Q355B鋼板折彎開裂原因分析及改進

付長亮

（天津鋼鐵集團有限公司產品質量部，天津300301）

0 引言

Q355B鋼板因其綜合力學性能好、焊接性好以及性價比較高等特點，被廣泛應用于橋梁、建筑、工程機械結構件和汽車結構件件等。鋼板在實際使用過程中經常需要折彎使用，在折彎過程中可能會因鋼板質量不良，或者因加工條件過于苛刻，造成鋼板折彎開裂，導致工件報廢。2019年初，收到某用戶反饋大量Q355B鋼件折彎時發生局部開裂的質量異議，需要找到鋼板折彎開裂原因，采取措施避免類似問題重復發生。

1 問題分析

用戶采購8 mm厚鋼板制作挖掘機部件。鋼板下料后進行72°折彎時，大量鋼件局部發生開裂，鋼件折彎方向與鋼板縱向相同，開裂位置隨機發生，裂紋長度為2～5 cm；鋼件其他部位無表面裂紋。用戶使用折彎機頂頭為圓弧形貌，沖壓速度為1 cm/s，為緩慢沖壓，在同行業內，折彎條件較好。綜合鋼板使用條件和開裂特點，初步推測鋼板開裂是由于鋼板內部質量不良原因造成的。由于鋼板折彎開裂位置比較隨機，非通體形貌開裂，且長度較短，因此對折彎開裂部位和未開裂部位分別取樣，通過對比分析查找開裂原因。

2 檢測及原因分析

2.1 鋼板成分及力學性能

對鋼板非彎曲部位取樣，檢測鋼板成分、力學性能和工藝性能，結果如表1和表2所示。

根據表 1 可知，鋼板化學成分 C、Si、Mn、P、S 分別為 0.17%、0.33%、1.33%、0.023%和 0.019%，成分符合國標要求。其中，P成分位于標準中線偏上，S成分位于標準中線附近。根據表2可知，鋼板橫向試樣力學性能檢測屈服強度為410 MPa、抗拉強度為560 MPa、斷后伸長率為27%，試樣180°彎曲后，未見裂紋，鋼板性能符合標準要求。

表1 鋼板化學成分檢測 wt/%

表2 鋼板性能檢測

2.2 金相和電鏡檢測

對鋼件斷裂部位和未斷裂部位分別取樣進行金相顯微鏡檢測，通過對比檢測分析，查找鋼件局部開裂原因。

斷裂試樣制樣拋光后，通過金相顯微鏡檢測發現鋼板心部存在多條裂紋，裂紋附近有大量條狀夾雜物，裂紋方向與條狀夾雜物方向一致，利用能譜分析夾雜物主要成分為MnS，試樣拋光金相形貌如圖1所示；縱向試樣檢測試樣心部存在較多A類超級夾雜物級。試樣腐蝕后，發現心部存在嚴重組織偏析和夾雜物偏聚，且產生條帶狀馬氏體和貝氏體異常組織，如圖2所示。

圖1 心部裂紋處拋光形貌和能譜分析

圖2 心部裂紋處酸浸形貌

非斷裂部位金相拋光檢測發現鋼板心部存在一些短小硫化物夾雜，夾雜物總體數量不多，試樣腐蝕后，心部組織主要為鐵素體和珠光體，存在輕微偏析。與斷裂部位試樣心部情況相比，夾雜物尺寸和數量均小很多，且鋼板心部無明顯異常組織。非斷裂試樣心部拋光形貌見圖3。非斷裂試樣心部酸浸形貌見圖4。

圖3 非斷裂試樣心部拋光形貌

圖4 非斷裂試樣心部酸浸形貌

3 原因分析

3.1 折彎開裂原因分析

Q355B鋼板折彎后，對比開裂部位鋼板心部和未開裂部位鋼板心部金相顯微形貌具有明顯差異。開裂部位鋼板心部存在較多硫化物夾雜，沿著夾雜物方向存在多條裂紋，且心部組織偏析嚴重，并因偏析產生馬氏體和貝氏體組織[1]。而未開裂部位鋼板心部組織偏析較輕、夾雜物數量不多且短小。夾雜物與機體不是緊密連接的，硫化物夾雜的存在，切割了基體的連續性，其本身存在位置就是裂紋萌生處。同時，鋼板馬氏體和貝氏體等脆性異常組織，其塑性較差，也容易發生脆性開裂。

鋼板折彎受外力的過程中，存在夾雜物之處容易發生應力集中，被夾雜物隔絕不連貫的基體容易萌生裂紋，首先產生裂紋源，外加鋼板心部存在脆性組織嚴重影響塑性，促使裂紋急劇擴展，最終導致鋼板折彎后開裂。因此，鋼板折彎開裂是鋼板局部心部存在嚴重硫化物偏聚和心部嚴重偏析產生組織異常所致。

3.2 硫化物和偏析原因分析

硫化物屬于內生夾雜物，根據鋼板成分檢測S含量為0.019%，含量不高，而金相顯微鏡檢測鋼板局部硫化物夾雜較多、較大。推測夾雜物的來源應該是鋼中的硫化物夾雜沒有得到充分的上浮和分離，在鋼液凝固的過程中與鑄坯心部進一步聚集成長，在后續鋼板軋制的過程中硫化物延展變形，形成條帶狀的硫化物。

中心偏析產生于連鑄過程，其形成機理主要有3方面[2]，包括鋼液中易偏析物質含量高、鑄坯柱狀晶生長不穩定且過于發達、坯殼發生鼓肚。鋼液易偏析物質主要有C、S、Mn和硫化夾雜物，當鋼液從坯殼表面向中心凝固的過程中，易偏析物質會從固液相界上平衡移動，最終富集在鑄坯凝固末端，產生中心偏析。鑄坯凝固過程中柱狀晶生產不穩定且過于發達，當發達的柱狀晶形成“搭橋”時，“搭橋”附近的鋼液凝固收縮后得不到上部鋼水補充而形成疏松或縮孔，具有一定的負壓，產生中心偏析。鑄坯凝固過程中發生鼓肚，鑄坯中心容易產生空穴，空穴中負壓較大，導致易偏析物質在鑄坯中心富集，生產中心偏析。

4 控制措施

從硫化物心部偏聚和中心偏析的產生原因來看，兩者既有各自的產生機理，同時又相互影響。硫化物自身屬于易偏聚夾雜物，容易加劇中心偏析的產生；同時，中心偏析的過程也會促使夾雜物進一步偏聚長大，生成較大夾雜物。因此，保證鋼板內部質量既要采取措施提升鑄坯內部潔凈度，又要采取措施減輕鑄坯中心偏析。

4.1 去除夾雜物

控制夾雜物的重點是保證鋼中較大級別夾雜物充分去除。一方面要充分利用氣體攪拌工藝，嚴格執行鋼包吹氬攪拌強度、精煉吹氬時間，保證鋼液中較大的硫化物得到充分上浮和分離；一方面要保證鋼液流動過程中有合適的流場，結晶器水口插入深度要適中，確保結晶器內鋼液流場的合適與穩定，既要進一步去除鋼中夾雜物，又要防止卷渣導致鋼水受到污染。

4.2 抑制柱狀晶生長

控制連鑄時合適的澆鑄溫度和拉坯速度[3]。澆鑄溫度越高，鑄坯柱狀晶越發達；連鑄拉速快，鑄坯液芯延長，推遲等軸晶形核和長大，導致柱狀晶區域擴大。因此，在不引起水口堵塞，綜合平衡鑄坯產量和質量情況下，降低澆鑄溫度和拉坯速度。

4.3 合適的連鑄工藝技術

保證冷卻水量和壓力滿足工藝操作要求，加強水通道檢修，保證鑄坯表面均勻冷卻，防止柱狀晶不均勻生長；加強設備檢修，確保二冷水區夾輥嚴格對弧，防止鑄坯鼓肚；采用合理的鑄坯輕壓下技術和開啟連鑄電磁攪拌技術，提升鑄坯內部質量。

5 結語

通過對比分析Q355B鋼板開裂部位和非開裂部位金相形貌，確定鋼板折彎開裂過程中發生局部開裂的原因是鋼板局部存在嚴重心部硫化物偏聚和心部偏析，根據折彎板開裂原因制定合理的鋼板質量控制措施，包括充分去除鋼中大型夾雜物、穩定連鑄工藝參數、穩定連鑄設備和采取輔助優化措施，保證連鑄坯內部質量穩定，避免類似問題再次發生。