高强船板延伸率不合格原因分析与探讨*

王攀峰， 靳　星

(南京钢铁股份有限公司板材事业部，江苏 南京　210035)



高强船板延伸率不合格原因分析与探讨*

王攀峰， 靳星

(南京钢铁股份有限公司板材事业部，江苏 南京210035)

结合高强船板冶炼和轧制生产的实际情况，通过采用金相分析、扫描电镜微观分析和低倍检测分析等手段，对高强船板延伸波动的主要原因进行分析和探讨，寻找延伸率不合格与坯料质量的对应关系，并提出工艺优化措施，提高船板延伸率。

高强船板； 延伸率； 内部质量； 中间裂纹

引言

随着造船业的发展，市场对船板的需求与日俱增，对船板的强韧性、可焊性和表面质量要求也不断提高，对材料本身性能的要求也更加严格。延伸率(δ)是描述材料塑性性能的指标，即试样拉伸断裂后标距段的总变形ΔL与原标距长度L之比的百分数：δ=ΔL/L×100%。延伸率在一定程度上反映了材料塑性变形的承受能力。从强度级别上看，高强船板的强度等级高于普通船板，在高强度条件下满足材料延伸率性能对材料本身提出了更高的要求，在生产过程中，由于坯料中心偏析、钢板内部质量等问题，钢板延伸率经常出现波动，影响了高强船板的交付和使用。

许多学者[1-8]对钢板延伸率问题进行系统分析，主要从钢水纯净度、铸坯中心偏析、夹杂物分布和组织异常等方面开展工作。刘晓美[1]等对Q235B钢板延伸率不合格试样进行分析，认为内部夹杂物特别是硫化物分布不均匀是造成延伸率不合格的主要原因，改进措施是提高冶金质量，减少夹杂物偏析，尽可能把夹杂物从条带状改变为分散孤立的点状，以减少应力集中，从而提高钢板的延伸率。姚海滨[2]、陆淑娟[3]从钢材中夹杂物的类型和钢水纯净度控制方面进行分析，认为沿轧向分布的条带状塑性夹杂物(硫化物、硅酸盐和点链状氧化物)是造成钢板延伸率低的主要原因。罗淼[4]分析认为钢材中超标带状组织、硫化物夹杂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；通过优化钙处理工艺和连铸冷却制度，控制硫含量以减少钢中的夹杂物数量，改善成分偏析和夹杂物的分布，可以减少钢中的裂纹源并抑制裂纹的扩展，最终提高钢板的延伸性能。刘洪芝[5]、王艳莉[6]、苏春昌[7]等从钢板异常组织、钢水纯净度、夹杂物等方面对影响钢板延伸率的因素进行分析，提出优化措施，改善厚度方向钢板性能均匀性。

1　影响钢板延伸率的主要因素分析

1.1化学成分对延伸率的影响

如果仅考虑钢中晶粒尺寸、珠光体含量及固溶元素对延伸率的影响，材料断裂时的总应变可以用下式表示

0.29×w(Sn)+0.015×d-0.5

(1)

从式(1)可以看出，影响材料总应变的主要因素有：碳含量、晶粒大小、磷、硫杂质含量等，其中由于磷和锡元素容易在晶界析出，影响材料塑性变形；硫含量高容易生成硫化物夹杂，影响材料基体塑性连续变形能力；Si，Mn为铁素体固溶元素，除了生成夹杂物影响塑性外，固溶在铁素体内的Si，Mn对塑性影响不大，相反由于使奥氏体相变温度下降，有利于细化铁素体晶粒。连铸成分偏析对带状组织的生成影响较大，带状组织严重破坏了金属变形的连续性，随着带状级别的加大，延伸率指标也呈下降趋势，尤其是钢板中心位置的偏析严重时会大幅度降低延伸性能。

1.2材料组织对延伸率的影响

由于高强度船板有碳当量要求，采用控轧、控冷工艺保证强度要求，组织状态以铁素体+珠光体为主，大部分为铁素体；由于珠光体是由铁素体与渗碳体构成的，铁素体为塑性相，渗碳体为脆性相，脆性相不易变形，因此珠光体量的多少及其形态是影响延伸率性能的主要因素。减少珠光体量可以有效地提高塑、韧性，同时又要满足高强船板的强度要求；另外细化珠光体片层间距可以有效地使渗碳体片变薄，使其易于变形，但同时会导致珠光体总量的增加(增加伪珠光体量)。晶粒尺寸越小，材料越容易变形，其延伸率指标也越高，但在考虑晶粒对延伸率影响的同时，晶粒的均匀性也要一并考虑。

1.3工艺对材料延伸率的影响

1)炼钢工艺方面，主要考虑钢水纯净度、铸坯内部质量、中心偏析的控制等因素对钢板延伸性能的影响，原则上钢水纯净度越高、内部质量越好、中心偏析较轻均有利于延伸性能的提升。

2)轧钢工艺方面，主要考虑加热温度、开轧温度、终轧温度和轧后冷却速度等因素对钢板延伸性能的影响，较低的加热温度、开轧温度有利于获得较细的原始奥氏体晶粒，为最终得到细小的铁素体晶粒创造条件，有利于延伸率的提高；适当降低终轧温度，轧制时晶粒变形带增多，有利于后续铁素体的形核并细化铁素体晶粒，对塑性的提高有利；轧后钢板冷却均匀性和终冷温度也会影响钢板延伸性能。

2　高强船板延伸率不合格原因分析

2.1延伸率不合格统计

在高强船板生产过程中出现了批量性延伸性能波动的情况，船级社规范要求高强船板A36延伸率≥21%，约有20%比例出现了不同程度的延伸率不合格。

表1　不同厚度船板的延伸率统计

轧制钢板厚度规格为8～28 mm，对比不同厚度钢板的合格率情况(如表1所示)，不合格试样主要集中在28 mm厚度，合格率仅为51.72%，小于28 mm厚度钢板延伸合格率较高，数据分析表明，高强船板延伸率不合格与轧制钢板厚度有相关性。

2.2拉伸断口宏观形貌

对不合格试样的拉伸断口进行观察，如图1所示，断口处无明显颈缩，均为脆性断口，表明钢板塑性变形能力较差。在拉伸试样断口处，出现了不同程度的台阶状形貌，表明钢板厚度方向材料塑性变形的连续性出现问题。

图1　不合格试样断口形貌

2.3拉伸断口扫描电镜观察

图2　合格和不合格试样的扫描电镜观察

对比合格和不合格试样断口形貌(如图2所示)，不合格试样有较多条带状形貌，合格试样也有条带状形貌，但是数量比前者少；对断口局部放大观察，条带状部位内有大量硫化锰夹杂(如图3所示)。MnS的大量存在会导致钢板塑性变形变差，直接影响钢板延伸率。

Spectrumw(S)/%w(Mn)/%w(Fe)/%TotalSpectrum125.0540.5134.45100.00Spectrum232.3856.3411.27100.00Spectrum327.4552.0120.53100.00

图3试样夹杂物分析结果

将试样侧面磨抛腐蚀、观察，试样组织均为铁素体+珠光体，试样心部均有轻微偏析，如图4所示。不合格试样侧面有拉伸孔洞，孔洞附近组织为铁素体+珠光体，有少量硬相马氏体组织，如图5所示。

图4　心部组织对比

图5　不合格试样组织观察

2.4氧氮、夹杂分析

对延伸合格和不合格试样进行氧氮、夹杂和晶粒度分析。氧氮分析结果表明，两种试样的氧含量均为(11～13)×10-6，不合格试样氮成分为54×10-6，而合格试样为35×10-6。夹杂分析结果如表2所示，不合格试样存在大颗粒夹杂。两种试样的晶粒度和带状组织水平相当，晶粒度为8.5级，带状组织为1.5级。

表2　不同试样的夹杂分析结果

2.5铸坯、钢板低倍和Z向分析

对高强船板铸坯和钢板的低倍照片进行分析发现：铸坯存在中间裂纹，位于厚度方向上1/2与1/4之间，裂纹评级为中心裂纹1.0，如图6所示；延伸不合格钢板的板厚中心存在明显偏析，在钢板厚度1/2与1/4之间出现明显开裂，与铸坯质量存在相关性，可能与钢板延伸有关。

图6　延伸不合格铸坯和钢板低倍照片

图7　延伸不合格试样Z向拉伸断口

通过船板内部质量剖析，对延伸不合格试样进行Z向拉伸(如图7所示)可见，拉伸断口存在明显台阶状脆性断裂区，可能与坯料的中间裂纹有关，断口未发现白点。

2.6分析与探讨

上述分析结果表明，船板延伸率出现波动可能与坯料内部质量有关。由于坯料内部存在中间裂纹，经过轧制变形后，当轧制压缩比较大时，部分中间裂纹在高温加热、压缩变形后消除或减弱，未对性能造成明显影响；而轧制压缩比较小时，裂纹在后续轧制过程中无法消除，在力学拉伸过程中由于裂纹两侧材料的均匀性差，对塑性变形产生较大影响，造成延伸率变差。这一规律与延伸不合格钢板的厚度存在对应关系，延伸不合格的钢板均为28 mm厚，小于25 mm厚的钢板受到影响相对较小。

3　优化措施

为了改善高强船板的延伸性能，主要考虑采取如下优化措施：

1)对连铸机进行检修，提高辊缝对弧精度，改善铸坯内部质量；

2) 提高钢水纯净度，控制w(Mn)/w(S)，改善坯料的中心偏析和夹杂物，提高钢板厚度方向的均匀性。

采取优化措施后，延伸率平均指标为24%～27%，延伸性能合格率为100%，高强船板延伸率得到大幅度提升。

4　结　论

(1)低倍分析和Z向拉伸结果表明，铸坯和钢板的低倍检验均发现中间裂纹，这与钢板延伸率性能波动存在对应关系，是影响高强船板延伸率出现波动的主要原因。

(2)扫描电镜分析结果表明，钢板中心偏析和MnS夹杂有待于进一步提高，这不是导致钢板延伸率波动的主要原因。

(3)通过优化工艺，提高辊缝对弧精度，改善铸坯低倍质量；提高钢水纯净度，改善中心偏析和夹杂物，提高钢板厚度方向的均匀性，高强船板延伸性能得到了明显的改善。

[1]刘晓美，陈晔. Q235B钢板延伸率不合格的原因分析[J]. 山东冶金，2003, 25(2)：45—46.

[2]姚海滨，付海彬，魏艳龙，等. Q235B 中板延伸率低的原因分析[J]. 河北冶金, 2005,(2):59—61.

[3]陆淑娟，陈润泽. Q235B中厚钢板伸长率不合格原因分析[J]. 山西冶金，2008，(1):14—15.

[4]罗淼，张凤武，刘陈新. Q345R容器板延伸率不合的影响因素分析[J]. 宽厚板，2010, 16(5) :11—13.

[5]刘洪芝，马为华，范娟，等.船板钢延伸率影响因素分析[J]. 现代冶金，2012, 40(6) :12—14.

[6]王艳莉，何明艳. 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]苏春昌，田庆荣，王雅英. 热轧中厚板延伸率不合格原因分析[J]. 天津冶金，2009, (4): 26—28.

[8]孙齐松，王新华，王国连. 中厚板延伸率不合格试样断裂机理研究[J]. 物理测试，2007, 25(1): 5—9.

[9]任学冲, 王国珍, 王玉良. 铁素体—珠光体组织中解理微裂纹形成的细观力学分析[J]. 兰州理工大学学报, 2004, 30 (5) :1—4.

[10]韩炯，高亮. 高强船板拉伸试验断口分层的原因分析. 宽厚板，2006, 12(1): 30—32.

2016-04-08

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

TG142.1