高強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部，江蘇 南京　210035)

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高強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部，江蘇 南京210035)

結合高強船板冶煉和軋制生產的實際情況，通過采用金相分析、掃描電鏡微觀分析和低倍檢測分析等手段，對高強船板延伸波動的主要原因進行分析和探討，尋找延伸率不合格與坯料質量的對應關系，并提出工藝優化措施，提高船板延伸率。

高強船板； 延伸率； 內部質量； 中間裂紋

引言

隨著造船業的發展，市場對船板的需求與日俱增，對船板的強韌性、可焊性和表面質量要求也不斷提高，對材料本身性能的要求也更加嚴格。延伸率(δ)是描述材料塑性性能的指標，即試樣拉伸斷裂后標距段的總變形ΔL與原標距長度L之比的百分數：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。從強度級別上看，高強船板的強度等級高于普通船板，在高強度條件下滿足材料延伸率性能對材料本身提出了更高的要求，在生產過程中，由于坯料中心偏析、鋼板內部質量等問題，鋼板延伸率經常出現波動，影響了高強船板的交付和使用。

許多學者[1-8]對鋼板延伸率問題進行系統分析，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Q235B鋼板延伸率不合格試樣進行分析，認為內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，改進措施是提高冶金質量，減少夾雜物偏析，盡可能把夾雜物從條帶狀改變為分散孤立的點狀，以減少應力集中，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行分析，認為沿軋向分布的條帶狀塑性夾雜物(硫化物、硅酸鹽和點鏈狀氧化物)是造成鋼板延伸率低的主要原因。羅淼[4]分析認為鋼材中超標帶狀組織、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、夾雜物等方面對影響鋼板延伸率的因素進行分析，提出優化措施，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化學成分對延伸率的影響

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

0.29×w(Sn)+0.015×d-0.5

(1)

從式(1)可以看出，影響材料總應變的主要因素有：碳含量、晶粒大小、磷、硫雜質含量等，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，固溶在鐵素體內的Si，Mn對塑性影響不大，相反由于使奧氏體相變溫度下降，有利于細化鐵素體晶粒。連鑄成分偏析對帶狀組織的生成影響較大，帶狀組織嚴重破壞了金屬變形的連續性，隨著帶狀級別的加大，延伸率指標也呈下降趨勢，尤其是鋼板中心位置的偏析嚴重時會大幅度降低延伸性能。

1.2材料組織對延伸率的影響

由于高強度船板有碳當量要求，采用控軋、控冷工藝保證強度要求，組織狀態以鐵素體+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，同時又要滿足高強船板的強度要求；另外細化珠光體片層間距可以有效地使滲碳體片變薄，使其易于變形，但同時會導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，其延伸率指標也越高，但在考慮晶粒對延伸率影響的同時，晶粒的均勻性也要一并考慮。

1.3工藝對材料延伸率的影響

1)煉鋼工藝方面，主要考慮鋼水純凈度、鑄坯內部質量、中心偏析的控制等因素對鋼板延伸性能的影響，原則上鋼水純凈度越高、內部質量越好、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的原始奧氏體晶粒，為最終得到細小的鐵素體晶粒創造條件，有利于延伸率的提高；適當降低終軋溫度，軋制時晶粒變形帶增多，有利于后續鐵素體的形核并細化鐵素體晶粒，對塑性的提高有利；軋后鋼板冷卻均勻性和終冷溫度也會影響鋼板延伸性能。

2　高強船板延伸率不合格原因分析

2.1延伸率不合格統計

在高強船板生產過程中出現了批量性延伸性能波動的情況，船級社規范要求高強船板A36延伸率≥21%，約有20%比例出現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計

軋制鋼板厚度規格為8～28 mm，對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，數據分析表明，高強船板延伸率不合格與軋制鋼板厚度有相關性。

2.2拉伸斷口宏觀形貌

對不合格試樣的拉伸斷口進行觀察，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，出現了不同程度的臺階狀形貌，表明鋼板厚度方向材料塑性變形的連續性出現問題。

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，但是數量比前者少；對斷口局部放大觀察，條帶狀部位內有大量硫化錳夾雜(如圖3所示)。MnS的大量存在會導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試樣夾雜物分析結果

將試樣側面磨拋腐蝕、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　心部組織對比

圖5　不合格試樣組織觀察

2.4氧氮、夾雜分析

對延伸合格和不合格試樣進行氧氮、夾雜和晶粒度分析。氧氮分析結果表明，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，晶粒度為8.5級，帶狀組織為1.5級。

表2　不同試樣的夾雜分析結果

2.5鑄坯、鋼板低倍和Z向分析

對高強船板鑄坯和鋼板的低倍照片進行分析發現：鑄坯存在中間裂紋，位于厚度方向上1/2與1/4之間，裂紋評級為中心裂紋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之間出現明顯開裂，與鑄坯質量存在相關性，可能與鋼板延伸有關。

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

通過船板內部質量剖析，對延伸不合格試樣進行Z向拉伸(如圖7所示)可見，拉伸斷口存在明顯臺階狀脆性斷裂區，可能與坯料的中間裂紋有關，斷口未發現白點。

2.6分析與探討

上述分析結果表明，船板延伸率出現波動可能與坯料內部質量有關。由于坯料內部存在中間裂紋，經過軋制變形后，當軋制壓縮比較大時，部分中間裂紋在高溫加熱、壓縮變形后消除或減弱，未對性能造成明顯影響；而軋制壓縮比較小時，裂紋在后續軋制過程中無法消除，在力學拉伸過程中由于裂紋兩側材料的均勻性差，對塑性變形產生較大影響，造成延伸率變差。這一規律與延伸不合格鋼板的厚度存在對應關系，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較小。

3　優化措施

為了改善高強船板的延伸性能，主要考慮采取如下優化措施：

1)對連鑄機進行檢修，提高輥縫對弧精度，改善鑄坯內部質量；

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。

采取優化措施后，延伸率平均指標為24%～27%，延伸性能合格率為100%，高強船板延伸率得到大幅度提升。

4　結　論

(1)低倍分析和Z向拉伸結果表明，鑄坯和鋼板的低倍檢驗均發現中間裂紋，這與鋼板延伸率性能波動存在對應關系，是影響高強船板延伸率出現波動的主要原因。

(2)掃描電鏡分析結果表明，鋼板中心偏析和MnS夾雜有待于進一步提高，這不是導致鋼板延伸率波動的主要原因。

(3)通過優化工藝，提高輥縫對弧精度，改善鑄坯低倍質量；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，高強船板延伸性能得到了明顯的改善。

[1]劉曉美，陳曄. Q235B鋼板延伸率不合格的原因分析[J]. 山東冶金，2003, 25(2)：45—46.

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[3]陸淑娟，陳潤澤. Q235B中厚鋼板伸長率不合格原因分析[J]. 山西冶金，2008，(1):14—15.

[4]羅淼，張鳳武，劉陳新. Q345R容器板延伸率不合的影響因素分析[J]. 寬厚板，2010, 16(5) :11—13.

[5]劉洪芝，馬為華，范娟，等.船板鋼延伸率影響因素分析[J]. 現代冶金，2012, 40(6) :12—14.

[6]王艷莉，何明艷. 低合金中厚板延伸率不合的原因分析[J]. 河南冶金，2009, 17(6) :13—14.

[7]蘇春昌，田慶榮，王雅英. 熱軋中厚板延伸率不合格原因分析[J]. 天津冶金，2009, (4): 26—28.

[8]孫齊松，王新華，王國連. 中厚板延伸率不合格試樣斷裂機理研究[J]. 物理測試，2007, 25(1): 5—9.

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[10]韓炯，高亮. 高強船板拉伸試驗斷口分層的原因分析. 寬厚板，2006, 12(1): 30—32.

2016-04-08

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

TG142.1