1、TMCP 高强贝氏体钢板拉伸断裂机制研究 武凤娟 刘东升 江苏省(沙钢)钢铁研究院 摘 要： TMCP 型 F620 船板钢的拉伸伸长率达 15%时未出现分层断裂。但随着颈缩的发展, 在断裂前瞬间发生分层。对钢板及拉伸断口分层裂纹进行光学显微镜 (OM) 观察, 未发现明显偏析及异常夹杂物等缺陷。对拉伸断口分层面进行扫描电镜 (SEM) 观察, 发现分层面具有明显的低塑性解理断裂特征。利用 X 射线衍射 (XRD) 对形变前后的试样进行织构分析, 发现/拉伸方向的织构被加强。通过电子背散射衍射 (EBSD) 分析形变组织, 发现晶界分布状态发生了改变。Z 向短棒拉伸试验证明厚度方向具有良好的塑
2、性。上述结果表明, 拉伸断口分层是 TMCP 贝氏体钢板特有的特征, 并非性能降低所致。关键词： 热机械控制工艺; 贝氏体高强钢; 拉伸断口; 分层; 作者简介：武凤娟, 女, 助理研究员, 硕士, 从事热轧板带材产品的开发, Email:Study on Tensile Fracture Mechanism of TMCP High Strength Bainitic SteelWu Fengjuan Liu Dongsheng Institute of Research of Iron and Steel, Shasteel; Abstract： In the tensile test o
3、f F620 grade shipbuilding steel produced by thermomechanically controlled process (TMCP) , the laminate fracture didn t occurred when the elongation was 15%, while occurred instantaneously before fracture. Based on optical microscopy (OM) observation on the laminated crack, no harmful defects, such
4、as obvious segregation bands and abnormal inclusions were found. According to scanning electron microscopy (SEM) observation on the laminated surface, the laminatehad features of cleavage fracture. Meanwhile, the texture in parallel to the tensile direction measured by X-ray diffraction (XRD) was st
5、rengthened.Based on electron backscatter diffraction (EBSD) analysis, it was found that the grain boundary distribution changed. The steel plates had good plasticity in the direction of thickness measured by short bar tensile test in Z direction. These observations indicated that the laminated fract
6、ure was the characteristic of bainitic steel, and not attributed to decrease of mechanical properties.Keyword： TMCP; high strength bainitic steel; tension fracture; laminated; 使用微合金化和控制轧制加速冷却 (thermomechanically controlled process, TMCP) 技术生产的高强度和超高强度船板钢, 具备优良的低温韧性和焊接性1-4。TMCP 钢板进行板拉伸时, 常出现拉伸断口分层, 即
7、在拉伸试验中, 出现平行于板面的分层5-6。在低强度低合金钢中, 此类现象主要是因为严重偏析形成的带状组织或大尺寸夹杂物的存在所致7-8。然而, 无明显冶金缺陷的高强钢板拉伸时仍出现断口分层现象。李秀程等9认为拉伸断口分层是由贝氏体自身特有的力学性能导致的。但在发生分层前钢板能承受多大的拉伸变形, 需要定量研究, 且贝氏体钢拉伸分层是否为其特征之一, 尚需更多的试验验证。因此本文取不同工艺生产的 F620 高强度船板钢, 进行系列拉伸性能分析。1 试验材料与方法试验材料为 F620 热轧船板钢, 其化学成分 (质量分数, %) 为:C 0.06, Si 0.24, Mn 1.28, P 0.0
8、06, S 0.002, Al 0.035, (Cu+Ni+Cr+Mo) 2.59, (Nb+V+Ti) 0.072, Fe 余量。板坯经铁水预脱 S 处理180 t 转炉炼钢钢包精炼 (LF) RH 法真空脱气等工业生产过程制备, 连铸成 320mm 厚板坯。将板坯加热到 1 200保温 4 h, 在配备 5 000 mm 四辊可逆轧机和多功能加速冷却系统 (multi-purpose interrupt cooling, MULPIC) 的工业生产线上进行 TMCP工艺试验, 将连铸坯分别轧成 30 和 50 mm 厚钢板, 主要轧制工艺参数如表 1 所示。然后对钢板进行 650回火处理。
9、表 1 F620 钢的轧制及冷却生产工艺 Table 1 Rolling and cooling process of F620 steel 下载原表 取试验钢板进行横向、纵向全厚度 (30 和 50 mm) 板拉伸试验。沿钢板厚度方向取样, 进行全厚度 Z 向圆棒拉伸试验, 试样中间段直径分别为 6 和 10 mm。用光学显微镜 (OM) 观察全厚度板拉伸试样颈缩段纵剖面图像以及分层断口纵剖面显微组织。利用 JSM-7001F 扫描电镜 (SEM) 观察钢板纵向拉伸试样断口的分层面形貌。然后垂直于分层面沿拉伸方向剖开, 在裂纹附近颈缩区和原始钢板处取方形样, 经研磨、抛光后进行 X 射线衍射
10、 (XRD) 分析, 利用取向分布函数 (orientation distribution function, ODF) 10对钢板在拉伸塑性形变过程中的织构演变进行表征;此外, 以相同方式取样, 通过电子背散射衍射 (EBSD) 分析形变组织晶界的变化情况。2 试验结果与分析2.1 拉伸试验结果不同厚度试验钢板的组织主要是板条贝氏体及一些弥散的马氏体奥氏体组元 (M/A) , 组织均匀细密, 无明显偏析, 如图 1 所示。图 1 (a) 30 mm 和 (b) 50 mm 厚钢板的显微组织 Fig.1 Microstructures of (a) 30 mm and (b) 50 mm th
11、ick steel plates 下载原图取不同厚度的钢板进行拉伸试验, 观察到试样在出现颈缩时并未发生分层, 颈缩到一定程度后, 测量试样的伸长率, 30 mm 厚钢板经拉伸后, 伸长率为 15%, 未出现分层, 如图 2 (a) 所示;50mm 厚钢板经拉伸后, 伸长率为 14%, 未出现分层现象, 如图 2 (b) 所示。取试样的严重颈缩段, 平行于厚度方向沿中间剖开, 图 3 为全厚度板拉伸颈缩段的纵剖面图像, 未发现裂纹。图 2 发生颈缩的 (a) 30 mm 和 (b) 50 mm 厚钢板拉伸试样 Fig.2 (a) 30 mm and (b) 50 mm thick steel
12、tensile specimens with necked zone 下载原图图 3 (a) 30 mm 和 (b) 50 mm 厚钢板拉伸试样颈缩段纵剖面图像 Fig.3 Lateral section of necked zone in (a) 30 mm and (b) 50 mm thick steel tensile specimens 下载原图对拉伸试样继续加载, 发现试样在断裂前瞬间发生分层, 分层后试样随即断为两半。在横向和纵向取样的拉伸试验中均发生了断口分层现象, 分层面贯穿试样, 在接近厚度中心处, 且平行于轧面, 裂纹在颈缩区边缘停止, 如图 4 所示。对分层断口侧剖面进
13、行微观结构分析, 组织均匀, 未发现明显偏析, 如图 5 所示。全厚度板拉伸试验结果表明, 30 mm 厚钢板屈服强度最小值为 742.55 MPa, 抗拉强度最小值为 788.32 MPa, 断后伸长率最低值为 20.06%;50 mm 厚钢板屈服强度最小值为 687.42MPa, 抗拉强度最小值为 746.66 MPa, 断后伸长率最低值为 15.18%, 具有较好的强度和塑性, 如表 2 所示。图 4 发生断口分层的 (a) 30 mm 和 (b) 50 mm 厚钢板拉伸试样 Fig.4 (a) 30 mm and (b) 50 mm thick steel plates with la
14、minated fracture 下载原图图 5 (a) 30 mm 和 (b) 50 mm 厚钢板的分层断口侧剖面显微组织 Fig.5 Lateral section microstructures of laminated fracture of (a) 30 mm and (b) 50 mm thick steel plates 下载原图2.2 拉伸断裂机制分析通过 XRD 对钢板拉伸前后的织构特征进行分析, 图 6 为 2=45特征截面的ODF 图, 主要织构类型为111织构。图 7 为织构 取向线图 ( 1=0, 2=45, =090) , 拉伸前的取向密度最大值为 8.33, 拉伸
15、后的取向密度最大值为 13.01。说明颈缩区111织构特征被强化, 即/拉伸方向的织构变强了, 这是典型的拉伸前后织构的演变趋势。虽然111/轧面型织构被认为是有利于材料各向同性的, 但是/拉伸方向的拉伸织构会造成沿拉伸方向的韧化和垂直拉伸方向的脆化11。表 2 F620 钢板拉伸试验结果 Table 2 Tensile Properties of F620 steel plates 下载原表 图 6 拉伸形变 (a) 前、 (b) 后的织构演变 (板厚 50 mm, 2=45) Fig.6 Textures of steel plate (a) before and (b) after te
16、nsile test (50 mm thick plate, 2=45) 下载原图图 7 拉伸形变前后织构 取向线 (板厚 50 mm, f (g) -取向密度, -欧拉角 (1、2、) 中的一个参数) Fig.7fiber texture of steel plate before and after tensile test (50 mm thick plate, f (g) -orientation density, -one parameter in the Euler angle (1, 2, ) ) 下载原图取拉伸试样断口分层面进行 SEM 分析, 如图 8 所示。分层面形貌为“河
17、流状花样”, 即低塑性解理断裂。断口分层面凹凸程度较小, 有类似晶粒形状的凹凸面。“河流”的流向平行于拉伸方向, 与裂纹扩展方向一致, 即裂纹的扩展方向呈现出平行于拉伸方向的走势, 这种断裂条纹走向与通常的解理断裂条纹不同, 这种现象产生可能与拉伸过程中贝氏体板条转动形成的特殊结构有关12。此外, 在拉伸断口分层面上未发现异常的夹杂物及其他缺陷存在。图 8 全厚度板拉伸试验分层面 SEM 图像 (板厚 50 mm) Fig.8 SEM image of the laminated surface (50 mm thick plate) 下载原图裂纹附近颈缩区和原始钢板的 EBSD 图像如图 9
18、 所示, 经拉伸变形后, 晶粒被拉长, 发生了严重的塑性形变, 平行于拉伸方向排列。在垂直于拉伸方向上晶粒密度变大。裂纹的扩展路径更倾向于选择平行于高密度晶界界面的平面, 即平行于轧面的平面9。钢板经拉伸变形后, 贝氏体组织中大角度晶界 (15) 数量减少, 拉伸前为 28.2%, 拉伸后为 19.7%, 如图 10 直方图所示。由于大角度晶界对裂纹的扩展有阻碍作用, 因此大角度晶界的减少, 降低了晶界对裂纹扩展的阻碍作用, 使得裂纹更易发生扩展。为了进一步研究这种低塑性解理断裂是否由钢板自身在厚度方向上存在性能差异造成的, 对钢板进行了全厚度 Z 向圆棒拉伸试验, 断口形貌如图 11 所示。
19、断面收缩率达到 70%以上, 拉伸试样断口为正常的杯锥形塑性断口, 在厚度方向上显示出了较好的塑性。图 9 拉伸变形 (a) 前、 (b) 后的 EBSD 图像 (板厚 50 mm) Fig.9 EBSD images of steel plate (a) before and (b) after tensile test (50 mm thick plate) 下载原图图 1 0 拉伸变形 (a) 前、 (b) 后晶界变化 (板厚 50 mm) Fig.10 Grain boundary distribution of steel plate (a) before and (b) after
20、 tensile test (50 mm thick plate) 下载原图图 1 1 Z 向短棒拉伸试验断口形貌 Fig.11 Fractographs of short bar tensile specimens along Z directions 下载原图本文所研究的 TMCP 型 F620 船板钢在横向和纵向拉伸试验中均发生了断口分层, 从试验结果看, 贝氏体钢拉伸分层确实为其特征之一。拉伸断口分层是一种脆性开裂, 材料承受了较大的塑性形变时, 织构取向密度、晶界分布状态生了变化。但通过 Z 向短棒拉伸试验证明厚度方向具有良好的塑性性能, 且分层面及裂纹处无明显缺陷。并且在进行横向、
21、纵向拉伸试验时, 伸长率达 15%时并未出现分层现象, 当颈缩发展到一定程度, 拉伸断口分层发生在拉伸断裂前极短的时间内, 即断口分层对钢板常规力学性能指标几乎没有影响。3 结论(1) 拉伸断口分层是 TMCP 贝氏体钢板特有的特征, 并非性能降低所致。TMCP型 F620 船板钢伸长达 15%时未出现分层断裂。但随着颈缩的发展, 在断裂前瞬间发生分层, 分层面平行于轧面。分层面及裂纹处, 未发现明显偏析及异常夹杂物等有害缺陷。(2) 拉伸断口分层是一种脆性开裂。颈缩处严重的塑性形变, 使得/拉伸方向的织构被加强, 造成沿拉伸方向的韧化和垂直拉伸方向的脆化。同时, 拉伸形变使得贝氏体组织晶界分
22、布状态生了转变, 降低了晶界对裂纹扩展的阻碍作用。(3) Z 向短棒拉伸试验证明厚度方向具有良好的塑性, 断面收缩率达到 70%以上, 拉伸试样断口为正常的杯锥形塑性断口。参考文献1刘东升, 李庆亮.热轧屈服强度 550 MPa 高强度钢板的组织性能J.钢铁, 2011, 46 (4) :53-58. 2高秀华, 邱春林, 杜林秀.轧制工艺对 EH36 船板钢显微组织和力学性能的影响J.机械工程材料, 2010, 34 (5) :5-7. 3LIU D S, CHENG B G, LUO M.F460 heavy steel plates for offshore structure and
23、shipbuilding produced by thermome-chanical control processJ.ISIJ International, 2011, 51 (4) :603-611. 4黄维, 张志勤, 高真凤.石油及 LNG 储罐用钢现状及最新研究进展J.上海金属, 2016, 38 (2) :74-78. 5杨建勋, 杜显彬, 李广艳, 等.800 MPa 级低碳贝氏体高强钢板拉伸断口分层机理J.金属热处理, 2012, 37 (9) :40-44. 6杨云清, 雷辉, 高擎, 等.高强钢板拉伸断口分层缺陷成因探讨J.宽厚板, 2013, 19 (1) :5-10.
24、7陈丙张, 朱伏先.A36 船板用钢拉伸式样断口分层的原因分析J.轧钢, 2010, 27 (5) :4-7. 8田庆荣, 刘莹, 王雅英.Q345 钢板拉伸断口分层原因分析J.天津冶金, 2009 (4) :33-35. 9李秀程, 谢振家, 王学林, 等.高强度低碳贝氏体钢拉伸断口分离现象及机理研究J.金属学报, 2013, 49 (2) :167-174. 10毛为民, 杨平, 陈冷.材料织构分析原理与测试技术M.北京:冶金工业出版社, 2008. 11KIMURA Y, INOUE T, YIN F, et al.Inverse temperature dependence of toughness in an ultrafine grain-structure steelJ.Science, 2008, 320 (5879) :1057-1060. 12杨善武, 尚成嘉, 王学敏, 等.低碳微合金钢微细板条状组织在单向拉伸中的反常转动J.金属学报, 2003, 39 (6) :579-584.
