進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：鑄坯存在中間裂紋，位于厚度方向上1/2與1/4之間，裂紋評(píng)級(jí)為中心裂紋1.0，如圖6所示；延伸不合格鋼板的板厚中心存在明顯偏析，在鋼板厚度1/2與1/4之間出現(xiàn)明顯開裂，與鑄坯質(zhì)量存在相關(guān)性，可能與鋼板延伸有關(guān)。

圖6　延伸不合格鑄坯和鋼板低倍照片

圖7　延伸不合格試樣Z向拉伸斷口

通過船板內(nèi)部質(zhì)量剖析，對(duì)延伸不合格試樣進(jìn)行Z向拉伸(如圖7所示)可見，拉伸斷口存在明顯臺(tái)階狀脆性斷裂區(qū)，可能與坯料的中間裂紋有關(guān)，斷口未發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)。

2.6分析與探討

上述分析結(jié)果表明，船板延伸率出現(xiàn)波動(dòng)可能與坯料內(nèi)部質(zhì)量有關(guān)。由于坯料內(nèi)部存在中間裂紋，經(jīng)過軋制變形后，當(dāng)軋制壓縮比較大時(shí)，部分中間裂紋在高溫加熱、壓縮變形后消除或減弱，未對(duì)性能造成明顯影響；而軋制壓縮比較小時(shí)，裂紋在后續(xù)軋制過程中無法消除，在力學(xué)拉伸過程中由于裂紋兩側(cè)材料的均勻性差，對(duì)塑性變形產(chǎn)生較大影響，造成延伸率變差。這一規(guī)律與延伸不合格鋼板的厚度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，延伸不合格的鋼板均為28 mm厚，小于25 mm厚的鋼板受到影響相對(duì)較小。

3　優(yōu)化措施

為了改善高強(qiáng)船板的延伸性能，主要考慮采取如下優(yōu)化措施：

1)對(duì)連鑄機(jī)進(jìn)行檢修，提高輥縫對(duì)弧精度，改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量；

2) 提高鋼水純凈度，控制w(Mn)/w(S)，改善坯料的中心偏析和夾雜物，提高鋼板厚度方向的均勻性。

采取優(yōu)化措施后，延伸率平均指標(biāo)為24%～27%，延伸性能合格率為100%，高強(qiáng)船板延伸率得到大幅度提升。

4　結(jié)　論

(1)低倍分析和Z向拉伸結(jié)果表明，鑄坯和鋼板的低倍檢驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)中間裂紋，這與鋼板延伸率性能波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，是影響高強(qiáng)船板延伸率出現(xiàn)波動(dòng)的主要原因。

(2)掃描電鏡分析結(jié)果表明，鋼板中心偏析和MnS夾雜有待于進(jìn)一步提高，這不是導(dǎo)致鋼板延伸率波動(dòng)的主要原因。

(3)通過優(yōu)化工藝，提高輥縫對(duì)弧精度，改善鑄坯低倍質(zhì)量；提高鋼水純凈度，改善中心偏析和夾雜物，提高鋼板厚度方向的均勻性，高強(qiáng)船板延伸性能得到了明顯的改善。

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2016-04-08

王攀峰(1981—)，男，工程師。E-mail：wangpanfeng@njsteel.com.cn

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