桥梁钢板冲击功数值波动原因分析及改善措施.pdf

第2 9卷第4期362023年8 月宽厚板WIDEANDHEAVYPLATEVol.29,No.4August 2023桥梁钢板冲击功数值波动原因分析及改善措施王运苗秦坤马欣然（唐山中厚板材有限公司）摘要针对生产钢板冲击功数据波动现象，采用金相分析法对桥梁钢不同厚度位置的组织晶粒进行对比研究，结果表明：接近钢板表面组织及性能良好，造成钢板冲击功数值偏低主要是钢板心部晶粒粗化以及带状组织和夹杂物等方面的原因。通过适当提高水冷却速率，细化了晶粒，通过抑制过冷奥氏体中的碳化物析出，减轻了带状组织影响，细小铁素体的析出使夹杂物破坏作用得到缓解，实现了冲击功值的稳定以及钢板性能的改善。关键词冲击功带状组织夹杂物冷却速率冷却时间Cause Analysis and Improvement Measures for Fluctuation ofImpact Energy Values of Bridge Steel PlateWang Yunmiao,Qin Kun and Ma Xinran(Tangshan Medium and Heavy Plate Co.,Ltd.)Abstract In response to the fluctuation of impact energy data for the produced steel plates,a comparative studyis conducted on the microstructure and grains of bridge steel at different thickness positions using metallographic analy-sis.The results show that the microstructure and properties close to the surface of the steel plate are good,and the mainreason for the low impact energy value of the steel plate is due to factors such as grain coarsening in the center of thesteel plate,banded structure and inclusions.By increasing the cooling rate of water cooling,the grain size is refined,andthe influence of banded structure is reduced by suppressing the precipitation of carbides in undercooled austenite.Theprecipitation of fine ferrite relieves the destructive effect of inclusions,achieving stable impact energy value and impro-ving steel plate performance.Keywords Impact energy,Banded structure,Inclusion,Cooling rate,Cooling time0前言为了满足桥梁工程建设的需要，高强度、高韧性、良好的可焊性以及抗疲劳性、耐候性成为高性能桥梁钢开发的主要方向。同时，桥梁钢新标准GB/T7142015将板材冲击功值由47 J提高到120J,加大了低温韧性桥梁钢板的生产难度。随着产量的提高及厚度规格的不断扩展，唐山中厚板材有限公司（简称“中厚板公司”）在桥梁钢生产中出现了低温韧性性能数值波动较大的问题，部分产品因低温韧性性能数值低于国家标准要求而降级改判，直接影响企业的经济效益。1试验方法与结果选取1块厚度2 0 mm冲击韧性数值波动较大的桥梁钢板，从钢板宽度方向1/4位置制取全厚度截面试样进行冲击试验和金相组织观察。该块桥梁钢的具体成分、同厚度位置冲击韧性数值分别见表1、表2,金相组织及夹杂物检验结果如图1、图2 所示。表1桥梁钢成分（质量分数）CMn0.131.450.0030.0120.230.0260.23表2 厚度2 0 mm桥梁钢板冲击功值钢板厚度/mm试验温度/20-40%SPSi121,61,199NbKV2/JTi第4期(a)图1销钢板表面显微组织形貌王运苗，等：桥梁钢板冲击功数值波动原因分析及改善措施200m50 m37少，因此，表面位置的冲击功数值较高。试样1钢板全掌度(20 mm)1,2 mm试样2试样35mm图3 不同厚度位置的冲击试样取样示意图表3 钢板不同厚度位置试样的50 m(a)夹杂物形态图2 钢板心部夹杂物形态及显微组织形貌夹杂物多数为硫化物，评级为A类细系1.5级，形态为细长条状，且主要分散在试样厚度的上、下1/4之间，尤其在试样厚度1/2 处最为密集；试样上、下表面（0 3）mm处为细小均匀的多边形铁素体+珠光体组织，珠光体多数在多个铁素体之间，单个铁素体尺寸可达到（5.50.5）m，晶粒度评级为11.3 11.6 级；心部组织主要为带状较为严重的铁素体+长条状珠光体组织，带状组织评级B2.5,珠光体与铁素体分行较为明显，相较于钢板表面金相显微组织尺寸较为粗大，平均晶粒尺寸可达到（10.11.1）m,同时发现细长条状的硫化物夹杂与富碳的带状珠光体相邻或者近距离平行分布，在部分夹杂物边缘发现可视化的显微裂纹。通过初步金相分析，确定造成钢板冲击性能不合格的原因与钢板试样心部组织有直接关系。钢板不同厚度位置的组织存在差异性，为进一步印证钢板组织与冲击功数值的关系,在厚度为2 0 mm、冲击功数值波动较大的钢板厚度方向不同位置取样分析，如图3 所示。其低温冲击功数值见表3。通过观察金相组织、分析不同厚度位置的冲击功数值，判定桥梁钢板冲击功不合格的主要原因是钢板心部位置晶粒粗化以及带有较多硫化物夹杂的珠光体带共同作用，在发生冲击塑性变形时，晶粒粗化则晶界较少，抵抗变形能力降低,极易在夹杂物的周围形成细小裂纹源,继而裂纹沿珠光体边界扩展发生解理断裂，多个解理断裂裂纹同时发生且相互连接汇聚成较大裂纹，最终导致钢板心部组织低温冲击韧性较表面组织偏低。而钢板表面附近晶粒均匀细小且夹杂物较50m(b)显微组织形貌-40冲击功值试样编号KV2/J1#231,198,2452#122,79,1813#64,59,512分析与讨论晶粒均匀细小是可同时提高强度和冲击韧性的最有效手段，也是目前大部分钢厂普遍采用的手段。该桥梁钢板表面主要为细晶组织,由于晶界数量的增加,塑性变形被限定在一定范围内,变形更均匀,从而提高了材料的塑性；同时晶界数量的增加将阻碍裂纹扩展，可进一步改善材料的韧性。本文中发现问题的桥梁钢板在发生较大塑性变形时，由于钢板心部位置晶粒粗化，晶界较少，抵抗变形能力变低，因此在夹杂物的周围形成细小裂纹源；当发生较大塑性变形时，裂纹沿珠光体边界扩展发生解理断裂，多个解理断裂裂纹同时发生且相互连接汇聚形成较大裂纹。至于心部带状组织，是在钢坏热轧过程中成分偏析区与贫乏区逐渐平行于轧制方向且呈交替间隔分布形成的。冷却过程中贫Mn带先发生铁素体相变,迫使C原子向相邻偏析带剩余奥氏体扩散,提高了局部C浓度,进一步降低了局部相变温度，直到满足珠光体转变条件而形成珠光体带。钢中的硫化物多数为低熔点化合物,因此更加容易在珠光体带周边“被俘获”,形成破坏冲击低温韧性的复合组织，最终导致钢板在发生较大塑性变形时心部组织低温冲击韧性偏低。而钢板表面区域冷却过程中冷却速率大,形成组织细化且夹杂物稀少,因此表面位置的冲击功数值较高。另外，在试样加工过程中，冲击试样制取位置38不同，是造成同批次桥梁钢板冲击功数值波动较大的外在原因。3改进措施与验证终轧后再结晶过程中的晶粒长大及相变冷却后的晶粒长大可以通过控制轧后冷却速度及终冷温度来控制。低碳钢在较宽的冷速范围内可以获得以F+P为主的组织,而提高冷却速度为细化铁素体晶粒提供了必须的条件。大量研究表明，通过提高冷却速率能够改变铁素体相变动力学，可以有效改善带状组织。Kirkaldy认为消除带状组织的冷速高于临界冷速。Thompson 等认为提高相变过程中的冷速将溶质元素高、低含量相邻区域铁素体形核率差别缩小到6%8%,或将C扩散距离限制在Mn偏析带间距一半以内,就可以避免形成带状组织 2 。同时冷却速率的大小也是影响晶粒形核长大的一个要素，随着冷却速率的增加，钢板金相组织中铁素体含量减少并不断细化，但是冷却速率过大，会导致钢板表面和心部温差过大，钢板表面生成低温贝氏体组织，从而影响整体厚度的塑性性能指标，因此钢板控制冷却过程中只能适当提高冷却速率，在细化晶粒组织的同时避免钢板心部带状组织。所以对于生产中厚规格桥梁钢板而言，确立钢板热轧后水冷过程中的冷却速率是改善低温冲击性能的关键。按照表4所列的冷却工艺对桥梁钢进行对比试验，所得冲击功值见表5，金相试验结果见图4。表42 0 mm厚桥梁钢板冷却试验数据对比开冷温强冷集管弱冷集管终冷温项目度/原冷却工艺810新冷却工艺813表52 0 mm厚桥梁钢板新冷却工艺-40冲击功数据试样位置KV2/J表面232,261,285距表面2 mm处201,197,255距表面5mm处187,205,209宽厚板从上述试验结果可以看出,新冷却工艺虽然造成钢板表面生成少量贝氏体组织，但是提高冷却速率有利于钢板心部铁素体晶粒的细化，珠光体多数在铁素体“包围”的位置，单个铁素体尺寸可达（6.8 0.5）m，晶粒度评级为10.9 11.6级；同时提高冷却速率促使铁素体的快速形核析出，减轻了钢板心部带状组织，极大地缓解了夹杂物与带状组织复合的影响作用，获得了较好的效果。4结论(1)桥梁钢板由表面到心部冲击功数据波动的主要原因是其内部晶粒组织粗化以及带状组织、硫化夹杂物形成复合型有害组织,在进行冲击试验时破坏组织的连续性造成。(2)通过提高冷却速率能够改变铁素体相变动力学，可以有效细化钢板内部组织晶粒,改善带状组织。参考文献1 Kirkaldy J S,Von Destinon-Forstmann J,Brigham R J.Simula-tion of banding in steels J.Canadian Metallurgical Quarterly,2013,1(1):59 81.数/个数/个1628第2 9卷200m200umaisTaT(a)表面组织形貌(b)心部组织形貌图4新工艺生产桥梁钢板显微组织形貌度/2Thompson S W,Howell P R.Factors influencing ferrite/pearlite677banding and origin of large pearlite nodules in ahypoeutectoid634plate steelJ.Materials Science and Technology,2013,8(9):777 784.王运苗，女，毕业于河北理工大学金属压力加工专业，工程师。收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 3