Q345B钢拉伸分层机理分析

王理猷，彭其春，王 芹，张云祥，李 伟，李具中，彭胜堂

（1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北武汉，430081；2.武汉钢铁股份有限公司制造部，湖北武汉，430080）

Q345B钢拉伸分层机理分析

王理猷1，彭其春1，王 芹1，张云祥1，李 伟2，李具中2，彭胜堂2

（1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北武汉，430081；2.武汉钢铁股份有限公司制造部，湖北武汉，430080）

对Q345B带卷成分、过热度和中心偏析进行统计分析，并采用光学显微镜、扫描电镜和能谱分析对其拉伸后产生分层机理进行研究。结果表明，Q345B钢在连铸过程中产生的中心偏析，特别是Mn元素偏析，会导致中心MnS等夹杂物的聚集，从而在轧制过程中形成带宽较大、带间距较近的带状组织；这种带状组织在带卷拉伸时，因局部力学性能差异过大而出现拉伸分层缺陷；拉伸后，分层带卷带状组织密度ρa为62 700μm／mm2，未分层带卷带状组织密度ρb为650μm／mm2，分层带卷带状密度是未分层带卷带状密度的96倍；如果Q345B钢中心存在带宽较大、带间距较近带状组织时，就会出现拉伸分层现象。

Q345B钢；拉伸分层；带状组织；硫化锰

Q345B钢是一种中等强度高韧性碳素结构钢，具有抗低温、抗塑性和易焊接等综合力学性能，已广泛应用于机械零件、建筑材料等各类结构件［1］。由于Q345B钢在生产过程中存在某些不够完善的工艺或操作，常在拉伸后出现分层缺陷，极大地影响了钢产品的质量。分层亦称夹层、离层，是存在于钢材中的一种常见内部缺陷，钢内的气泡、大块的非金属夹杂物、未完全切除的残余缩孔或发生折叠，均可能引起钢材的分层。拉伸后产生分层Q345B钢在断口处存在一条或数条较深的裂纹，有的还贯穿整个断面。为此，本文对Q345B带卷成分及其过热度和中心偏析程度之间的关系进行统计，并采用光学显微镜、扫描电镜和能谱分析对拉伸后分层与未分层带卷进行机理分析，以期从显微组织角度找出Q345B钢拉伸分层产生的原因。

1 试验

1.1 材料

试验材料为Q4345钢热轧带卷，其生产工艺流程为：转炉冶炼→LF精炼→板坯连铸→精整→加热→轧制→冷却→剪切。Q345B钢带卷化学成分如表1所示。在带卷中心纵向切取400 mm ×30 mm×10 mm长条形钢样。

表1 Q345B钢带卷化学成分（wB／%）Table 1 Chemical compositions of Q345B steel

1.2 试验方法

将Q345B带卷试样在Z600H型大载荷万能材料试验机上进行拉伸，取其拉伸后产生分层与未分层的钢样，采用J3GY－LD－400A砂轮切割机切取垂直拉伸面，在GMMY－400B磨样机上打磨抛光后，用4%的硝酸酒精溶液擦拭数次进行腐蚀。采用光学显然微镜、扫描电镜和能谱分析（XL30TMP扫描电子显微镜配EDAX PHOENIX能谱）对腐蚀后的带卷进行分层机理分析。

2 结果与分析

2.1 Q345钢过热度和中心偏析分析

基于Q345B钢水成分各元素含量，按文献［2］可计算得到中间包钢水液相线温度均值为1 503℃，浇注温度均值为1 531℃。对现场生产的Q345B中间包钢水过热度数据（计947炉）进行统计，得到钢水过热度分布散点如图1所示。由图1可看出，中间包钢水过热度主要集中在20～40℃，均值为28.25℃，其中有7炉钢水过热度高于50℃，4炉钢水过热度低于15℃。拉伸分层带卷试样所在C026466炉的钢水过热度为52.23℃，明显高于平均中间包钢水过热度28.25℃。这表明其过热度较高，钢液流动性增强，导热性弱，凝固时体积收缩较大，易引起中心偏析。

图1 过热度分布散点图Fig.1 Overheat distribution scatter diagram

取中心偏析程度C1.0～C2.0的Q345B钢硫印坯32块进行统计。图2为钢样中心偏析级别与过热度之间的关系。由图2可看出，C1.0级别钢样的过热度均值为25.08℃，C1.5级别钢样的过热度均值为26.29℃，C2.0级别钢样的过热度均值为28.93℃。随着过热度变大，钢样中心偏析级别升高，过热度较高的硫印坯可能存在较为严重的中心偏析。

图2 中心偏析级别与过热度关系Fig.2 Relationship between level of center segregation and superheat degree

2.2 区域金相组织分析

取拉伸后分层与未分层的Q345B带卷底面进行分析，Q345B带卷断口底面金相照片如图3所示。由图3可看出，黑色区域为片层相间的铁素体和渗碳体组成的珠光体，而白色区域为铁素体，且由珠光体和铁素体共同构成明显的带状组织。

图3 Q345B带卷断口底面金相照片Fig.3 Metallographs of Q345B hot－rolled coil fracture underside

将图3（a）与图3（b）比较可知，拉伸后产生分层的Q345B带卷带状组织条带较宽、带间距更近，且晶粒度较小、晶粒较粗大，因而其机械性能较差；而未分层的Q345B带卷带状组织条带较窄、带间距更远，且晶粒度较大、晶粒较细小，因而其机械性能较优。定量考察试验条件下带卷的带状程度，采用单位视场面积内长度大于10μm的连续珠光体带累计总长（带状密度）作为评估带状程度的参数［3］。从图3带卷中心分别选取100 μm×100μm区域进行比较：①分层部位珠光体带总长度la为627μm，大于10μm的珠光体带条数na为23，视场面积F为0.01 mm2，计算可得带状密度ρa为62 700μm／mm2；②未分层部位珠光体带总长度lb为26μm，大于10μm的珠光体带条数nb为4，视场面积F为0.01 mm2，计算可得带状密度ρb为650μm／mm2。结果表明，分层带卷带状密度是未分层带卷带状密度的96倍。

2.3 区域成分分析

图4为带卷腐蚀后不同区域显微组织。表2列出带卷中心区域成分组成。由图4和表2可看出，带卷中心有明显的Mn元素偏析，除铁元素含量比非中心偏析区域的成分少外，其他元素均有所增加，其中 Mn元素的增量最为明显，从1.51%增至2.25%；其次是C元素，从0.35%增至0.53%；O、Si和S增量较少。

图4 带卷腐蚀后不同区域的显微组织Fig.4 Energy spectrum of different corrosion areas

表2 带卷中心区域成分（wB／%）Table 2 Compositions of coil stock at central area

由以上分析可知，Q345B带卷中心部位存在严重的成分偏析。成分偏析是钢水在凝固过程中流动传热和溶质再分配的结果。连铸过程中形成的柱状晶向中心均匀发展，使富含C、S、Mn、P的残余钢液向中心流动［2］。在加热过程中由于合金元素及其他轧制元素扩散系数较低，元素分布不均匀，使夹杂物向中心聚集，且造成不同区域之间存在一定的温差，导致组织成分分布不均匀［4］。铸坯中心偏析对钢板性能的危害十分严重，它降低钢材的综合性能，使钢材出现各向异性，并促使轧制工艺中较粗大带状组织的形成，同时Mn及其他元素的偏析，易在中心形成大量主要成分为MnS的夹杂物。这些夹杂物在形成后很难在余下工序中得以消除，且在加热以及轧制后会对钢材的冲击韧性、拉伸性能等造成一定的影响。

2.4 夹杂物成分分析

图5为Q345B带卷断口底面电镜照片。由图5（a）可看出，带卷中心处存在较多非连续的黑色夹杂物，大部分呈条带状分布，还存在不规则几何形状夹杂物。这些被拉长的夹杂物长度一般为60～100μm，少量夹杂物长度在20μm左右。由图5（b）可看出，夹杂物宽度为1～3μm。

图5 Q345B带卷断口底面电镜照片Fig.5 SEM images of Q345B hot－rolled coil fracture underside

图6为Q345B带卷夹杂物显微结构。表3列出Q345B带卷夹杂物成分组成。由图6和表3可看出，长条状夹杂物主要为MnS夹杂。除大量MnS夹杂外，还伴有少量微合金元素夹杂（TiN）以及钙铝酸盐组成的复合夹杂物。钢中夹杂物对带状组织的形成有很大的影响。由于S和其他合金元素的偏析导致大量夹杂物的形成，而MnS在轧制时，沿轧制方向呈条带状分布，冷却时成为铁素体形核的核心，促进中心带状组织的形成［5］。大块的TiN夹杂则属于硬脆合金相，常常造成冲击功的明显降低，在其附近易产生裂纹，并沿两相界面萌生延展，从而引起分层开裂［1］。

图6 Q345B带卷夹杂物显微结构Fig.6 Microstructures of Q345B hot－rolled coil inclusion

表3 Q345B带卷夹杂物成分（wB／%）Table 3 Inclusion composition of Q345B coil stock

2.5 拉伸分层原因分析

由过热度统计可知，在连铸过程中由于操作控制不当，中间包钢水过热度较高，导致浇注温度过高，高的浇注温度将使温度梯度增大，有利于柱状晶的发展。铸坯内部结晶时，形成发达的柱状晶体区，晶体沿一次晶轴方向长大，而主轴斜生方向的晶粒被“挤掉”，从而导致晶粒生长的不均匀性，形成一定程度的成分偏析。由区域成分分析可知，形成中心偏析（成分正偏析）的主要成分有Mn、C、O、S、Si等。这些元素在铸坯的中心聚集，形成一些破坏钢材正常性能的夹杂物。由夹杂物成分分析可知，在连铸过程中形成了MnS、TiN及钙铝酸盐复合夹杂。随着铸坯的冷却，夹杂物固定在带卷中心，会在中心形成成分不均匀的组织。这些含有不均匀组织的铸坯经热处理、轧制后在冷却过程中发生相变时，铁素体优先在枝晶偏析和非金属夹杂延伸的条带中形成，从而导致铁素体形成条带。铁素体条带之间为珠光体，两者相间成层分布，形成带状组织。钢样在中心部位存在带宽较大、带间距较近的带状组织时，才会形成拉伸分层现象，分层钢样的带状密度远大于未分层钢样的相应值。

3 结论

（1）连铸过程中形成的中心偏析，特别是Mn等元素的偏析，会导致带卷中心MnS等夹杂物的聚集，过多夹杂物在中心聚集，促使轧制过程中形成带宽较大、带间距较近的带状组织。

（2）带宽较大、带间距较近的带状组织在热轧板拉伸时，因局部力学性能差异过大而产生分层缺陷。

（3）拉伸后产生分层带卷带状组织密度ρa为62 700μm／mm2，未分层带卷带状组织密度ρb为650μm／mm2，分层带卷带状密度是未分层带卷带状密度的96倍。

（4）如果Q345B带卷中心存在带宽较大、带间距较近带状组织时，就会出现拉伸分层现象。

［1］ 郑建平，黄贞益，姜辉，等.Q345B钢轧后拉伸分层试样的显微组织研究［J］.热处理，2009，24（1）：42－45.

［2］ 冯捷，史学红.连续铸钢生产［M］.北京：冶金工业出版社，2005：158；264－265.

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［4］ 王智轶，乐可襄.Q345B中厚板拉伸试验断口分层的原因分析［J］.宽厚板，2009，15（3）：11－14.

［5］ 李艳梅，朱伏先，催凤平，等.中厚钢板分层缺陷的形成机制分析［J］.东北大学学报：自然科学版，2007，28（7）：1 002－1 005.

Mechanism of tensile layering of Q345B steel

Wang Liyou1，Peng Qichun1，Wang Qin1，Zhang Yunxiang1，Li Wei2，Li Juzhong2，Peng Shengtang2
（1.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Manufacturing Department，Wuhan Iron and Steel Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China）

The composition，the relationship between overheating and central segregation of Q345B coil stock were analyzed，and metallographic examination（OM），scanning electron microscopy（SEM）and energy spectrum（EP）were employed to study the mechanism of tensile layering of Q345B plate.The results show that central segregation is formed in the process of continuous casting，which，especially the element segregation of Mn，will lead to the gathering of such inclusions as MnS and results in the formation of banded structure of wider band and closer distance in hot rolling.When the coil stock is stretched，the huge difference in local mechanical properties produces stratified defects.After the stretching，the banded structure density of the layered coil stock（ρa）is 62 700μm／mm2，while that of un－layered coil stock（ρb）is 650μm／mm2.The former is 96 times more than the latter.When banded structure of wider band and closer distance exists in the center of Q345B steel，tensile layering will appear.

Q345B steel；tensile layering；banded structure；MnS

TF777.1

A

1674－3644（2012）04－0293－05

［责任编辑 徐前进］

2012－01－19

王理猷（1987－），男，武汉科技大学硕士生.E－mail：66690704＠qq.com

彭其春（1964－），男，武汉科技大学教授.E－mail：pengqichun1964＠163.com