甘雯雯, 肖 娟, 赵贤平
(广西柳州钢铁集团有限公司 技术中心, 柳州 545002)
中厚钢板被广泛应用于建筑、桥梁等行业。断后伸长率是衡量钢材力学性能的重要指标之一。铸坯中氢元素含量过高，中心珠光体比例高以及存在带状组织、内应力、夹杂物等均会导致中厚板的断后伸长率不合格，且试样断口出现层状撕裂[1-5]。针对厚度为40 mm的Q235B钢板断后伸长率不合格的问题，笔者采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法对不合格试样进行分析，并提出了相应的改进措施，以避免该类问题再次发生。
1.1 宏观观察
对拉断后断后伸长率合格和不合格的试样进行宏观观察，结果如图1所示。由图1可知：不合格试样的断口上存在层片状的分离面，该面距轧制面约15 mm，呈脆性断裂，加工面上存在呈断续状线条分布的撕裂孔洞层，与层状断口的脆性区位置相对应；
合格试样的断口整体呈韧性断裂，有明显的颈缩，加工面上无撕裂孔洞层。
图1 拉断后断后伸长率合格和不合格试样的宏观形貌
1.2 力学性能测试
厚度为40 mm的Q235B钢板试样的力学性能如表1所示，发现批次1092试样的断口伸长率不符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》的要求。
表1 Q235B钢板试样的力学性能
1.3 化学成分分析
对断后伸长率不合格试样(批次1092)进行化学成分分析，发现断后伸长率不合格试样的化学成分符合GB/T 700—2006的要求(见表2)。
表2 断后伸长率不合格试样的化学成分分析结果 %
1.4 扫描电镜及能谱分析
对断后伸长率不合格试样的断口进行扫描电镜(SEM)及能谱分析，结果如图2所示。由图2可知：不合格试样的断口为解理断口，大部分呈层片状，具有多个平面，层状区附近存在撕裂棱和韧窝；
在层状区内存在较多片状或颗粒性夹杂物，其主要含有Fe，Mn，S，Si，O元素，表明其中多数为MnS夹杂物和非金属氧化物。
图2 断后伸长率不合格试样断口的SEM形貌及能谱图
1.5 金相检验
分别在断后伸长率合格和不合格试样的断口处取样，用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液侵蚀，观察试样轧制方向的截面组织，结果如图3所示。由图3可知:合格和不合格试样的显微组织均为铁素体+珠光体；
在不合格试样的夹杂物聚集处或支流汇集处有孔洞出现，在呈河流花样分布的夹杂物处存在铁素体带，其距轧制表面约15 mm，与不合格试样断口宏观形貌的层片状位置相对应。
图3 断后伸长率合格和不合格试样断口的显微组织形貌
SEM分析结果显示，不合格试样中的MnS较多，说明钢中Mn，S元素含量比及O元素的含量较高，使得FeS与FeO形成的共晶体熔点变低。Q235B钢的液相线温度理论值为1 518 ℃[6]，而该炉不合格试样钢板的中间包温度为1 558 ℃，与理论值相比，该不合格试样钢板的过热度较高，导致生产中铸坯拉速降低，不利于合金元素的均匀分布。能谱分析结果显示，分层断口附近有S元素偏析，主要夹杂物为MnS，说明钢水在结晶器凝固过程中，凝固速率慢，溶质元素S发生了偏聚，溶质原子在熔体中的扩散速率小于晶体生长速率，使部分区域S元素含量偏高，形成了硫化物偏析。Mn元素与不均匀分布的S元素形成了MnS夹杂物，其在连铸过程中上浮，最后凝固，造成局部区域MnS富集，割裂了基体的均匀连续性，增大了钢的脆性，使钢的塑性下降。MnS是塑性夹杂物，在后期轧制控冷过程中容易沿轧制方向变形成条状或聚集性颗粒状，以MnS夹杂物为形核点，会优先形成铁素体膜，并沿着颗粒状硫化物分布，最终呈河流花样状，导致钢板的横向性能变差。宏观观察结果显示，断口为脆性断裂，钢板中的硫化物与基体是机械性结合，结合力较低[7]。当横向的拉伸试样承受外界载荷时，拉应力在某滑移平面开始产生位错，硫化物与基体的交界处为强度最弱区域[8]，产生应力集中，随后以非金属夹杂物为起裂点产生孔洞，随着拉应力的增大，较软的铁素体偏析带优先变形并开裂，一些聚集性的颗粒状硫化夹杂物使位错排斥力下降，形成剪切面平台，加快了裂纹的扩展，造成试样分层断裂，最终导致拉伸试样的断后伸长率降低。
为减小MnS夹杂物带来的影响，提高拉伸试样的断后伸长率，提出以下改进措施：合理控制钢包温度，保持较高的出钢碳含量，降低钢的含氧量；
选择钢包合适的吹氩流量和时间，保证钢水的纯净，从减少一些有害元素的偏析，从而提高钢材的力学性能；
增强钢包到中间包结晶器这一过程的保护浇注，做好保护渣吸附夹杂物的工作，加快铸坯凝固速率。
综合以上措施，优化炼钢过程，使中间包温度控制在约1 530 ℃，减小钢水的过热度。工艺改进前后Q235B钢板的力学性能如表3所示，改进前后分别选取30批试样进行测试，结果表明改进后该Q235B钢板断后伸长率的合格率得到了提升。
表3 工艺改进前后Q235B钢板的力学性能
Q235B钢板断后伸长率不合格的主要原因如下所述。
(1)MnS夹杂物的聚集造成了应力集中，使钢板分层断裂。
(2)在连铸坯结晶过程中，中间包温度高，连铸坯拉速降低，导致S元素形成偏聚。
(3)钢板在冷却轧制过程中以硫化物为形核点，形成了铁素体偏析带。
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