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板坯开裂原因分析
董金刚(宝钢技术部) 虞敌卫(宝钢研究院)
摘
要：通过对开裂部位的成分分析、金相检测和能谱分析，找到了开裂的原因是残余纵裂纹、内裂和热应力等的共同作用，提出防止开裂的措施是避免纵裂纹的发生、严格板坯的质量管理。
关键词：开裂；纵裂纹；金相
1 前言
1999年1月18日，2050热轧两块板坯发生开裂，A板坯经2道次轧制后在R2辊道上呈扇形开裂，开裂位置距板坯尾部3m，裂口最大处180mm，裂口上、下表面贯穿，但未断裂。B板坯发生于板坯从辊道推入加热炉时，板坯沿横截面裂开为两部分，断裂位于距板坯头部2.1m处，另外在距断面1.3m处沿板坯横向出现一条长1.4m、宽5mm、深100mm的裂缝，裂缝尚未贯穿表面及两侧面。这两块板坯原均存在严重的纵裂纹，冷坯经烧枪约2h，清理深度达30mm。纵裂纹与横向开裂位置的示意图见图1(图中的粗实线为纵裂纹，虚线为开裂位置)。
图1 板坯纵裂与开裂位置的示意图
2 取样及试验方法
为调查板坯开裂的原因，在A板坯开裂弧度最大部位(即板坯宽度方向中央部位)取样(1#样)，在B板坯断裂处宽度中央部位取样(2#样)作成分分析、金相检验和能谱分析。
3 试验结果
3.1 化学成分
经直读光谱仪分析的化学成分见表1。
从成分可知，该钢为中碳钢且含Nb、Ti、V，为裂纹敏感性钢种。
3.2 断口宏观形态
1#样为粗结晶状沿晶断口，断裂起始于纵裂纹处，呈放射状扇形扩展，断面较平坦，其表面覆盖着一层高温氧化物，如图2(箭头所示为裂纹源)所示。在裂源位置的板坯表面，还留有肉眼可见的未清除干净的纵裂纹。在板坯厚度的中部，出现一条沿横向延伸，呈间断分布的细裂纹。
图2 A坯断口形态
图3 B坯断口形态
2#样为粗结晶状穿晶解理断口，断面齐平。在距板坯纵裂纹约70mm处，有条贯穿板坯厚度的纵裂纹，裂纹平直，无塑性变形痕迹，呈冷裂纹特征，断口在此处形成一个明显的台阶，见图3。
3.3 金相检验
1#样：观察断口裂源部位的横截面(与断口平行)，裂纹呈穿、沿晶扩展，裂纹内充满氧化铁，裂纹两侧严重脱碳，并出现沿晶氧化(图4)和弥散的二次氧化物颗粒。由能谱定性分析晶界氧化成分为O，Fe，Si，Mn及少量的Nb，V，Al元素。
图4 裂源处组织及沿晶氧化(50×)
图5 A坯板厚中部裂纹与沿晶氧化(50×)
在板坯中部的横向裂纹部位，沿厚度纵截面切取金相试样，裂纹呈穿晶断续延伸，裂纹内充满氧化铁，裂纹两侧轻度脱碳，并有较轻的沿晶氧化(图5)和弥散的二次氧化颗粒。能谱定性分析晶界氧化成分为O，Fe，Si，Mn，Nb，Nb元素含量明显高于裂源处。观察发现，此中部组织存在着一条沿横向分布呈链状贝氏体的窄带(图6)，并有Nb，Ti，V的氮化物呈长条链状沿晶界析出。
图6 A坯板厚中部组织(500×)
2#样：观察原板坯纵裂纹处的横截面(平行于断口)，在距表面约2mm范围内，其组织为马氏体+贝氏体，如图7。取板厚中部的金相试样，同样也有一窄带的粒状贝氏体组织，并有Nb，Ti，V的氮化物沿晶界析出，呈长条链状分布，图8。
图7 B坯纵裂纹处表层组织(500×)
图8 B坯中部组织及Nb，Ti，V的氮化物沿晶界
析出(500×)
3.4 断口显微形貌
1#样：裂源位于原板坯纵裂纹处的次表层，裂纹呈沿晶扩展，将板坯中部裂纹沿纵向打断，断口呈细结晶状。
2#样：在板坯断裂起始位置的断口台阶处沿纵向打断，断面呈粗结晶状脆性断裂。在断面上显示有受氢作用痕迹的较平坦的小区域，形貌呈爪状撕裂、沿晶开裂及平直二次裂纹的氢脆特征。
4 分析与讨论
1#样起裂于纵裂纹尖端的次表层，受热应力和内应力的作用，裂纹沿宽度、厚度方向呈沿晶扩展。根据裂源处的裂纹两侧严重脱碳，并存在沿晶氧化和大量的二次氧化颗粒，可判断该裂纹是在浇注过程中形成，手清未清除干净留下的裂纹。
中心裂纹处有大量Nb，Ti，V的氧化物析出，微细球状物的析出造成这类钢塑性明显降低，大量Nb，Ti，V的氧化物析出也促进了贝氏体的形成，加剧塑性的降低。
2#样上下表面有一层很薄的剪切层，说明断裂从中心开始向两侧面扩展，断裂面齐平，台阶平直而无塑性变形痕迹，表明板坯中存在严重的冷裂纹，裂纹贯穿上下表面，因此在送入加热炉的辊道上受振动及推钢时开裂面受剪切力而发生断裂。由宏观的冷裂纹特征和断裂面呈现氢作用痕迹的平坦区显微形貌，表面板坯的断裂与氢脆有关。金相检查，在烧枪区的坯表层，因冷速快而出现了对氢敏感的马氏体组织。由于受组织应力和热应力的作用，裂纹快速扩展而呈现沿晶脆性开裂特征。
在板厚的中部，存在一窄条沿横向分布的Nb，Ti，V的氮化物脆性相析出，因其固熔温度高，在加工和热处理过程中难以消除掉;脆性相呈长条链状沿晶界分布，对材料的性能有较大的影响。
5 结论
(1)A坯开裂是受到内裂、残留的纵裂纹、烧枪的热应力共同作用引起的，B坯的断裂是受到烧枪后的热应力、组织应力及氢的共同作用发生的。
(2)两块板坯都出现严重的纵裂纹，板坯断裂与纵裂板坯较长时间的烧枪清理密切相关，应采取措施防止和减少纵裂纹的发生。
(3)修正板坯缺陷管理基准，严格板坯的质量管理。
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