造船用鋼板拉伸斷口缺陷的研究

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1、造船用鋼板拉伸斷口缺陷的研究劉年富廖衛(wèi)團(tuán)溫志紅楊太陽(yáng)(技術(shù)研究中心)摘要：對(duì)公司生產(chǎn)的船板拉伸斷口出現(xiàn)分層、嚴(yán)重的中心偏析缺陷等現(xiàn)象，通過(guò)分析這些拉伸斷口的特征從而對(duì)它們進(jìn)行分類，分別闡述了形成異常拉伸斷口的原因和采取的預(yù)防措施，及拉伸斷口缺陷對(duì)船板的力學(xué)性能和使用壽命產(chǎn)生的影響。關(guān)鍵詞：船板；拉伸斷口；缺陷最近幾年國(guó)內(nèi)的造船業(yè)快速發(fā)展，對(duì)船用鋼板質(zhì)量也提出了更高的要求。受金融危機(jī)影響，2008年和2009年國(guó)內(nèi)的造船業(yè)整體形勢(shì)較為低迷，造船廠對(duì)船用鋼板的質(zhì)量提出了更為苛刻的要求，相應(yīng)的各國(guó)船級(jí)社對(duì)

2、船板的拉伸試樣斷口也進(jìn)行了更嚴(yán)格的規(guī)定，要求拉伸試樣斷口不能出現(xiàn)諸如嚴(yán)重的偏析、分層等缺陷。2007年以來(lái)，驗(yàn)船師開(kāi)始對(duì)拉伸試樣斷口出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的偏析、分層等現(xiàn)象進(jìn)行了新的規(guī)定，要求將具有這些斷口缺陷的船板進(jìn)行復(fù)檢及改鋼種降級(jí)處理。一些異常拉伸斷口對(duì)應(yīng)的試樣的伸長(zhǎng)率也出現(xiàn)了不合格現(xiàn)象，這些都制約著船板的性能合格率、命中率以及交貨期，特別是對(duì)中板廠的影響尤為顯著，因斷口改判問(wèn)題導(dǎo)致船板出現(xiàn)了多次的補(bǔ)軋現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)很少文獻(xiàn)［1］［2］對(duì)船板的宏觀拉伸斷口進(jìn)行專門(mén)的研究，通過(guò)對(duì)日常生產(chǎn)中常見(jiàn)的船板異常

3、拉伸斷口進(jìn)行分析總結(jié)以闡述它們對(duì)船板質(zhì)量和使用情況的影響。1船板異常拉伸斷口分類根據(jù)目前船板常見(jiàn)的異常拉伸斷口的宏觀形貌進(jìn)行分類，主要分為偏析斷口和分層斷口及兩者共存的情況。分層斷口，亦即裂縫斷口，從拉伸斷口形貌來(lái)看，可見(jiàn)分布無(wú)規(guī)律的長(zhǎng)度不等的裂縫或是在中心處裂縫貫穿斷口，后者最常見(jiàn)，表現(xiàn)為從中心處將斷口分開(kāi)成兩層，裂縫的縫壁光滑，其顏色與基體不同。如圖1所示。偏析斷口，從拉伸斷口形貌來(lái)看，可見(jiàn)斷口上有肉眼可見(jiàn)的灰白的或淺白色的斷續(xù)的點(diǎn)狀，或連續(xù)分布的細(xì)條帶或塊狀缺陷，一般出現(xiàn)在斷口中心呈連續(xù)或斷續(xù)

4、分布，所以也稱為中心偏析斷口，如圖2所示。由于此類斷口多是因?yàn)榉墙饘賷A雜或夾渣的聚集引起的偏析，而導(dǎo)致了拉伸斷口的異常，因此亦稱為非金屬夾雜及夾渣斷口。分層斷口與偏析斷口經(jīng)常交叉出現(xiàn)，如圖3所示，中心偏析嚴(yán)重的斷口，在偏析的中心線上可見(jiàn)到一條裂縫，而且經(jīng)?？梢詮脑嚇拥膫?cè)邊看到試樣處在開(kāi)裂狀態(tài)，這種連接著整個(gè)試樣斷口的開(kāi)裂，也即是分層現(xiàn)象。2異常拉伸斷口產(chǎn)生的形成過(guò)程及其原因2.1異常拉伸斷口的形成過(guò)程在連鑄鋼水結(jié)晶凝固過(guò)程中，溶質(zhì)元素在固液相中進(jìn)行再分配時(shí)，表現(xiàn)為鑄坯中元素分布不均勻，鑄坯中心部位的

5、C、S、P等元素含量明顯高于其它部位，從而導(dǎo)致中心部位存在成分偏析或夾雜物偏析。連鑄坯在加熱爐加熱時(shí)，由于合金元素和其它雜質(zhì)元素的擴(kuò)散系數(shù)低，均勻化比較困難，并不能減輕或消除中心偏析。在靜載荷拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，異常拉伸斷口的形成過(guò)程可以歸結(jié)為顯著裂紋和空洞的形成，空洞的擴(kuò)大、聯(lián)合形成宏觀裂紋，最后宏觀裂紋向外擴(kuò)展達(dá)到破壞。這種因孔洞或微裂紋的作用而導(dǎo)致在斷口的中心位置出現(xiàn)宏觀裂紋而表現(xiàn)為分層開(kāi)裂斷口。存在夾雜物或夾渣偏析的區(qū)域，夾雜物及夾渣或者直接提供了微裂紋或空洞(夾雜物與基體互不聯(lián)結(jié))的形成，或者

6、由于應(yīng)力集中以及因線膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，促進(jìn)了微裂紋的形成，宏觀裂紋擴(kuò)張的過(guò)程就是宏觀裂紋連接各個(gè)顯微裂紋和空洞的過(guò)程。這種因中心偏析而導(dǎo)致宏觀裂紋出現(xiàn)的斷口即為中心偏析斷口。2.2異常拉伸斷口產(chǎn)生的原因一般對(duì)含硫偏高的鋼及含夾雜量高的鋼,中心偏析帶內(nèi)往往出現(xiàn)大量的硫化物或硅酸鹽聚集,這些高熔點(diǎn)非金屬夾雜物的變形程度與基體不一樣,在軋制過(guò)程中造成鋼的內(nèi)部裂紋，非金屬夾雜物隨金屬基體一起流動(dòng)變形，最后變成條狀或片狀?yuàn)A雜物，從而使鋼板形成嚴(yán)重分層，它經(jīng)常使斷口檢查不合格。含硫量低及含硅酸鹽少的鋼這種

7、現(xiàn)象一般比較少。大量的研究表明，層狀斷口形成的主要原因是鋼中夾雜物含量高、偏析嚴(yán)重及異常組織的產(chǎn)生；鋼坯柱狀晶過(guò)分發(fā)達(dá)，加之軋制壓下比不足，晶粒不易破碎，微孔洞和疏松不能充分軋合而形成的。研究也表明在層狀斷口區(qū)存在超長(zhǎng)的帶狀組織，其形貌為片層狀，帶狀組織上總能發(fā)現(xiàn)數(shù)量不少的夾雜物，而且在夾雜物旁邊往往伴隨著微裂紋的產(chǎn)生，在拉伸受力之后，就形成了層狀斷口形貌。偏析斷口形成的主要原因是連鑄坯中心偏析不能通過(guò)后續(xù)的加熱、軋制等工序消除，而在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，在拉伸試樣斷口表現(xiàn)出來(lái)的非金屬夾雜物或夾渣中心偏析

8、現(xiàn)象。嚴(yán)重的中心偏析問(wèn)題是由大量的非金屬夾雜物或夾渣聚集，同時(shí)導(dǎo)致在軋制過(guò)程夾雜物沿軋制方向成帶狀分布，帶狀級(jí)別較高，同時(shí)易于在夾雜物偏析帶狀組織上產(chǎn)生各種缺陷。3異常拉伸斷口的影響前期的試驗(yàn)研究分析表明［4］試樣伸長(zhǎng)率不合格的拉伸試樣斷口，普遍存在較嚴(yán)重的中心偏析或分層現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)伸長(zhǎng)率不合格的異常拉伸斷口的金相分析，可看到大量的夾雜物，夾雜物評(píng)級(jí)較高，對(duì)應(yīng)的帶狀組織評(píng)級(jí)也較高，大量的研究工作已經(jīng)表明非金屬夾雜物對(duì)鋼板的性能，特別是塑韌性造成不良的影響。另外在帶狀組