供稿|李肖，鄧建軍，林明新，張海軍，靳興亞，趙曉輝 / LI Xiao, DENG Jian-jun, LIN Ming-xin, ZHANG Haijun, JIN Xing-ya, ZHAO Xiao-hui

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章通過(guò)研究試樣的低倍、高倍組織及能譜分析結(jié)果表明16MnDR復(fù)合板中存在較多硫化物、氮化物夾雜及未能軋合的顯微疏松?；w板材存在放射網(wǎng)狀細(xì)小裂紋，且基體板材內(nèi)含有較多硫化物及大顆粒鈮的碳氮化物夾雜；板材中心偏析加劇了裂紋的擴(kuò)展大顆粒的鈮的碳氮化物在板材受力變形中成為應(yīng)力集中點(diǎn)造成板材加工開(kāi)裂。優(yōu)化造渣工藝提高鋼液純凈度，最大程度降低鋼液中硫、磷等元素含量，在連鑄坯澆筑過(guò)程中采取保護(hù)性措施，避免鋼液二次氧化，優(yōu)化連鑄工藝減少板材心部偏析，可以有效規(guī)避16MnDR復(fù)合板加工開(kāi)裂。

爆炸復(fù)合板是通過(guò)瞬間的高溫高壓爆炸沖擊波將不同性質(zhì)的金屬板焊接在一起，能夠綜合兩種材質(zhì)，更有效滿(mǎn)足板材性能要求。由于爆炸復(fù)合板具有良好的設(shè)計(jì)性特點(diǎn)，目前已大量應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、電子、電力、汽車(chē)、輕工、宇航、核工業(yè)、造船等行業(yè)[1]。對(duì)于爆炸復(fù)合板壓力容器來(lái)說(shuō)，由于爆炸復(fù)合板特殊的工藝特性使得復(fù)合板結(jié)合層中熔化后又凝固的結(jié)晶組織容易產(chǎn)生夾雜、空洞等缺陷，在荷載作用下易形成裂紋[2-3]。這些裂紋在外力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋開(kāi)展，材料失效。某鋼廠(chǎng)在生產(chǎn)16MnDR復(fù)合板時(shí)，發(fā)現(xiàn)基體板靠近復(fù)合界面一側(cè)出現(xiàn)裂紋。本文切取裂紋附近處的復(fù)合板試樣進(jìn)行低倍、金相組織、成分、能譜等分析得出裂紋原因。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料

復(fù)合板基體材料為16MnDR，實(shí)驗(yàn)材料從裂紋附近處切取43 mm×100 mm×100 mm的全厚度試樣并去除熱影響區(qū)。16MnDR化學(xué)成分如1表所示。

實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)切取的43 mm×100 mm×100 mm試樣進(jìn)行低倍組織觀(guān)察，從低倍試樣中切取包含復(fù)合界面的全厚度金相試樣，進(jìn)行金相組織和能譜分析。低倍試樣經(jīng)機(jī)床精加工后酸洗，觀(guān)察其偏析疏松情況；金相試樣經(jīng)過(guò)400#～1000#砂紙粗磨、細(xì)磨及機(jī)械拋光后，在腐蝕前采用Axiovert 200MAT顯微鏡觀(guān)察夾雜物并判定等級(jí)；隨后將其置于濃度為4%的硝酸酒精中腐蝕適當(dāng)時(shí)間，觀(guān)察并評(píng)判晶粒度及組織類(lèi)型。使用QUANTA 400型掃描電鏡及能譜，分析相關(guān)夾雜物成分。

表1 16MnDR化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

金相分析

◆ 低倍組織及夾雜物分析

16MnDR試樣的低倍組織如圖1所示，板厚接近中心處存在明顯的中心偏析，表現(xiàn)為一條明顯的暗線(xiàn)(距外弧20 mm處)。

經(jīng)高倍顯微鏡觀(guān)察沿板材厚度方向的夾雜物分布情況如圖2所示，夾雜物主要沿復(fù)合界面9 mm至基體板材厚度的1/3之間分布，圖2(a)、(b)主要為硫化物夾雜，其中硫化物細(xì)系3.0、氧化鋁細(xì)系0.5、球類(lèi)夾雜粗系2.5，細(xì)系2.0。圖2(c)為鈮的碳氮化物夾雜，氮化物一般具有規(guī)則的幾何形狀，在明視場(chǎng)中帶有一定色彩。

◆ 顯微組織觀(guān)察

腐蝕后金相試樣靠近中心處發(fā)現(xiàn)放射網(wǎng)狀細(xì)小裂紋如圖3所示，此種裂紋一般以晶間裂紋形式出現(xiàn)在板材中心部位。

通過(guò)高倍顯微鏡對(duì)試樣的組織進(jìn)行觀(guān)察，如圖4所示。圖4(a)、(b)、(c)、(d)為復(fù)合界面、上表面、板厚1/4、板厚1/2處的顯微組織圖。由圖4(b)可知晶粒度為9.5級(jí)，由圖4(c)可知珠光體沿軋制反向呈條帶狀分布，由圖4(d)可知組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，表面至中心晶粒形態(tài)相近且細(xì)小。

掃描電鏡及能譜分析

通過(guò)掃描電鏡及能譜對(duì)圖3出現(xiàn)的放射網(wǎng)狀細(xì)小裂紋進(jìn)行觀(guān)察分析，結(jié)果如圖5和表2所示，裂紋處聚集著MnS、FeS夾雜導(dǎo)致在板材軋制中施以大壓下量仍不能壓合。

對(duì)裂紋處夾雜物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。

將高倍顯微鏡下觀(guān)察到的多邊形粉色塊狀物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6和表3所示。經(jīng)能譜及組織分析可知多邊形粉色塊狀物為鈮的碳氮化物。

原因及改進(jìn)措施

通過(guò)金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜對(duì)16MnDR復(fù)合板裂紋處材料檢測(cè)分析表明，鋼板中硫化物夾雜較多且板材偏中心處存在放射網(wǎng)狀細(xì)小裂紋[4]。裂紋產(chǎn)生原因是鋼液凝固時(shí)，存在氣體、金屬夾雜物或者低熔點(diǎn)組元富集區(qū)，其晶界十分脆弱，凝固后期硫化錳夾雜物的收縮系數(shù)大于鋼基體，因此在鋼板冷卻過(guò)程中在硫化錳夾雜物和鋼基體之間就會(huì)產(chǎn)生微間隙，在板材加工過(guò)程中容易開(kāi)裂[5]。通過(guò)提高鋼液的純凈度，確保連鑄澆注過(guò)程中保護(hù)澆注效果，盡量減少鋼液吸氮，減少鈮的碳氮化物生成，優(yōu)化連鑄工藝減少板材心部偏析，規(guī)避板材加工開(kāi)裂問(wèn)題[6]。

表2 裂紋處夾雜物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

結(jié)束語(yǔ)

16MnDR復(fù)合板加工開(kāi)裂原因主要有：①基體板材存在放射網(wǎng)狀細(xì)小裂紋，且基體板材內(nèi)含有較多硫化物及大顆粒鈮的碳氮化物夾雜；②板材中心偏析加劇了裂紋的擴(kuò)展大顆粒的鈮的碳氮化物在板材受力變形中成為應(yīng)力集中點(diǎn)造成板材加工開(kāi)裂。優(yōu)化造渣工藝提高鋼液純凈度，最大程度降低鋼液中硫、磷等元素含量，在連鑄坯澆筑過(guò)程中采取保護(hù)性措施，避免鋼液二次氧化，優(yōu)化連鑄工藝減少板材心部偏析，規(guī)避16MnDR復(fù)合板加工開(kāi)裂。

表3 碳氮化物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)