Q460C钢组织特性对表面裂纹成因的影响分析

高 雅，孙建林，贠 冰，赵海兴

(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083)

Q460C钢组织特性对表面裂纹成因的影响分析

高 雅，孙建林，贠 冰，赵海兴

(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083)

通过光学显微组织观察，测定显微组织硬度和能谱分析等方法对Q460C中厚板表面裂纹成因进行了分析研究，分析了热送热装工艺对裂纹形成的影响，分析了轧制过程中裂纹的形成机理.利用热膨胀法结合金相法在Gleeble－1500热模拟实验机上测定了实验钢连续冷却转变曲线，分析了材料组织转变与裂纹形成规律的联系.分析结果表明：热送热装工艺产生了混晶组织，在粗轧阶段未能消除，精轧阶段粗晶区先于细晶区变形，产生不均匀变形，最终导致钢板表面沿粗晶区与细晶区界面开裂.在轧辊摩擦力作用下，多余的变形被向前推压，沿开裂处向钢板表面延伸，随轧制进行，裂纹向内部扩展.热送热装生产中，控制粗轧温度和压下量是控制裂纹产生关键.

中厚板;表面裂纹;组织转变;混晶;热送热装

控轧控冷工艺已经在中厚板生产中得到了广泛应用，其中传统Q345级别的微合金结构钢已经开始向Q460和Q550级别转化，但伴随的是更多的表面裂纹问题［1－2］，特别现在热送热装工艺的普遍应用使裂纹问题变得更为突出［3－5］.某钢厂板坯连铸机生产的 Nb微合金化 Q460C钢200mm厚板坯，板坯检测时未发现裂纹，但轧制后表面存在较严重裂纹缺陷.据现场统计，冷装坯轧制的钢板基本不产生裂纹，而热装坯生产的钢板裂纹明显，厚规格钢板较薄规格的裂纹明显.针对出现问题，本文对Q460C钢的组织转变特性进行了研究，力图找出其与表面微裂纹形成规律的联系及对表面裂纹的影响.

1 实验方法

试验用材料为取自现场的Q460C钢板，其化学成分如表1所示.裂纹试样取自现场30mm规格不同批次的两个样，分别标记为A和B，用线切割切取裂纹样，对其表面和断面进行研磨抛光侵蚀，用光学显微镜进行组织分析，在微氏硬度仪上测试组织显微硬度，用扫描电镜(Cambridge S－250MK2)分析裂纹内部和附近析出和夹杂情况.

表1 Q460C钢化学成分

动态CCT曲线在gleeble－1500热模拟实验机上测定.试验用材料取自现场Q460C连铸坯的热锻坯，取样时避开表面缺陷及中心偏析部位.试样以20℃/s加热到1150℃保温10分钟，使其充分奥氏体化，然后以5℃/s冷却至870℃以10S－1的变形速率变形45%，再分别以0.5℃/s、1℃/s、2℃/s、5℃/s、10℃/s、15、20℃/s、30℃/s、40℃/s的冷却速度冷却至室温.对冷却后试样在光学显微镜下观察断面组织，在微氏硬度计上测定硬度，根据膨胀曲线拐点数据并结合金相组织和硬度值绘制CCT曲线.

2 实验结果分析与讨论

2.1 裂纹宏观形态

观察裂纹表面宏观形貌如图1所示.A试样裂纹表面形态呈单根不规则条形分布于表面，整体上裂纹长度方向与轧制方向垂直.B试样外观形态则整体上呈封闭或半封闭舌状，舌形宽度方向与轧向平行，裂纹成对出现，断面上呈倒“八”字锥形向钢板内部延伸，底部与钢板基体相连.

图1 裂纹宏观形态

2.2 取样用Q460C钢板组织转变分析

图2为A试样沿板厚方向组织和晶粒分布，B试样情况类似.取样钢板为采用热送热装工艺生产，基体为正常的铁素体加珠光体的组织，组织混晶现象严重.钢板表面处为很细的粒状贝氏体和少量铁素体(图4)，距表面约5mm处(图2a)，组织非常不均匀，看到大量的粗晶区.粗晶区晶粒尺寸约为细晶区的10－20倍，粗晶区中大部分为大块状铁素体，其余为较多的珠光体和少量针状贝氏体铁素体;细晶区基本为粒状贝氏体组织，其间有少量的铁素体和珠光体.随距表面距离增加，粗晶组织增多，贝氏体减少，珠光体铁素体增多，在距表面10mm处(图2b)，已经看不到贝氏体.图2b中组织晶粒尺寸整体上较为粗大，平均约为图2a中细晶区晶粒尺寸的5－10倍，而且仍可以见到M位置的粗晶组织，形貌和晶粒尺寸与图2a中粗晶区一致，为块状铁素体加珠光体组织.钢板中心部位(图2c)为比较均匀的铁素体和珠光体组织，呈带状分布，平均晶粒尺寸与图2b中相当，不再有图2b中的M位置的粗晶组织出现.

图2 厚度方向组织

图2a中粗晶区和图2b中M位置的块状铁素体较图2c中的铁素体要大，这与相变机制有关.刘宗昌［6－7］等认为块状相变是相界面处原子非协同热激活迁移机制，是介于扩散位移和切变位移之间的一种形式，块状相变一般只在晶界处形核，而珠光体扩散型相变则可以在晶界和晶内同时形核，形核率高，所以同级别晶粒度转变后晶粒会较块状相变要小.随冷却速度向心部减小，块状相变减少，珠光体铁素体增多.

由表面到心部组织形态的不同与表面和心部的冷却速度不同有关.根据现场轧后冷却比水量计算的轧后平均冷却速度约为5～10℃/s，依据已有研究中［8］数学模型计算和实测的30mm厚钢板轧后冷却的温度值计算，则本取样钢板表面冷速约在8～12.5℃/s，中心冷速约在3～6.5℃/s.图3为实验测得的实验钢的动态CCT曲线，对比基体组织可见，钢板轧后冷却的组织转变是正常的，由于表面处贝氏体转变比心部铁素体珠光体转变有更大的线胀系数，表面上产生压应力，很大程度上避免了表面的应力开裂.

图3 Q460C钢动态CCT曲线

总体上，由钢板表面向心部，粗晶区逐渐增多，晶粒变大，组织由贝氏体向铁素体珠光体转变.这种不均匀的组织正是由热送热装产生的，与热送热装温度有关［9］，如果在两相区热装而在轧制过程中未消除则会出现这种混晶组织.通常中厚板轧制时，变形速率大，温度补偿因子大，加上Q460C钢中Nb、Ti元素的阻碍作用，基本不能发生动态再结晶.变形后静态再结晶的驱动力是储存能，它是以机构缺陷所伴生的能量方式存在的，与变形量，变形温度，变形速度和晶粒尺寸大小有关.细晶粒有更多的晶界面积，可造成更多的位错塞积，所以有更高的储存能，且静态再结晶通常发生在晶界与缺陷处，低温大变形条件下才发生在晶内，所以，细晶粒更易发生再结晶.若不能使混晶组织发生再结晶，热轧后就会加剧这种不均匀性［10－12］.

根据现场数据，A、B两取样钢板的装车温度表面测定分别为692℃和720℃，基本上处于两相温度区，铸坯中心较表面温度要高，中心有可能完全处于奥氏体未转变区.成分与本实验钢接近的含Nb钢单道次轧制3s后的再结晶区域图和含Nb钢轧制道次前的奥氏体晶粒度和静态再结晶的临界变形量的关系已有研究［13］，为了消除这种组织不均匀性带来的不利影响，必须加大粗轧阶段的开轧温度和变形量，并尽可能缩短道次间隔时间，以有效地促进再结晶.实验用取样钢板并没有在粗轧时消除混晶组织.

2.3 裂纹样观察与分析

基体组织的分析说明了混晶组织的存在，图4为裂纹表面和断面的组织.观察组织照片，裂纹表面两侧组织差异明显，一侧为细小的晶粒，另一侧为粗大的晶粒.通过测定组织显微硬度值，判定细晶为粒状贝氏体+少量铁素体组织(图4a)，另一侧则为粗大的不均匀组织.A样粗大晶粒主要为羽毛状上贝氏体和板条贝氏体(图4b).其中上贝氏体数量较多，粗大奥氏体晶界沿与裂纹平行方向伸展，并且在奥氏体晶界没有或有微细铁素体颗粒析出.B试样粗大晶粒处与A试样类似，只不过板条贝氏体较多(图4c)，而奥氏体晶界上分布着较为粗大的网状先共析铁素体，其延伸方向也是沿与裂纹平行方向.

裂纹断面组织如图4d－f所示，可以看到裂纹两侧组织差异明显，靠近表面侧为粗晶区，靠近中心侧为细晶组织，与表面处一致，A样稍有不同，裂纹上侧边部也出现细晶组织，为粗晶和细晶的过渡混合组织.两试样裂纹中心都存在有氧化物，裂纹开口处几乎无氧化物，在中部有较多氧化物，而在尾部有裂纹的扩展延伸，但无氧化物.

B试样粗晶区沿晶界的网状铁素体沿变形方向被拉伸，沿裂纹边部存在在明显的较大的铁素体晶粒，而A试样则没有.两试样上都可明显观察到粗晶区变形沿晶界延伸的情况.B样裂纹处晶界处的连续状先共析铁素体及裂纹边部出现明的较大的铁素体颗粒与表面处温降有关，未进精轧机前，如果轧件表面温降过大进入奥氏体铁素体两相区，在奥氏体晶界处析出先共析铁素体，连续状形态说明其为轧制前生成，在轧制时沿晶界被拉伸延长，晶界处铁素体的存在会加剧变形的不均匀性.结合CCT曲线，可以看到，在轧件表面，A样轧制温度较高，粗晶区轧前晶界无铁素体析出，轧后在较高温度区间内，铁素体在晶界形核并向晶内生长，形成较多的上贝氏体，细晶区则因为应变累积大，形核率高，转变为粒状贝氏体;B样轧制温度较低，粗晶区轧前已析出铁素体，轧后在稍低温度区间内转变为板条状贝氏体.

对裂纹断面金相观察，裂纹开口处裂缝很窄，裂纹边部和基体组织靠近钢板表面处未出现氧化圆点，表明未出现明显氧化脱碳现象，裂纹不是在加热炉前形成的.用扫描电镜对两个裂纹样断面进行成分分析(图5)，表明裂纹内部是氧化铁，裂纹内部和附近没有发现其它夹杂物或析出物，裂纹的产生也不是析出与夹杂造成的.

图4 裂纹处组织

图5 裂纹断面及成分分析

2.4 裂纹成因讨论

实验结果表明，裂纹的产生不是由夹杂和析出引起的，也不是铸坯原始裂纹造成的，而与钢板的局部粗晶组织有关.金属变形时，晶界强烈阻碍金属变形，变形优先在晶内发生.热粗轧未能消除的奥氏体混晶组织进入未再结晶区轧制时，晶界处的位错塞积加剧，在同样的外加应力作用下，大晶粒的形变由一个晶粒转移到另一个晶粒更容易，所以粗晶区比细晶区更易变形，有更大的应变量，也有更好的变形协调性.这种变形的不均匀性会导致很强的应力集中，应力足够大时就会导致开裂.同时，粗晶区内部滑移的转移会使更多位错塞积到粗晶区和细晶区的界面处，加剧界面处的应力集中.

由上分析，认为裂纹是由于钢板表面的粗晶区与细晶区变形不均匀，造成分界处的位错塞积和应力集中，首先沿分界处的晶界或先共析铁素体开裂.变形过程中粗晶区先于细晶区变形，比细晶区有更大的变形量，在轧辊摩擦力作用下，多余的变形被向前推压，沿开裂处向钢板表面延伸，随轧制进行，裂纹向内部扩展，并且由于裂纹尖端的存在和裂纹扩展方向与轧制方向的一致性，扩展会更易进行，同时钢板表面氧化铁皮被压入.随着裂纹向内部扩展，粗晶区变形量加大，裂纹尾部沿轧向粗晶区相对细晶区的切应力加大，裂纹尾部发生切断扩展，内部无氧化物.

对于B样，裂纹形成时，因为晶界先共析铁素体有比奥氏体晶粒更好的流动性，粗晶区奥氏体晶粒变形时易于沿晶界先共析铁素体滑动，随轧制往返进行，裂纹在粗晶区两侧均发生，在断面上成对出现.而对于A样，粗晶区变形发生在晶粒内部，晶界流动性差，所以裂纹在表面呈不规则条状出现，当粗晶区和细晶区界面不清晰时，应力集中位置向细晶区移动，裂纹开裂处也向细晶区迁移.B样裂纹处的大颗粒铁素体不是脱碳产物，是晶界铁素体随变形进行向前流动到裂纹边部，随着变形进行而聚集，也可能在随后的组织转变中长大形成.对于A样，由于变形前未出现铁素体，所以裂纹边部没有铁素体出现.

热送热装生产中厚板应充分考虑混晶对表面裂纹的影响，制订合理的热轧工艺，在粗轧阶段应加大粗轧开轧温度和道次压下量，充分消除混晶组织.工业生产中同规格铸坯生产不同厚度规格钢板，由于薄规格产品粗轧阶段有更大的压下量，所以厚规格钢板较薄规格的裂纹更明显.

3 结论

1)不合适的热装温度造成了沿板厚方向不同部位出现多少不等的粗大组织，钢板表面处原始的粗大组织是产生裂纹的重要原因.生产中应尽量避免在两相区热装炉.

2)揭示了热装工艺生产中厚板轧制过程中的一种裂纹形成机理.热装产生的混晶组织在粗轧阶段未能消除，精轧阶段粗晶区先于细晶区变形，就会产生不均匀变形，最终导致钢板表面沿粗晶区与细晶区界面开裂.在轧辊摩擦力作用下，多余的变形被向前推压，沿开裂处向钢板表面延伸，随轧制进行，裂纹向内部扩展.

3)生产上若两相区热装应加大粗轧开轧温度和道次压下量，短间隔快压下，保证消除粗大的混晶组织和促进完全再结晶，以得到合适的精轧前组织.

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Effect of microstructure characteristic of Q460C steel on surface cracks

GAO Ya，SUN Jian-lin，YUN Bing，ZHAO Hai-xing
(School of Material Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Metallographic analysis，rigidity test of microstructure and energy spectrum analysis were carried out to study surface crack of Q460C steel plate，the effect of hot delivery and hot charging on surface crack and crack mechanics in rolling process were analyzed.Based on dilatometric test and metallographic analysis，continuous cooling transformation curve of Q460C steel was investigated on gleeble－1500 thermo－mechanical simulator，the relationship between structural transformation and crack mechanics was also studied.The study showed that，mixed crystal was caused by hot delivery and hot charging and retained after rough rolling，in finish rolling process，bulky grains region deformed earlier than fine grains region，and this caused non－uniform deformation.The plate surface cracked at the boundary between bulky and fine grains region.The bulky austenite grains were stretched forward along the grain boundary or the eutectoid ferrite on the boundary and rolled over to the plate surface，the cracks extended in subsequent rolling process.For the rolling production with hot delivery and hot charging process，control of blooming temperature and reduction is the key factor to prevent cracks.

medium plate;surface crack;structural transformation;mixed crystal;hot delivery and hot charging

TG335.5 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)05－0139－05

2010－09－30.

国家自然科学基金资助项目(50775051).

高 雅(1983－)，男，博士研究生.

联系作者：孙建林(1963－)，男，E-mail:gaobao357@gmail.com.

(编辑 张积宾)