普通碳素钢板氢致冷弯裂纹研究

轧：！Ｑ：钢２００９年８月・第２６卷・第４期量三曼曼兰璧望！：兰！些壁垒！曼：！！！！圣呈！；！！墼呈；！普通碳素钢板氢致冷弯裂纹研究赵乾，李艳梅，王豹，朱伏先１１０００４）（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验宦，辽宁沈阳摘要：对某厂Ｑ２３５Ｂ厚规格钢板冷弯试样表面出现裂纹原因进行了分析，指出钢中存在粗大条片状复合夹杂物是冷弯开裂的“裂纹源”，而诱发裂纹形成的原因是钢中含有过饱和的“内氢”。通过优化炼钢、连铸工艺以降低夹杂物含量；通过提高炉料干燥度并对铸坯进行落地堆冷及钢板轧后缓冷，可有效降低钢中的“内氢”含量，由此杜绝了裂纹的产生。关键词：Ｑ２３５Ｂ钢；厚规格钢板；氢致冷弯裂纹；复合夹杂物；堆冷中图分类号：ＴＧ３３５．５Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ文献标识码：Ａ文章编号：１００３—９９９６（２００９）０４—００１０—０５ＨｙｄｒｏｇｅｎＩｎｄｕｃｅｄＣｏｌｄ—ｂｅｎｄＣｒａｃｋｉｎｇｉｎＣａｒｂｏｎＳｔｅｅｌＰｌａｔｅＺＨＡＯＱｉａｎ，ＬＩＹａｎ－ｍｅｉ，ＷＡＮＧＢａｏ。ＺＨＵＦｕ—ｘｉａｎ（ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ．ｏｆＲｏｌｌｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０００４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｃｒａｃｋｉｎｇｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｃｏｌｄ—ｂｅｎｄｓｐｅｃｉｅｓｏｆＱ２３５Ｂｈｅａｖｙｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｗａｓｔｈｅｓｏｕｒｃｅａｎａ—ｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｇａｎｄｔｈｅｒｅａｓｏｎｃｏａｒｓｅｓｌｉｖｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｃｌｕｓｉｏｎｉｎｓｔｅｅｌｉｓａｒｅｏｆｔｈｅｃｏｌｄ—ｂｅｎｄｃｒａｃｋ—ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｇＯｃｃｕｒｓｔｈｅｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｅｄｉｎｎｅｒｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｔｏｔｈｅｓｔｅｅｌ．ＴｈｅｏｆｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｃｈａｒｇｅｉｎｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｄｕｃｅｔｈｅＫｅｙｃｏｎｔｅｎｔｃａｓｔｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓｏｆｉｎｃｌｕｓｉｏｎ．Ｔｈｅｄｒｙｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃａｎｂｉｌｌｅｔｓｗｅｒｅｃｏｏｌｅｄｉｎｐｉｌｅ．Ａｌｌａｂｏｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅ—０ｆｉｎｎｅｒｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｓｔｅｅｌａｎｄｔｈｅｏｆｔｈｉｓｔｙｐｅｄｅｆｅｃｔｃａｎｂｅａｖｏｉｄｅｄ．ｗｏｒｄｓ：Ｑ２３５Ｂｓｔｅｅｌ；ｈｅａｖｙｐｌａｔｅ；ｈｙｄｒｏｇｅｎｉｎｄｕｃｅｄｃｏｌ＆ｂｅｎｄｃｒａｃｋｉｎｇ；ｃｏｍｂｉｎｅｄｉｎｃｌｕｓｉｏｎ；ｃｏｏｌｉｎｇｉｎｐｉｌｅ１引言冷弯性能是热轧中厚板的重要性能指标之一，其主要用于评价钢板在后续加工中承受冷变形能力的大小。２００７年５～６月闻，国内某厂生６结论采用三维热力耦合弹塑性有限元方法，对（３）在变形区内部，因与轧辊接触的原因，轧件表面温度迅速降低，芯部因塑性功转换为热的原因，温度升高，出变形区后．车Ｌ件表面返红，同时在粗轧过程中轧件平均温度降低较精轧过程缓慢。参考文献：［１］李敬民，唐广波，刘正东，等．ＣＳＰ热连轧组织性能预报数据库的建立［Ｊ］．轧钢。２００７，２４（２）：４８—５０［２］郑坚，唐广波，程杰锋，等．珠钢ＣＳＰ热轧组织性能预报软件设计［Ｊ］．轧钢，２００３。２０（１）；１５—１７．Ｉｓ］刘才，崔振山．板材热轧热力耦合有限元模拟［Ｊ］．机械工１２５０ｍｍ×２０ｒａｍ热轧带钢整个轧制过程进行了仿真分析。通过计算可以得到如下结论：（１）通过将轧制过程先分段后组合的方法，可以获得轧制全程的仿真计算结果，通过和轧制温度现场测量结果的对比可以看出，所采用的方法是可行的；（２）在轧制过程中，带钢边部温度较中间部位温度低，长度方向带钢头部温度较尾部温度要高，粗轧阶段轧件靠近边部的位置应变较大，而在精轧阶段，中间部位应变较大；收稿日期：２００９一０４一０７程学报．１９９８，３４（４１）；３６．［４］李学通，杜风山，臧新良．板带粗轧过程热、力、组织耦合三维有限元模拟［Ｊ］．中国机械工程，２００６，１７（１）：９２．作者简介：赵乾（１９８０一），男（汉族），山东日照人，硕士研究生。万方数据第２６卷・第４期赵乾等：普通碳素钢板氢致冷弯裂纹研究・１１・产的厚３０ｍｍ以上规格Ｑ２３５热轧钢板，在进行１８０。冷弯性能试验时发现部分试样弯曲部出现大小不同的微裂纹或开裂现象，受厂方委托对产生裂纹的试样进行了研究分析，找到了裂纹的形成原因并提出了改进措施，杜绝了同类缺陷的产生。直截面上存在未穿透到外表面的内部裂口。３裂纹形成原因分析３．１被检试样的化学成分及力学性能表１和表２分别为出现冷弯裂纹试样所对应的化学成分和力学性能。从表１可以看出，试样的化学成分符合ＧＢ７００—１９８８标准要求，Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ含量正常，Ｐ、Ｓ的含量相对于普通的Ｑ２３５Ｂ钢来说，应属于控制到了很好的水平；从表２可以看出，试样的常规力学性能也完全符合ＧＢ２裂纹的宏观形态图１是Ｑ２３５Ｂ厚４０ｍｍ钢板冷弯试样酸洗后的表面裂纹形貌。裂纹分布在弯曲试样的中间部位（图ｌａ），而试样两侧边却完好无损，没有发现从边部致裂并逐步扩展到中心的贯穿性裂纹，这与传统的冷弯试样裂纹形态存在显著差别。试样表面存在多处大小不同、形状各异的小裂口（图ｌｂ），垂直截面上裂口的形态如图２所示。经测量，裂口的深度大约在０．０７～ｏ．５５ｍｍ之间。此外，裂纹不仅仅存在于冷弯试样的外表面，而且沿钢板垂７００—１９８８标准要求，强度值适中、冲击功在１１２～１６３Ｊ之间、伸长率为２９％～３５％，而且反映冷成形性能的屈强比只有０．５３～０．５７。因此，仅仅通过化学成分和力学性能的数据分析，根本无法理解本批试样会出现冷弯性能不合，更无法从中找到冷弯裂纹形成的具体原因。ｂ１图１某厂Ｑ２３ＳＢ冷弯试样的裂纹外观ａ）冷弯试样实物照片；ｂ）裂纹处局部放大图２冷弯试样裂纹的截面形态表１冷弯不合试样的化学成分万方数据・１２・轧钢２００９年８月出版表２冷弯不合试样的力学性能３．２被检试样的微观组织图３是冷弯裂纹试样表面和裂纹周边的微观组织，冷弯试样表面没有因过冷等引起的异类相组织，试样表面与裂纹周边具有相同的铁素体＋珠光体组织，铁素体晶粒较细且无局部魏氏组织。另外，珠光体带状组织并不严重。由此可以判断，冷弯裂纹与钢板的表层组织无直接关系且来自基体组织因素的影响不大，也就是说冷弯裂纹的出现与轧制时的组织性能控制工艺之间没有直接的因果关系。ａ）ｂ）图３试样表面及其裂纹处的显微组织ａ）裂纹试样表面组织；ｂ）裂纹周边试样组织３．３冷弯裂纹的裂纹源图４和图５是试样非裂纹与裂纹处的夹杂物图谱。从图４可以看出，非裂纹处夹杂物尺寸相对较小，多数为近似球形且无特定规律并呈散乱分布，化学成分比较单一，为冶炼过程中残留在钢中的脱氧产物和二次氧化物；从图５可以看出，裂纹处夹杂物以硫化锰及较大尺寸的硅酸盐等复合夹杂物为主，这些较大夹杂物的产生主要是由于浇铸末期钢包下渣或结晶器保护渣卷入所致。．图４试样非裂纹处的夹杂物形貌及能谱图６是试样内部未穿透裂纹周边的显微组织，裂纹垂直于钢板平面并朝冷弯试样外表面方向扩展，大致呈菱形，在平行于轧制方向的菱形对角线上可清晰地看到比较粗大的条片状夹杂物。万方数据第２６卷・第４期赵乾等：普通碳素钢板氢致冷弯裂纹研究・１３・由此不难断定，裂纹最初是在条片状夹杂物与基体的界面处萌生并不断向两侧扩展而形成的，说明钢中的粗大条片状夹杂物就是冷弯裂纹的“裂纹源”，也是试样冷弯开裂的重要因素。图５试样裂纹处条片状夹杂物的形貌及能谱ａ）ｂ）图６试样内部未穿透裂纹周边的显微组织３．４自然时效对冷弯裂纹的影响综合上述分析，并考虑到冷弯开裂多出现在说明自然时效后，钢中的氢得到了有效释放，裂纹的形核率和扩展速度显著降低。３．５裂纹形成的微观机制通常，钢材在冶炼、轧制等过程中都有可能侵入氢，并将精整后未能完全释放并保留在钢中的那部分称为“内氢”。当钢材中含有过饱和的“内氢”时，将会在某些显微缺陷处或组织不均处富集而形成氢分子，这种聚集后的氢气压力即“氢压”非常大，它可以协助外应力使裂纹形核和扩散，导致钢材在比屈服强度低得多的应力状态下产生断裂［３］。另外，金属的塑性变形是位错运动的结果，在塑性变形过程中当位错与夹杂物相遇时将在其周围大量缠结并越聚越多，形成位错塞积群。这种位错塞积群一方面能使氢发生偏聚成为氢的强大陷阱；另一方面聚集在一起的氢又能促进位错的进一步增殖，减弱了机体与夹杂物之间的连贯性，从而引起氢致裂纹形核。由此可见，钢中的非厚规格钢板的现象，决不容忽视钢中气体夹杂尤其是氢的存在对冷弯性能的不良影响［１】，再考虑到该厂目前只有ＬＦ炉而无ＲＨ、ＶＤ等炉外精炼设备，正常工艺生产的钢材中难免会存在一定数量的氢。由于受检测时间、地点限制，未能对冷弯裂纹试样中的氧、氮、氢气体夹杂含量及分布状态等进行定量分析，但Ｈ的扩散与时效时间明显相关，随时效时间的延长，Ｈ含量逐步降低［１’２］。为此，采用自然时效释放氢的方法进行了对比试验，按标准在被检钢板上的相邻位置制取多块冷弯试样并分成两组，其中一组随即就做冷弯试验，而另一组经过一段时间时效处理后再做冷弯试验。试验结果显示，未经过时效处理的试样上出现如图１所示的冷弯裂纹，而经过时效处理后的另一组试样经冷弯试验后却没有发现任何裂纹，万方数据・１４・轧钢２００９年８月出版金属夹杂物既是氢运动的扩散通道又是氢的陷阱，对氢的运动产生非常复杂的交互作用。根据夹杂物、氢与位错间的相互影响关系，可以判定在冷弯试验中随着弯曲变形的进行，钢中的氢会逐渐聚集在夹杂物的周围，当冷弯塑性变形与氢和位错的相互作用达到一定程度时，这些脆性夹杂物与钢基体将发生剥离或夹杂物本身发生断裂破碎而形成微裂纹，并随着塑性变形的不断进行逐步扩展为宏观的断裂。由于氢的扩散过程对拉应力状态格外敏感，所以只能在被检冷弯试样的外侧拉应力区内观察到未穿透裂纹，又因为氢通常是从低应力区向高应力区扩散转移［４］，所以在冷弯试样外表面上看到的裂纹其实是由试样中性面以外的拉应力区逐渐向外扩展直至穿透外表面所致。如果夹杂物的数量越多、尺寸和长宽比越大、距外表面距离越远、聚集的氢压越大，则外表面上出现的裂纹就越大、越深，甚至会出现沿整根试样完全开裂的现象，如图７所示。钢中的条片状复合夹杂物与钢中残存的氢在冷弯变形过程中产生复杂的交互作用所致。（２）复合夹杂物主要以硫化锰及硅酸盐为主，初步认定是由于连铸过程中，浇铸末期钢包下渣或结晶器保护渣卷入所致。（３）为从根本上解决冷弯开裂的问题，应严格保证脱氧剂、渣料和保护渣等炉料质量；优化炼钢、连铸工艺以降低各类有害夹杂物的含量；严格禁止浇铸末期钢包下渣及结晶器卷渣，严格施行全程保护浇铸，对高牌号钢还应采用Ｃａ处理或微Ｔｉ处理工艺，有效控制硫化物夹杂的形态和分布状态。（４）严格要求各种炉料尤其是保护渣的干燥度，对加入的脱氧合金等要进行严格的烘烤以去除残存水分，这样将有助于减少钢中的“内氢”含量。（５）铸坯落地堆冷及钢板轧后缓冷，都有利于钢中“内氢”的有效释放。建议轧制厚３０ｍｍ以上规格钢板时，控冷后先下线堆垛缓冷４８ｈ后再上线精整，这样将有助于钢中过饱和而脱溶的氢充分溢出，同时可以减少钢材轧后快冷过程中产生的热应力和组织应力，有利于提高钢板的冷弯性能。参考文献：［１］张越峰，王勇，王金柱。等．余热处理钢筋冷弯反弯裂纹消除措施研究［Ｊ］．轧钢，２０００。１７（５）：１７—１９．圈７氢致冷弯裂纹的极端情况［２］阴峻峰，王勇。钟保军．对３０ＭｎＳｉＢ钢中氨自然扩散规律的研究［Ｊ］，河北冶金，２００５，（３）：１３—１７．［３］朱伏先，李艳梅，吴颖．ＰＣ钢棒的氢致延迟断裂及其对策４结论与建议（１）某厂Ｑ２３５Ｂ厚规格钢板冷弯试样上出现的大小、形状和深浅各异的裂纹和开裂现象，是由［Ｊ３．金属制品，２００３，２９（１）：６—９．［４］任学冲，褚武杨，李金许，等．ＭｎＳ夹杂对钢中氢扩散行为的影响［Ｊ］．北京科技大学学报，２００７，２９（２）：２３３—２３６．衡钢建成全球最大口径钢管机组华菱衡阳钢管（集团）有限公司垂７２０ｍｍ无缝钢管机组为省重点工程，项目总投资近１０亿元，产品主要为建筑结构用无缝钢管、电站锅炉用无缝钢管、石油套管、气瓶用无缝钢管等。该机组采用的０７２０ｍｍ皮尔格轧机，是伞球最大的钢管轧机．其工艺具有锻造特性．适合于生产合金、厚壁无缝钢管。采用该机组，产品直径由原圣８～中３６５ｍｍ．扩大到０８～０７２０ｍｍ｝壁厚由３０ｒａｍ，扩大到１２０ｒａｍ，由此，衡钢成为全球为数不多，且为国内唯一一家大、中、小规格齐全的无缝钢管生产企业，并将构筑产品系列化优势，可满足电站、石油化工、建筑钢结构、机械等行业对特大口径、厚壁、高合金无缝钢管的需求，大幅提升对客户的配套能力．尤其是开发大口径的电站高压锅炉用管和核电用管。据悉，该机组达产后年产量可达２０万ｔ。预计今年可生产钢管３．５万ｔ。摘编自《中国冶金报一中国钢铁新闻网》万方数据