馬長文 黃樂慶 狄國標 王根磯 王彥鋒 韓承良

(1.首鋼集團有限公司技術研究院，北京 100043； 2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 曹妃甸 063200)

隨著鋼結構的大型化，構件承受的載荷及力的傳遞也更加復雜。為了保證大型鋼結構的安全，設計部門嚴格要求對鋼板進行超聲波探傷并滿足有關標準要求[1]。此外，焊接是大型鋼結構之間最主要的連接方式，有大量的T形、十字形接頭，焊接應力作用在鋼板厚度方向時，將以鋼中非金屬夾雜物為起點產生基本與鋼板軋制表面平行的裂紋[2- 3]。對于高層建筑、海上石油平臺、公鐵兩用大橋等大型鋼結構，技術條件要求鋼板探傷合格并具有良好的抗層狀撕裂性能[4]，因此需研究影響中厚板探傷及抗層狀撕裂性能的因素，并制定穩(wěn)定的生產工藝，為現(xiàn)場生產提供指導。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗用材料為屈服強度345 MPa級鋼板，化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋼板的化學成分(質量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the investigated steel plate (mass fraction) %

1.2 試驗方案

探究影響鋼板探傷結果和抗層狀撕裂性能的因素，試驗方案設計為：(1)制備5種成分的鋼板；(2)采用真空處理和未經真空處理的鋼板進行試驗；(3)采用300和250 mm厚的連鑄坯進行試驗；(4)設定的鋼板壓下工藝如圖1所示。

圖1 不同待溫厚度鋼板的壓下工藝Fig.1 Reduction process of the steel plates with different holding thickness

鋼板的軋制工藝：加熱溫度1 220 ℃；為促進板坯心部變形，粗軋最大道次壓下量為38 mm；精軋始軋溫度790 ℃，終軋溫度780 ℃；目標厚度80 mm，軋后空冷，500 ℃以上緩冷坑堆冷；邊部碼齊，上下增加墊板及蓋板，堆冷48 h以上。

對上述成分、冶煉及軋制工藝不同的鋼板進行超聲波探傷，同時進行厚度方向的拉伸試驗，并對試樣斷口進行掃描電子顯微鏡分析。

2 試驗結果

2.1 化學成分對鋼板抗層狀撕裂性能的影響

對5種不同成分的鋼板進行抗層狀撕裂性能檢測，結果如圖2所示。可見硫的質量分數(shù)≥0.002 8%的鋼板的Z向斷面收縮率均≤25%，硫的質量分數(shù)≤0.002 0%的鋼板的Z向斷面收縮率均≥35%；但硫的質量分數(shù)為0.001 9%未經真空處理的鋼板的Z向斷面收縮率較低，說明隨著硫含量的降低，鋼板的抗層狀撕裂性能提高。

圖2 硫含量對鋼板抗層狀撕裂性能的影響Fig.2 Influence of sulphur content on lamellar tearing resistance of the steel plate

對硫含量不同的鋼板Z向拉伸試樣的斷口進行掃描電鏡分析，結果如圖3所示。硫的質量分數(shù)為0.010 3%和0.009 7%的試樣斷口有分布密集的MnS，最大尺寸分別為4.5 μm×132.0 μm和6.5 μm×61.2 μm；硫的質量分數(shù)為0.002 8%的試樣斷口有一定量的MnS，最大尺寸為10.6 μm×45.9 μm；硫的質量分數(shù)為0.001 9%的試樣斷口有少量MnS，最大尺寸為5.0 μm×30.0 μm。說明隨著硫含量的降低，Z向拉伸試樣的斷口MnS數(shù)量減少，尺寸減小。

圖3 硫含量不同的Z向拉伸試樣斷口的微觀形貌Fig.3 Micrographs of fracture of Z- direction tensile specimens with different sulphur contents

2.2 真空處理對鋼板探傷及抗層狀撕裂性能的影響

對經真空處理的鋼板進行超聲波探傷，結果均符合GB/T 2970—2016《厚鋼板超聲檢測方法》中II級要求；而未經真空處理的鋼板，鋼板中部探傷結果滿足標準要求，但頭部和尾部出現(xiàn)了超過標準要求的大尺寸缺陷。其原因為：鋼板頭、尾處堆冷效果較差，[H]難以擴散，從而產生氫致裂紋，導致鋼板探傷不合格。真空處理可有效提高鋼板探傷的合格率，而未經真空處理的鋼板則可通過嚴格控制緩冷工藝使鋼板達到探傷要求。

對同一塊鋼板探傷不合格和合格的部位進行Z向拉伸試驗，結果如圖4(a)所示。進一步對探傷不合格試樣進行超聲波探傷,確定其缺陷波高后，對該部位進行Z向拉伸試驗，結果如圖4(b)所示。結果表明：探傷合格試樣的Z向斷面收縮率僅1組數(shù)值有波動，其余均在65%以上；而探傷不合格試樣的Z向斷面收縮率≤15%。隨著探傷缺陷波高的增加，Z向斷面收縮率降低。因此鋼板探傷合格是確保其具有較好的抗層狀撕裂性能的前提。

圖4 鋼板探傷結果(a)和缺陷波高(b)與其抗層狀撕裂性能的關系Fig.4 Relation of flaw detection results (a) and wave height of defect(b) to lamellar tearing resistance for the steel plates

2.3 壓下工藝對鋼板抗層狀撕裂性能的影響

未再結晶區(qū)始軋厚度即待溫厚度對鋼板抗層狀撕裂性能的影響如圖5所示。鋼板待溫厚度為160 mm時，其Z向斷面收縮率≤30%；鋼板待溫厚度為130 mm時，其Z向斷面收縮率≥40%，也即隨著待溫厚度的減小，鋼板Z向性能有一定程度的改善。這是由于隨著待溫厚度的減小，粗軋大壓下道次的增加及粗軋末道次壓下率的提高，促進了鋼板心部的變形，有利于連鑄缺陷的軋合，從而提高了鋼板的抗層狀撕裂性能。

圖5 鋼板抗層狀撕裂性能與待溫厚度的關系Fig.5 Relation of holding thickness of the steel plate to its lamellar tearing resistance

2.4 壓縮比對鋼板抗層狀撕裂性能的影響

對采用厚度為300 和250 mm連鑄坯生產的80 mm厚鋼板的抗層狀撕裂性能數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，以研究壓縮比對鋼板抗層狀撕裂性能的影響，結果如圖6所示。由圖6可知，采用壓縮比為3.7的300 mm連鑄坯生產的鋼板，其Z向斷面收縮率平均為66.5%，用壓縮比為3.1的250 mm連鑄坯生產的鋼板，其Z向斷面收縮率平均為47.3%，即隨著壓縮比的增大，鋼板的抗層狀撕裂性能改善。

圖6 壓縮比與鋼板抗層狀撕裂性能之間的關系Fig.6 Relationship between compression ratio and lamellar tearing resistance for the steel plate

3 討論及分析

相關研究表明：鋼板的探傷缺陷多出現(xiàn)在鋼板1/2厚度處[5]，鋼板中的夾雜物通常為硫化錳[6]。其原因是鋼板在連鑄過程中會產生中心偏析、中間裂紋、夾雜物等缺陷[7]，同時鋼中的氫致裂紋是引起鋼板探傷不合格的主要原因[8]。

3.1 裂紋形成機制及預防措施

超聲波探傷表明缺陷位于鋼板的心部。對缺陷所在部位進行金相檢驗，結果如圖7所示?？梢婁摪逍牟苛鸭y處有一定量的貝氏體，且裂紋沿貝氏和珠光體擴展。

圖7 鋼板中裂紋(a)和裂紋附近的顯微組織(b)Fig.7 Cracks(a) and microstructure near them(b) in the steel plate

在鑄坯凝固過程中，C、Mn、S元素將產生中心偏析；軋后鋼板冷卻過程中，由于中心偏析元素C、Mn的富集導致其淬透性提高，鋼板心部發(fā)生貝氏體轉變，貝氏體是非平衡態(tài)組織，轉變過程中產生了較大的組織應力；鋼板心部變形不充分，可能存在少量未軋合的縮松及縮孔等缺陷，且MnS等夾雜物在心部富集，作為氫陷阱降低了氫原子的擴散系數(shù)，阻礙了氫原子的傳輸[9]。隨著溫度的降低，氫在鋼中的溶解度降低并向外擴散。但溫度低于200 ℃時，氫原子難以有效擴散，在氫陷阱處結合形成氫分子，體積迅速擴大，使微孔隙中產生巨大內應力，外加貝氏體轉變的組織應力，導致鋼板產生裂紋。隨后裂紋沿阻力較小的貝氏體及珠光體擴展，最終使鋼板的探傷結果不符合要求。

為了提高鋼板的探傷合格率，采取工藝措施為：進行真空處理以降低鋼坯中的氫含量，同時采用鋼坯圍擋緩冷及軋后入緩冷坑緩冷的工藝，促使鋼中氫逸出；促進鋼中疏松縮孔等缺陷的軋合以減少氫陷阱的數(shù)量；通過提高壓縮比、粗軋大壓下道次及壓下率，以軋合鑄件心部缺陷。

3.2 層狀撕裂形成機制及控制工藝

Z向拉伸試樣的斷口分析表明，MnS的數(shù)量及尺寸對鋼板的抗層狀撕裂性能有重要影響。隨著硫含量的提高，鋼板MnS夾雜物的數(shù)量及尺寸增加，而且MnS為塑性夾雜物，在軋制過程中沿軋制方向被拉長，因此斷口的MnS為紡錘形。當鋼板受到厚度方向的拉力時，在MnS末端產生應力集中，裂紋沿MnS所在平面擴展，并通過剪切壁與其他平面的裂紋連接，從而產生層狀撕裂[10]。因此，為使鋼板具有較好的抗層狀撕裂性能，需嚴格控制鋼板的硫含量；為確保其Z向斷面收縮率≥35%，鋼板中硫的質量分數(shù)應控制在0.002%以下。

對于未經真空處理的250 mm厚鋼坯，采用圍擋堆冷、優(yōu)化待溫厚度以及嚴格的緩冷工藝，成功生產了80 mm厚鋼板，其探傷結果符合GB/T 2970—2016中II級要求，抗層狀撕裂性能滿足Z35級別要求。

4 結論

(1)探傷缺陷位于鋼板心部，是連鑄未軋合缺陷、偏析、夾雜物及氫富集共同作用的結果，氫壓及組織應力導致裂紋產生，并沿偏析產生的貝氏體擴展。

(2)探傷合格是保證鋼板具有良好抗層狀撕裂性能的前提，成分設計、真空處理、壓縮比、壓下工藝及緩冷工藝均影響鋼板的質量；降低硫含量可使MnS的數(shù)量減少和尺寸減小，采用真空處理及緩冷工藝可降低鋼板中氫含量，提高壓縮比及大壓下工藝能促進連鑄缺陷的軋合，從而確保鋼板的抗層狀撕裂性能符合要求。

(3)未經真空處理、壓縮比為3.1的鋼坯，采用堆冷、待溫厚度控制在130 mm及緩冷坑緩冷的工藝，可使80 mm厚鋼板達到國標II級探傷及抗層狀撕裂性能Z35級別要求。