氫脆導致Q235B鋼板斷后伸長率不合格

王世茹, 陳以薈

(1.廣西盛隆冶金有限公司,廣西 防城港 538000)

Q235B作為普通材質的碳素結構鋼板,廣泛用于不需要進行深沖加工的各類沖壓件和金屬制品,是運用于汽車、建筑、零件等制造領域必不可少的原料,同時也是國內最常見的鋼材之一。Q235B作為各金屬制品的原材料,其鋼材產品的質量對下游各加工制造產品的質量會造成直接影響,為此Q235B鋼板在國標中有一定性能指標要求,而斷后伸長率是衡量Q235B鋼材產品質量的重要指標之一。為確保Q235B鋼材質量,鋼廠要對影響鋼材斷后伸長率的各個因素做好嚴格把控,其中影響因素包括:連鑄鋼坯中存在的氫元素、顯微組織比例、帶狀組織級別、內應力以及非金屬夾雜物等。

某鋼廠在一段時間內,所生產的Q235B熱軋鋼板出現大批量斷后伸長率不合格現象,且該現象只存在厚度16 mm以上鋼板中。大批量的鋼板質量異議給鋼廠帶來巨大經濟損失,為查清斷后伸長率不合格原因,且防止類似情況的再發生,實驗室通過力學性能試驗、化學成分分析、斷口形貌分析、金相檢驗等方法將斷后伸長率合格與不合格拉伸試樣進行對比分析,針對斷裂機理進一步探討,隨后提出相應的改進措施,提升產品質量。

1 試驗過程與結果

1.1 材料生產工藝及性能檢測

Q235B鋼板產品工藝路線:鐵水→轉爐→LF精煉→板坯加熱→高壓水粗除鱗→粗軋→切頭、尾→高壓水精除鱗→精軋→控冷、層冷、卷曲→打包、噴印。

因一段時間內鋼廠生產的Q235B熱軋鋼板突然出現批量性的斷后伸長率不合格現象,隨后取同批次的鋼板樣品,制取縱向軸線垂直于軋制方向的拉伸和冷彎試樣,并嚴格按照GB/T228.1-2021進行拉伸試驗,同時取相鄰位置進行彎曲試驗。為方便識別,將樣品進行編號,編號依次為1#～3#,樣品力學性能檢驗結果見表1。試驗后發現,所抽取的樣品中抗拉強度、屈服強度以及冷彎都能夠遠遠滿足GB/T 700-2006《碳素結構鋼》和內控要求,但是除了3#試樣滿足標準要求外,1#、2#試樣斷后伸長率都小于26%。

1.2 材料化學成分分析

使用直讀光譜儀分別對三個試樣進行化學成分分析,試樣主要化學成分結果如表2所示。試驗結果表明,該批試樣的化學成分較為均勻,且均符合GB/T 700-2006《碳素結構鋼》及內控要求,另外鋼水經LF精煉處理及全程保護澆鑄,P、S含量控制得當,鋼水較為純凈。說明化學成分與斷后伸長率不合無直接關聯。

表2 化學成分 單位:%

1.3 拉伸斷口宏觀觀察

進行拉伸試驗后,將斷后伸長率合格的1#、2#試樣和不合格的3#試樣進行拉伸斷口宏觀對比觀察,拉伸斷口宏觀形貌見圖1。

(a)1#試樣斷口 (b)2#試樣斷口 (c)3#試樣斷口圖1 拉伸斷口宏觀形貌

1#、2#斷后伸長率不合格的斷口上呈現木紋狀,且厚度中心的纖維區上存在數條亮線,整個斷口上零散分布著較多白點,兩寬邊為剪切唇。

3#斷后伸長率合格的斷口上同樣呈現輕微木紋狀,試樣斷口除了分布少量因機械損傷形貌而出現的白色亮點外,無亮線和白點,兩寬邊為剪切唇。

三個拉伸試樣斷口均呈頸縮狀,說明試樣整體存在一定的塑性變形。

1.4 斷口微觀觀察

在三個試樣中抽取有代表性的1#試樣,對拉伸斷口進行清洗后,置于蔡司ZEISS Sigma500場發射掃描電鏡下進行斷口微觀形貌觀察:

1#試樣斷口的纖維區寬度約為7 mm,纖維區中存在較密集的拉長韌窩(對應宏觀下白線位置),觀察形貌,拉長韌窩是由硫化物類夾雜變形所形成的[1],韌窩底部的夾雜部分脫落。為確認拉長韌窩底部夾雜物成分,對殘留的夾雜物進行能譜分析(圖4),能譜結果顯示夾雜物為MnS(圖5)。進一步放大觀察,夾雜物與基體分離,而夾雜物周圍存在平坦區,平坦區為帶波紋狀的準解理脆性斷裂形貌,在平坦區以外的正常斷口為均勻的等軸韌窩(圖2、圖3)。此外纖維區與剪切區局部位置也分布著圓形和橢圓形的小準解理區(對應宏觀下白點位置),圓形和橢圓形的小準解理區分別以點狀和條狀夾雜物為中心向外輻射。剪切唇主要為正常拋物線韌窩形貌。

圖2 纖維區形貌(SEM)

圖3 氫脆形貌(SEM)

圖4 MnS夾雜物形貌(SEM)

圖5 能譜圖片

圖6 100×厚度中心顯微組織形貌

圖7 500×厚度中心顯微組織形貌

從斷口形貌判斷,拉伸試樣斷口纖維區上的亮線及白點的斷裂模式應為氫脆斷裂,該缺陷分布密集,且集中于試樣厚度中心,破壞了鋼的連續性。在冷軋過程中,氫在鋼中的溶解度很低,過剩的氫一部分會在晶界、夾雜物及顯微空隙處匯集,后形成高壓的氫分子。夾雜物處填充過滿的氫氣,過飽和的氫氣使越接近空隙的材料變得越脆。在氫壓力與金屬在拉伸變形過程的應力相互疊加,夾雜物的位置成為了白點的裂紋源。在緩慢的拉伸過程中,由于聚集的氫內壓,使裂紋由白點中心空洞向四周擴展,又由于拉伸試驗過程中受正應力,導致裂紋在垂直應力方向,勻速向四周發生擴散,宏觀上形成形狀趨于圓形的白點。該斷口中氫主要匯集于硫化物處,硫化物呈條狀,氫以硫化物為中心,向外擴展成微觀下近似鴨嘴狀的橢圓形氫脆形貌。

1.5 金相檢測

1.5.1 顯微組織檢測

分別截取1#、2#、3#斷口縱截面,磨平拋光后用4%硝酸酒精腐蝕,在蔡司Axio Scope.A1金相顯微鏡下進行觀察:3個試樣的顯微組織均為多邊形鐵素體與珠光體,其中為軟韌相的多邊形鐵素體在整個基體中占比較大,且試樣全厚度截面的組織較為均勻,顯微組織正常,沒有發現明顯的帶狀組織。參照GB/T 6394—2017標準,用比較法對各試樣的晶粒度進行評級,3個試樣晶粒度均為10.5級。工業生產中,采用晶粒度等級來表示晶粒度大小,而9～12級為超細晶粒,晶粒越細小,金屬本身塑性韌性及強度性能會更好。

1.5.2 非金屬夾雜物檢測

在拉伸過程中,鋼中非金屬夾雜物破壞金屬的連續性對鋼材斷后伸長率有一定影響[2],截取3個試樣夾持端縱截面分別參照GB/T 10561—2005標準對夾雜進行評級,其夾雜物級見表3。

表3 夾雜物檢測結果

斷后伸長率合格與不合格樣品中均可見較多細系條狀硫化物類夾雜物集中分布于試樣厚度中心。在掃描電鏡中觀察到的MnS夾雜物與金相觀察到的條狀硫化物類夾雜物位置存在對應關系。由于鋼廠生產Q235B鋼板時,冶煉過程中主要通過硅錳脫氧,鋼板中夾雜物主要以MnS為主。MnS夾雜具有一定塑性,在經過軋制變形后變成一定延展性的長條狀物質,但由于不能隨著基體一起去延伸,變形的MnS夾雜與鋼的基體增加了界面,且由于二者的膨脹系數不一致,冷卻時收縮也不同,所以MnS夾雜與基體界面間會產生內應力,減弱兩者的結合力,所以只需要一些微小的應變就能在界面間形成空洞,空洞間的橫向間距過于接近,當超過極限應變范圍時,空洞會有聚合的情況發生,引起塑性開裂[3]。另外,MnS夾雜與鋼基體由于膨脹系數不同而引起的間隙容易容納氫,為氫提供一定的儲存空間,增加基體氫致裂紋的敏感性。

2 分析與討論

由以上檢驗結果得出:

(1)Q235B鋼板斷后伸長率不合格與合格試樣的化學成分均符合GB/T 700-2006《碳素結構鋼》及產品內控要求,說明化學成分與斷后伸長率不合無直接關聯。

(2)通過三個試樣斷口的對比分析:發現三個斷口的纖維區均以等軸韌窩形貌為主,說明基體仍處于塑性狀態。其中斷后不合格的1#、2#試樣斷口上存在多處氫脆形貌,其中氫主要匯集于呈條狀的硫化物處,氫以硫化物為中心,向外擴展成微觀下近似鴨嘴狀的橢圓形。氫脆缺陷分布密集,且集中于試樣厚度中心,破壞了鋼的連續性。通過拉伸試樣斷口的之間的比對,認為鋼板中殘留的氫元素是材料斷后伸長率不合格的主要原因。

(3)通過對Q235B鋼板的金相分析,結果表明:三個試樣組織均為多邊形鐵素體與珠光體,晶粒度為10.5級,即顯微組織細而均勻,且軟韌相的鐵素體占基體大多數,沒有發現明顯的帶狀組織,顯微組織未發現異常。在金相試樣中可見較多條狀A類細系夾雜分布于試樣厚度中心,由于應力集中于夾雜物處形成,而斷裂往往是從夾雜物與基體界面處產生的顯微裂紋處開始,所以非金屬夾雜物的存在也會降低材料的塑性,降低斷后伸長率[4]。另外,MnS夾雜與鋼基體由于膨脹系數不同而引起的間隙為氫提供了一定的儲存空間,增加基體氫致裂紋的敏感性。

根據斷裂力學的觀點,高應力裂紋尖端的表面對氫原子有較強的吸附作用。當氫被吸附于裂紋尖端,會使金屬表面能(γ)下降,依據格里菲斯理論,金屬的斷裂強度與γ1/2成正比 ,當裂紋尖端的表面能的降低,材料的斷裂強度也會隨之降低,從而引起材料脆化。氫的原子半徑很小,只有0.046 nm,且一般以原子的狀態存在,固溶于金屬間隙中,如金屬內存在微裂紋、偏析、夾雜等缺陷,氫則會以分子狀態(H2)存在。即進入金屬內部的氫,會造成金屬塑韌性的下降及金屬結構的損傷。氫原子在一定的應力作用下,會偏驟于材料內部的位錯、晶界、空穴、氣孔、微裂紋等缺陷處,隨后氫原子相互結合成氫分子,體積發生膨脹。合成氫分子而發生的體積膨脹會對微孔內造成很大壓力(可達9.81×105 MPa),當氫產生的內壓力與材料本身的內應力或外加應力相互迭加,將使裂紋擴展,導致開裂。如果金屬內所含的氫濃度過高,金屬會產生氫鼓泡或氫致裂紋,對金屬材料造成嚴重損傷。

為驗證該批鋼板斷后伸長率不合格是否由鋼板中氫元素而導致,隨后將該批Q235B鋼板進行去氫處理。從已進行去氫處理的Q235B鋼板中重新取樣,進行同試驗條件的拉伸試驗。經去氫處理后,拉伸試樣斷口上的氫脆形貌均已消失,且鋼板斷后伸長率不合格現象得以消除。

綜合上述,在該批Q235B鋼板中發生的氫脆現象屬于第二類可逆性氫脆。在因為鋼板中的氫含量極少,所以氫對材料的強度無明顯影響,而對材料的斷后伸長率影響較大。

3 結論與建議

該批次Q235B鋼板斷后伸長率不合格的主要原因是鋼板中存在殘留的氫元素,非金屬夾雜物也對鋼板的斷后伸長率產生一定的影響。鋼廠出現批量性Q235B斷后伸長率不合格現象的時間為梅雨季節,在這個季節經常出現陰雨天氣,降水量大,且連續性較強,環境濕度較高。為此鋼廠需要特別關注氫的來源,并對鋼板生產過程采取一系列的防范工作:

(1)確保廢鋼及各類用料的干燥,做好防潮措施,以防氫氣通過廢鋼表面的鐵銹(xFeO·Fe3O4·H2O)、增碳劑、脫氧劑、保溫劑、造渣劑[Ca(OH)2]等途徑進入鋼水中。

(2)做好對連鑄機結晶器定期維護、檢修,防止連鑄機結晶器滲水以及大氣中的水分與鋼液或爐渣作用而進入鋼中。

(3)加強對煉鋼過程的管控,控制MnS的形態及組成?？赏ㄟ^控制Ca/S(質量比)來控制硫化物的形態及組成方式,建議通過鈣處理,讓Ca、S元素組成CaS,組成的 CaS將包裹在鈣鋁酸鹽的周圍,此類復合夾雜物硬度較高,熱加工不易變形,可消除MnS條帶狀分布對鋼橫向性能的不利影響。此外還需注意生產節奏,提高鋼液的純凈度。