1. 引言
S355J0属于欧标低合金高强度结构钢板,比Q345系列钢板要求高,但在强度级别、冲击值、产品尺寸公差等方面的要求又不完全等同。S355J0产品适用范围广,可适用桥梁、船舶、车辆及其他结构件中 [1] 。本次生产的S355J0在拉伸试验过程中试样出现断口分层,断口伸长率过低等缺陷。本文采用扫描电镜观察及能谱分析等分析手段,对其成分、组织、夹杂物等进行分析,得出欧标低合金钢S355J0拉伸断口分层及断口伸长率过低的原因并提出解决措施。
2. 断口分层的原因分析
2.1. 化学成分及性能情况
S355J0钢板化学成分见表1。钢板实测力学性能及S355J0和Q345标准要求如表2所示,由表2可以明显的看出,钢板的力学性能并不理想,强度过高,断后伸长率过低,塑性明显不足。
2.2. 组织分析
对欧标低合金钢S355J0纵截面进行金相分析,图1、图2分别为钢板厚度方向1/4处和心部100×的金相组织。对其心部组织进一步放大,如图3~图6所示,可以清晰地看出,钢板厚度方向中心部位存在异常组织并有魏氏组织存在,且存在长度可达几百微米断续的微裂纹,裂纹与钢板轧制面平行。
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Figure 1. Structure of 1/4 thickness of steel plate
图1. 钢板1/4t (t为厚度)处组织
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Figure 2. Structure of 1/2 thickness of steel plate
图2. 钢板1/2t (t为厚度)处组织
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Figure 3. Abnormal structure of 1/2 thickness of steel plate
图3. 钢板1/2t (t为厚度)处异常组织
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Figure 4. Abnormal structure of electron microscopy
图4. 电镜下的异常组织
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Figure 5. Microcracks of 1/2 thickness of steel plate
图5. 钢板1/2t (t为厚度)处微裂纹
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Figure 6. Widmannstatten structure of steel plate
图6. 钢板魏氏组织
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Table 1. Main components of S355J0 (mass fraction) %
表1. S355J0钢的主要成分(质量分数)%
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Table 2. Mechanical properties and standard requirements of steel S355J0
表2. S355J0钢板实测力学性能及标准要求
2.2.1. 显微硬度分析
用显微硬度计对金相试样心部异常组织进行显微硬度测量,显微硬度值如表3所示,结合试样的组织形态如图3所示,这些异常组织可能为贝氏体或马氏体组织,结合表4中各组织部位的显微硬度值分析,确定此异常组织为贝氏体组织。
2.2.2. 显微组织分析
从图2可以得出带状组织明显超标,并有偏析存在。此带状偏析部位中的合金元素含量高于钢板的其他部位,拉伸过程中每一个偏析带都是断裂源,从而形成拉伸断口心部层状平台,缩颈不明显,最终导致钢板的塑性不合格。由于钢板中心存在偏析,在轧后冷却过程中,钢板中心的偏析组织对应的CCT曲线将移动,在冷却速度不是很高的情况下心部偏析降低了临界冷却速度,使奥氏体直接发生中温转变形成贝氏体,见图3和图4。对缺陷组织进一步放大,发现中心有微裂纹存在,见图5。这是因为过冷奥氏体直接转变为贝氏体的过程中体积膨胀而产生组织应力;同时在钢板轧制冷却过程中也存在温度应力和残余应力,这些内应力叠加造成应力集中,导致微裂纹产生。
通过金相组织可以看到试样中心部位的铁素体有沿着奥氏体晶界呈条片状或针状向晶内生长的趋势,即有魏氏组织的趋向,见图6。这是由于在钢板中心形成合金元素偏析使组织中元素分布不均匀,这种偏析使局部的奥氏体稳定性增强,在相变时产生魏氏组织的趋向。
2.3. 夹杂物能谱分析
在金相显微镜下看到很多淡黄色夹杂物,还有部分硫化物,如图7所示,对夹杂物进行能谱分析,扫描电镜照片与金相照片相对应,见图8和图9,成分见表5。从表5中可以看出淡黄色夹杂物的主要成分为TiN,并发现其中含有Nb元素。通过能谱分析钢板心部有MnS夹杂,S是有害元素,增加冷热裂纹
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Figure 7. Inclusions in the center of the steel plate
图7. 钢板中心部位的夹杂物
表3. 显微硬度值
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Figure 8. Analysis of inclusions in the center of the steel plate
图8. 钢板中心部位夹杂物能谱分析
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Figure 9. Analysis of inclusions in the center of the steel plate
图9. 钢板中心部位夹杂物能谱分析
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Table 4. Microhardness of each tissue site HV (Compressor load 100 gf)
表4. 各组织部位的显微硬度HV (压头载荷100 gf)
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Table 5. Chemical composition of inclusions
表5. 夹杂物化学成分%
的敏感性 [2] ,易导致分层;MnS夹杂的界面强度小且收缩系数较大,当其随轧制变形而伸长时,界面处易产生空隙和微裂纹,且微裂纹也会通过空隙而扩展,这种MnS夹杂界面裂纹的三维空间形态就是分层,尤其是横向拉伸试样中,条带状MnS的长轴与拉伸方向垂直对钢板横向塑性的影响更为显著,带状MnS的层状分布,使得钢板的拉伸断口亦呈现层状,从而影响钢板的塑性,造成断后伸长率不合格 [3] 。C、Mn均是易偏元素,在C含量较高情况下,Nb的加入加剧了组织的偏析;从组织上看铁素体、珠光体组织比较细小,说明C、N、Nb、Ti等元素弥散地溶解在奥氏体中,抑制奥氏体形变再结晶,阻止奥氏体晶粒的长大,细化了晶粒,但由于冷却速度过快,过冷度较大,其析出速度低于先共析铁素体和珠光体的析出速度,使碳和这些元素大部分在晶界处以夹杂物的形式析出,导致应力集中,使其成为裂纹源,出现裂纹,这些微裂纹即为早期的裂纹源,随着应力的提高,加速了裂纹的开裂过程,导致钢板的塑性明显下降。
3. 改进措施及效果
通过制定合适的加热温度,调整碳含量、硫含量及其他合金元素的控制,优化轧制工艺,使钢板中的碳及其他合金元素在加热过程中充分扩散、均匀化,减小各元素在心部的偏析;另外,控制连铸过程的工艺参数的稳定性可以较大程度的改善中心偏析,可将中心成分偏析降到最低。采取一系列改进措施后生产的S355J0钢板实物性能完全满足标准要求。
4. 结论
综上所述,钢板的成分偏析及钢板中存在大量的硫化物、氮化物,造成异常组织贝氏体和魏氏组织的产生,且促使微裂纹和分层的形成和发展,是造成S355J0钢板拉伸断口分层和断口伸长率过低缺陷产生的主要原因。
NOTES
*通讯作者。