Q550D钢拉伸试样断口分层原因

牛盼杰, 陈艳伟, 曾宋文

(1.宝武集团鄂城钢铁有限公司质检中心, 鄂州 436000； 2.河南工业大学漯河工学院, 漯河 462000； 3.武汉理工大学 材料科学与工程学院, 武汉 430000)

低合金高强度结构钢具有较高的屈服强度、良好的焊接性能和冷加工性能，特别是在板厚方向上的塑性良好，其还具有较低的韧脆转变温度，广泛应用于建筑、高压容器、工程机械等行业。

Q550D钢属于低合金高强度钢，其在生产制备时采用控制轧制和控制冷却工艺，微合金元素使钢中的奥氏体在转变之前的热变形过程中达到了合理的组织状态，在转变后能够得到更细小的铁素体晶粒，在提高强度的同时保持良好的韧、塑性，能够在保证使用和安全性能的前提下，降低构件的体积和质量。

笔者单位开发Q550D钢宽厚板过程中，在进行力学性能试验时发现拉伸试样的断口出现分层，从而造成断后伸长率不符合标准要求，导致需要进一步通过热处理来改善其力学性能，这既影响了公司的效益，又加重了成本负担。笔者对出现断口分层的试样进行了一系列检验和分析，找出了分层原因，提出了适当改善措施，进而提高Q550D钢的合格率。

1 理化检验

1.1 宏观观察

拉伸试样断口分层的宏观形貌如图1所示。可见试样断口处沿厚度1/2位置形成V字形裂口，深入基体内部。分析认为，试样在受到拉伸载荷作用时，裂纹前端三维应力场中沿层合板厚度方向的主应力作用于层合面上，层合面发生分离，并促使该次生裂纹沿着层合面扩展，造成主裂纹浅缘局部平面应变状态变为平面应力状态，产生分层韧化。裂纹源由较为薄弱的厚度1/2处始发，在拉伸应力持续作用的过程中由平面应力占主导造成裂纹沿着厚度1/2平面扩展，直至试样断裂，形成图1中所示断口形貌。

1.2 金相检验

取拉伸试样断口处的未变形区域的样块，制备纵向和横向金相试样进行分析。经过抛光后，纵向截面金相试样抛光面上厚度1/2处可见贯穿整个视场的B类夹杂物，如图2a)所示。进一步经过4%(体积分数)硝酸酒精浸蚀后的试样，其形貌如图2b)所示，可见横截面金相试样在厚度1/4和3/4处有较严重的条带组织分布，且条带颜色深浅不一。

图2 纵截面金相试样宏观形貌Fig.2 Macro morphology of longitudinal section metallographic sample: a) class B inclusions; b) strip structure

金相试样表面显微组织形貌如图3a)所示，可见试样表面显微组织为马氏体+贝氏体。试样厚度1/2处的显微组织形貌如图3b)所示，为粒状贝氏体+少量板条状贝氏体+少量马氏体+少量块状铁素体。试样厚度1/4处的显微组织如图4所示，可见有明显的组织条带，颜色较暗，为粒状贝氏体+板条状贝氏体+少量马氏体。

图3 拉伸试样不同位置处的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology at different positions of the tensile sample: a) surface; b) at 1/2 thickness

图4 拉伸试样1/4厚度处的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology at 1/4 thickness of the tensile sample: a) at low magnification; b) at high magnification

1.3 硬度测试

对横向断面金相试样采用显微维氏硬度计沿试样厚度方向每隔1.5 mm进行维氏硬度分析，结果如图5所示。结果可见试样厚度上、下1/4处的维氏硬度明显高于1/2处的。

图5 横向金相试样沿厚度方向的硬度分布曲线Fig.4 Hardness distribution curve of transverse metallographic sample along thickness direction

1.4 能谱分析

通过能谱仪对横向金相试样上、下1/4处的组织条带进行分析，结果表明条带内的硅元素和锰元素偏析较为严重，相应的含量分别达到了1.2%(质量分数)和3.0%(质量分数)。

2 分析与讨论

结合断口宏观形貌和夹杂物分析可知，试样的心部区域有大量的B类夹杂物，B类夹杂物属于脆性相，在试样受到拉伸外力作用时，易出现断裂，起到裂纹源的作用，同时夹杂物降低了钢基体组织的连续性。可以认为，在外力作用下，夹杂物周围产生应力集中而引起塑性变形难以持续，于是夹杂物周围产生大量位错环，当位错环在外力作用下到达夹杂物和基体的界面时，界面分离产生微孔，破坏了钢基体的连续性，微孔不断长大和聚合就形成了显微裂纹。在外力的作用下，裂纹逐渐向周围扩展，随着裂纹的不断聚合长大，沿一定的晶界而发展，形成解理面并迅速扩张形成断裂。

再结合金相检验结果可知，试样的上、下1/4处存在明显的偏析带和组织条带，而且从1/4处至1/2处的组织颜色由暗转浅。结合厚度方向的硬度分布情况及能谱分析结果，试样厚度的上、下1/4处的维氏硬度明显高于1/2处的，且上、下1/4处存在较严重的硅元素和锰元素偏析。该试样沿厚度方向的组织不均匀，粒状贝氏体、板条贝氏体、马氏体、块状铁素体混合组织呈条带分布。试样上、下1/4处显微组织为大量贝氏体+少量马氏体，造成强度偏高而塑性较差，试样的心部区域为大量的粒状贝氏体+少量马氏体+块状铁素体，造成心部强度偏低而塑性较好。夹杂物与基体界面产生的裂纹源，在扩展过程中会向着基体较薄弱、变形抗力较小的部位扩展，即向试样的心部扩展。造成拉伸试验断口处沿1/2界面形成组织剥离，即形成断口分层。

3 结论及建议

板坯在连铸过程中采用了不当的连铸工艺，导致连铸钢坯在上、下1/4处形成成分正偏析，在1/2处形成负偏析，加大了杂质元素在心部的富集。轧制成钢板后，在钢板的1/4厚度处有严重的贝氏体偏析带，在心部区域有大量的B类夹杂物。最终导致拉伸试样断口沿1/2界面处形成断口分层。

建议通过提高钢液纯净度、优化连铸工艺来改善偏析。采用合适的回火工艺，对已经产生拉伸断口分层的钢板进行回火热处理，以解决拉伸试样断口的分层问题。