（材料加工工程专业论文）中厚板裂纹研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 中厚板裂纹是中厚板生产中常见的质量问题，在中厚板缺陷中占据了大部分比例，严 重地影响了中厚板的成材率和钢板的质量。 本文在大量参考相关文献的基础上，根据作者在武钢技术部门的工作经验和武钢多年 来在中厚板裂纹缺陷方面攻关的成果，对中厚板裂纹问题进行了探讨。裂纹的形成与发展 是钢材自身的组织结构与所受应力相互作用的结果，因此，文章首先从连铸板坯凝固过程 中内裂纹的形成、连铸坯的高温脆化行为、金属的组织状态和裂纹形成过程的力学行为这 四个方面分析了裂纹产生的机理。本文根据裂纹的表现特征和产生的原理将中厚板裂纹分 为纵裂纹、横裂纹、星状裂纹、边都直裂纹、皴裂、龟裂、发裂和内部裂纹八种类型，并 初步探讨了其产生的原因。鉴于纵裂纹、横裂纹、星状裂纹、边部直裂纹和内部裂纹问题 在裂纹缺陷中占绝大部分的比例，而且对钢板的使用性能影响大，因此文章中重点分析了 这五种裂纹。 本文的实验部分由三个实验组成。首先通过q 3 4 5 c - h q 、q 3 4 5 c 和4 5 # 钢的高温脆化实 验探讨了钢的高温脆化行为，再通过武钢的现场实验探讨了边部直裂纹( 或折叠) 问题， 最后对裂纹进行了金相研究，从而得出本课题的结论。 关键词：中厚板裂纹高温脆性力学行为 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec r a c k so fp l a t e sa r et h ef a m i l i a rq u a l i t yd e f e c t s t h e yh o l dam a j o r i t yo fp r o p o r t i o no f t h ed e f e c t sa n dr e d u c et h er e c e i v e sr a t ea n da f f e c tt h eq u a l i t yo ft h ep l a t e s h a v e nw i d e l yr e f e r r e dr e l a t i v el i t e r a t u r e ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h eq u e s t i o n so fc r a c k so fp l a t e s a c c o r d i n gt oh i sw o r k i n ge x p e r i e n c ei nw i s c ot e c h n o l o g yd e p a r t m e n ta n dw i s c o ss t u d y f i u i t s t h ef o r m i n ga n dd e v e l o p m e n to fc r a c k sa r et h em u t u a lr e s u l t so fm a t e r i a l si n n e r m i c r o s t r u e t u r ea n dl o a d e ds t r e s s t h e r e f o r e ，t h ef o r m i n gm e c h a n i s m so fc r a c k sa r ea n a l y z e d f i r s t l yf r o mf o u ra s p e c t si n t h i st h e s i s t h e ya r et h ef o r m i n go fi n n e rc r a c kd u r i n g t h e s o l i d i f i c a t i o no fs l a b , h i g h - t e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s so fs l a b ，m e t a lo r g a n i z a t i o nc o n d i t i o na n d m e c h a n i c a lb e h a v i o rd u r i n gt h ef o r m i n go fc r a c k a c c o r d i n gt ot h ea p p e a r a n c ea n df o r m i n g m e c h a n i s m ，t h ec r a c k sa r ec l a s s i f i e di n t ol o n g i t u d i n a lc r a c k , l t a n s v e r s c c r a c k , s t a rc r a c k , m a r g i n a li o n # t o d i n a lc r a c k , c h a p , t u r t l ec r a c k , h a i rc r a c ka n di n n e rc r a c k a n dt h ef o r m i n g r e a s o n so fc r a c k sa r ed i s c u s s e dp r i m a r i l yi n t h i st h e s i s i nv i e wo fl o n g i t u d i n a lc r a c k , t r a n s v e r s e c r a c k , s t a rc r a c k ，m a r g i n a ll o n g i t u d i n a lc r a c ka n di n n e rc r a c ka t et h em a i nt y p e so fc r a c k sa n d t h e ya f f e c tt h eu s i n gc a p a b i l i t yo fp l a t e ss e r i o u s l y , t h ef i v et y p e so fc r a c k sa r ea n a l y z e d e m p h a t i c a l l yi nt h i st h e s i s t h ep a r to fe x p e r i m e n ti n t h i st h e s i sc o n s i s t so ft h r e ep a r t i a l e x p e r i m e n t s f i r s t l y , h i g h - t e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s so fs t e e lh a sb e e ns t u d i e dt h r o u g ht h eh i g h - t e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s s e x p e r i m e n t so fs t e e lq 3 4 5 c - h q , s t e e lq 3 4 5 ca n ds t e e l4 5 批t h e nt h eq u e s t i o no fm a r g i n a i l o n g i t u d i n a lc r a c k ( o ro v e r l a p ) h a sb e e na n a l y z e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n td o n ei nw i s c o f i n a l l y , m e t a l l o g r a p h i cs t i i d yi sd o n ef o rt h ec r a c k a n dt h e nt h ec o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sh a v e b e e nd r a w n k e y w o r d s ：p l a t e c r a c k h i g h - t e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s s m e c h a n i c a lb e h a v i o r 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 前言 为保证中国经济持续稳定发展，2 0 0 4 年以来，我国政府采取了一系列宏观调控政策， 在这一大背景下，中厚钢板的需求量保持稳步旺盛增长。世界钢铁工业发展历程表明，中 厚钢板生产水平是一个国家钢铁工业水平的重要标志。中厚板品种多、用途广，是船舰、 桥梁、锅炉、容器、石油化工、工程机械等方面的重要材料。 根据船舶工业发展规划，我国新船建造完工量2 0 0 5 首次突破1 0 0 0 万载重吨，造船业钢 材消费总量超过3 8 0 万吨，其中板材所占比例在8 5 以上；2 0 1 0 年钢材消费量将达到5 1 0 万 吨，其中板材4 3 3 万吨。从国际市场来看，全球三个最大的造船国韩国、日本、中国全部 集中在东北亚地区，船板需求空间巨大，供货偏紧，船用中厚板有长期需求。 能源建设也是消耗中厚板的大户，目前我国锅炉、压力容器制造企业主要分布在长江 沿岸和东部沿海地区，锅炉用钢板的需求已经超过了1 0 0 万吨。 随着我国石油天然气长输管线建设项目的增加，预计今后1 0 1 5 年，我国共需各类 石油天然气输送干线用钢管将超过1 0 0 0 万吨，到2 0 1 0 年，平均每年需要管线钢3 6 0 3 7 0 万 吨。 工程机械用钢板主要供给机械、煤炭、运输、矿山等工业部门，目前全国机械工业用 钢量已经超过了3 5 0 0 万吨，其中中厚板占4 0 。 总的说来，中厚板市场需求空间巨大，需求量持续走高，但也应该看到国内中厚板供 应还是存在着结构性不足，专用板比例只有2 0 3 0 ，这与国外4 0 7 0 的比例有一 定差距。这一状况不仅因为我国在中厚板的品种开发力度有差距，而且与专用钢生产中因 为缺陷而导致成材率相对较低，导致成本增加，生产合同不能及时兑现等因素有关。尤其 是裂纹、折叠缺陷，严重影响专用钢板的大量生产。 第2 页 武汉科技大学硕士学位论文 第一章课题目的意义 钢板缺陷中裂纹所占的比例大，尤其是纵裂、横裂、星状裂纹、边部直裂和内部裂纹。 裂纹缺陷不仅在宝钢、鞍钢、武钢、首钢、重钢、济钢、本钢等国内各大中厚板厂普遍存 在，像德国蒂森、澳大利亚的澳钢联、日本的新日铁、韩国的浦项钢铁等国外具有世界先 进水平的钢板厂同样存在着钢板裂纹影响中厚板稳定生产的问题。 多年以来，国内外高等院校和科研机构一直在对中厚板裂纹进行研究，取得了很多骄 人的成果，但是中厚板裂纹种类很多，形成机理复杂，影响因素众多。同时，边部直裂纹 往往同边部折叠联系在一起，有的边部折叠造成边部“沟痕”，边部直裂纹是边部折叠的 表观体现，从其形成原因和组织特征来分析才能将一些表观的边部直裂纹定性为边部折 叠。因此中厚板裂纹类问题至今依然困扰着中厚板生产。国内外对中厚板裂纹的研究虽然 借助的理论和采用的模型不尽相同，但大体途径是类似的，那就是借助裂纹产生与发展的 机理，沿着钢水的冶炼、铸坯的浇铸、铸坯的冷却、铸坯的矫直、铸坯的装炉、铸坯的加 热、钢板的轧制和钢板的冷却这一路线查找中厚板裂纹产生的原因，并寻求解决的途径。 从裂纹产生的微观机理上来看，裂纹可能是微孔聚合性的韧性裂纹、解理裂纹( 穿晶 裂纹) 、或是沿晶裂纹，解理断裂和沿晶断裂产生的裂纹都属于脆性裂纹。裂纹的性质和 机理取决于钢板的组织结构和所受的应力状态等因素。不管是哪一种性质造成的裂纹，最 终结果都是影响钢板的使用性能，可能导致钢板在使用中断裂。断裂是所有失效形式中最 危险的失效形式。建筑、机械、工程结构、压力容器等如果发生裂纹导致断裂会对社会造 成重大的心理冲击。由此看来，研究钢板裂纹产生机理和影响因素是中厚板生产应用中的 重要研究课题。研究裂纹的产生与发展是为了降低中厚板生产中裂纹缺陷产生的机率，保 证中厚板在生产中的合格率，提高中厚板的市场竞争力。 裂纹的形成与发展，是钢材自身的组织结构与所受应力相互作用的结果，因此，在分 析裂纹的发生机理部分分析了钢坯在凝固过程中内裂纹的形成、铸坯的高温脆化行为、裂 纹产生的金属组织状态和裂纹形成的力学行为。为了便于分析裂纹，本文在大量阅读了关 于中厚板裂纹研究的期刊文献的基础上，结合作者在武钢技术部门多年来的工作经验，总 结了武钢中厚板裂纹研究的生产实践和取得的成果，对中厚板常见裂纹作了分类，并配以 大量的缺陷图片加以说明。文章还专门对常见的严重影响钢板使用性能的纵裂纹、横裂纹、 星状裂纹、边部直裂纹和内部裂纹作了分类研究。此外，还以边部直裂纹作为专题进行工 厂试验。希望本文对解决中厚板生产过程中出现的一些裂纹缺陷问题有所指导，有利于中 厚板生产的生产。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 第二章裂纹产生的机理 2 1 凝固过程内裂纹的形成 2 1 1 连铸板坯内裂纹的分类及其产生位置 连铸板坯内裂纹主要分为3 类：三角区裂纹、中间裂纹、中心线裂纹。三角区裂纹主要 分布在板坯的三角区，裂纹方向垂直于板坯的窄面：中间裂纹是铸坯通过二冷区时产生的、 位于皮下2 0 r a m 左右、垂直于板坯宽面的裂纹，严重时可能延伸到断面中央附近：中心线裂 纹，也叫断面裂纹，是指在板坯厚度中心线上出现的裂纹从裂纹的延伸方向看，中间裂 纹为铸坯内部横向裂纹，三角区裂纹和中心线裂纹属铸坯纵向裂纹。连铸板坯内部裂纹形 态如图2 i 所示“1 。 13 图2 1 连铸坯内部裂纹形貌 l 三角区裂纹；2 一中间裂纹；3 一中心线裂纹 2 1 2 连铸板坯内裂纹的形成机理 根据有关文献及研究成果，结合生产实践，笔者认为内裂纹是铸坯在凝固过程中形成 的高温缺陷，它们的形成与铸机设备，铸机生产工艺参数及钢种成分等均有关系，是多种 因素综合作用的结果。内部裂纹发生在凝固前沿附近的凝固壳内，其产生一般都经过以下 三个阶段：首先是晶间拉伸应力作用到凝固界面上，当拉伸应力超过其临界应力时，造成 沿一次枝晶的晶界面开裂，最后是浓化钢水填充到这些开裂的缝隙中。具体而言，中间裂 纹和三角区裂纹的形成机理类似，都是在铸坯导向区由于支撑辊对正不良、坯壳鼓肚等引 起的坯壳变形所产生的应变力超过其临界应力而产生的，而中心线裂纹的产生还与板坯中 心偏析和中心疏松有一定关系。 内裂纹的产生主要决定于凝固面前沿所能承受的应力和应变。凝固前沿是否产生裂纹 的判据： 临界应力o - ：o 0 _ 产生裂纹 临界应变e - ：c 。产生裂纹 凝固前沿在凝固温度附近的应力值测定是很困难的，不同作者测定的值差别较大： c = o 2 o - - 3 4 3 n r m 2 c = o 卜0 3 0 - - 3 9 7 8 n r a m 2 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 c = o 2 - 0 3 9 6 o = 4 9 9 8 n r a m 2 一般认为，固液交界面所承受的应力为卜3 n m m 2 ，超过此值就会萌生裂纹。 凝固前沿产生裂纹除承受应力外，还应考虑变形量e 和变形速率。在变形速率一定的 条件下，e e _ 就产生裂纹。 通过扫描电镜观察裂纹表面，图2 2 ( a ) 为距板坯窄面约5 0 姗处裂纹表面的扫描电镜 照片。可见，裂纹表面上有大小不同的韧窝，基本上呈抛物线形状，是明显的塑性变形断 口，这表明拉应力使已经凝固的坯壳发生变形并导致开裂。图2 2 ( b ) 为距板坯窄面约7 0 m 处裂纹表面的扫描电镜照片。可见，裂纹表面的右半部分呈韧性开裂的形貌；而左半部开 裂面光滑，为液相自由凝固收缩形成的表面形貌。图2 2 ( c ) 为距板坯窄面约9 0 1 m 处裂纹 表面的扫描电镜照片。可见，断口表面已没有了大小不同的韧窝，取而代之的是高低不平 的凝固了的液膜，这表明该位置在裂纹开裂时仍处于液态，开裂后没有新的钢液补充。图 2 2 ( d ) 为距板坯窄面约l l o m m 处裂纹表面的扫描电镜照片。可见，裂纹表面存在大量的液 相凝固收缩形成的表面光滑的颗粒，表明该位置在裂纹产生时存在大量的钢液。图2 3 为 图2 2 ( d ) 的高倍扫描电镜照片。由图2 3 可见，裂纹表面存在许多粒径为0 5 3 o i tm 的 g n s 和( i i n ，f e ) s 夹杂物。距板坯窄面不同距离的各位置上裂纹表面硫、磷含量的变化情 况是，硫和磷含量均随着距板坯窄面距离的增加而提高。这是因为各位置板坯的凝固时间 不同，当靠近窄面的板坯凝固时，离窄面较远的位置还有大量的液相存在。 ( a ) 距离5 0m ：( b ) 距离7 0m ：( c ) 距离9 0 舢： ( d ) 距离1 1 0 姗 图2 2 距板坯窄面不同距离处裂纹表面的s e m 照片 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 图2 3 裂纹开裂面上的夹杂物 2 2 连铸坯高温脆化行为 铃木洋夫等的研究表明陆”，如以r a ( 断面收缩率) 1 3 0 0 ) 热塑性，增加连铸板坯表面纵裂和内裂的发生率。 氮钢中 n 易与 a 1 、 v 、 n b 和 t i 等元素形成氮化物在晶界析出而降低钢的热 塑性，促迸裂纹的发生。在晶界的析出物越细小，析出物体积百分比越高对钢种的热塑性 恶化越严重。a i n 、v n 、n b ( c n ) 和t i n 最容易的析出温度分别为8 1 5 、8 8 5 1 2 、9 5 0 和 接近固相线温度。析出温度越低析出物的颗粒越细小，对钢的塑性影响越大，因此钢中 h 1 、 v 、 n b 和 t i 均不同程度地降低钢的塑性。 2 3 3 氢脆 氢是有害元素，呈极不稳定的原子状态溶解在钢中，其溶解度随温度的降低而降低， 常在结构疏松区域、孔洞、品格错位和晶界处富集，生成氢分子、甲烷或其它的一些氢化 物，产生巨大的内压力，使钢材开裂，称为氢脆。氢脆属于延迟性破坏，在有拉应力作用 下，常需要经过一定孕育发展期才会发生。在破裂面上常可见到白点，称为氢白点。含碳 量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感 2 3 3 1 氢蚀 在高温高压下h 原子与钢中的固溶体或渗碳体发生下列反应“8 ： c ( f e ) + 4 h + c h 4 f e 3 c 一3 f e + c c + 2 h 2 - - , c h 4( 2 2 ) 所生成的甲烷在晶界处聚集达到一定浓度后，由于内压升高将会使钢发生沿晶裂纹， 从而使钢的塑性大幅度降低。每种牌号的钢材，发生氢蚀的温度和压力有一个组合关系。 当氢的分压低于某一临界值或者温度低于某一临界值时，氢蚀便不会产生，反之便有氢蚀 的危险。降低钢的含碳量以及加入c r 、m o 、t i 、v 等元素能改善钢的抗氢蚀能力。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 3 2 氢化物致脆 h 原子与基体金属化合生成氢化物，使材料的塑性、韧性降低，产生脆化。氢化物致 脆又分为两种情况：一种是当熔融金属冷凝时，由于固溶度的降低，h 原子自固溶体中析 出，并与基体金属化合生成氢化物。这种由于预先存在氢化物所引起的脆化属于第一类氢 脆。另一种情况是合金中原有含氢量较低，不足以形成氢化物，但是当受应力作用时，h 原子将向拉应力区或裂纹前沿聚集，一旦达到足够浓度，过饱和氢将从固溶体中析出并形 成氢化物，这种由于应力感生氢化物所引致的脆化，属于第二类氢脆。两种氢化物致脆的 过程不一样，但是本质相同。裂纹常沿氢化物与基体的界面发生，在断口上常可以发现氢 化物。若合金晶粒粗大，氢化物在晶界呈薄片状，极易产生较大的应力集中，危害很大。 若合金晶粒较细，氢化物呈块状不连续分布，其氢脆的倾向相对较小。 2 3 4 氧脆 多数合金与氧反应生成氧化膜，称之为外氧化。力学性能发生变化与氧化膜的性质( 例 如致密性) 、结构、氧化膜的内应力及与基体的结合强度有关，但多数情况下使材料力学 性能下降。氧溶解到合金相中并在合金内扩散，当氧的浓度超过其在合金的固溶度时，合 金中较活泼的元素与氧反应生成氧化物，这一过程叫内氧化。氧元素扩散到金属内部致脆 的主要机种观点为：氧降低了裂纹前沿原子键的结合能，这是目前流行的弱键理论；或因 吸附氧导致裂纹表面能下降；或因为氧促进位错运动以及生成氧化物等。氧原子沿晶界扩 散比晶内大得多，因此内氧化往往发生在晶界，使晶界结合减弱，合金强度下降，脆性增 加。相当多的合金在外氧化的同时伴随着内氧化“”。若有外加应力和残余张应力时，其影 响机制为： 在张应力的作用下，氧化膜和合金内平衡的缺陷浓度增大，主要是空位浓度增大， 通过氧化膜扩散的离子浓度增大 应力足够高时，金属应变速率很高，氧化膜不能充分随之变形而开裂，氧化速度加 快。 改变了氧化膜的显微结构，从而加快了离子传输速度和氧化速度。因为金属基体沿 张力方向伸长，氧化膜沿与张力垂直方向生长，导致显微结构发生变化。 外应力影响氧化膜内应力( 通常为压应力) 状态，影响了氧化膜的破裂行为。 外力对合金内元素的化学位有影响，从而改变了合金元素的选择性氧化。 氧脆与形变速率和温度有关。因为氧脆是氧与裂纹尖端和侧表面发生氧化反应引起 的，当应变速率高时，引起动态脆性的氧化反应来不及进行，于是发生韧断；当应变速率 较低时，因塑性应变引起的合金表面裸露的速度低于裸露表面再氧化的速度，此时仍发生 韧断。只有当氧化膜的破坏速度略大于修复速度时，使裂纹两端不能保持致密的氧化膜， 裂尖持续被氧化，从而产生动态脆化。 2 4 裂纹形成的力学行为 2 4 1 微孔形核、长大与聚合 实际金属中总存在夹杂物或第二相的粒予，它们是微孔成核的源，夹杂物一般是脆性 武v - 科4 t 大学硕士学位论文第9 页 的，在不大的应力作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔。第二相是起强化金属材料 的作用，又称为强化相，如钢中的弥散的碳化物。由于位错在强化相处塞积引起的应力集 中或在高应交条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌生微孔。在夹杂物或第二相的粒 子周围存在位错环。在没有外力作用时，位错环处于平衡状态，即一方面因镜像力的作用 而受到粒子的排斥，另一方面由受到位错塞积应力的作用而被推向粒子。在受到外力作用 时，平衡被破坏，位错环被推向第二相粒子。当一个又一个位错环被推向第二相粒子与基 体界面时，最后会是第二相粒子与基体界面脱离而形成微孔。微孔形成后，作用在后续位 错环上的排斥力降低，从而使这些位错可以被推向新形成的微孔而消失。于是微孔得以长 大。 微孔形成并逐渐长大后，微孔与微孔问的横截面积减小，使得材料所受的应力增大。 这将促进变形的进一步发展，加速微孔的长大，直至聚合。同时材料所受的应力大，促使 塑性变形进一步发展，金属材料因而强化。基体的形变强化指数越高，形变强化的作用越 大，则微孔长大的过程就越慢，材料的塑性、韧性就越好。当应变量达到断裂延性的9 5 时，微孔连接后形成大的中心孔腔，最后发生4 5 。剪切而形成裂口 2 4 2 沿晶裂纹、解理裂纹、解理台阶与位错反应模型 当晶界存在连续分布的脆性第二相、偏聚的有害杂质元素，或者环境介质的作用损害 了晶界时，晶界原子间的结合力降低，在应力的作用下会导致在原子结合力最弱的的部位 产生晶界的断裂。 解理裂纹在拉应力的作用下，原子间结合键沿一定的结晶学平面( 解理面) 断开，从 而形成裂纹。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。由于钢材是由位 相各异的晶粒组成的多晶体，存在位错、夹杂物和第二相粒子等缺陷，解理断裂就会沿一 族相互平行的晶面发生解理而引起，解理裂纹与螺旋位错交割后形成大量的解理台阶。 如图2 4 所示，在体心立方晶体中，在( 1 0 1 ) 和( 1 0 1 ) 面上的两个半位错- 【1 1 1 j 和 1 1 1 1 ， 在这两个滑移面的相交面( 0 0 1 ) 上相遇，合成一个全位错a 0 0 t 】。这是一个降低弹性能的过 程，可以自发进行。于是， 百【1 n 】+ 百 1 1 1 一a 0 0 1 1 ( 2 3 ) 新形成的位错好像在( o o i ) 解理面插入一个多余的半原子面，随着反应的进行，可以看 成有几个位错都楔入( 0 0 1 ) 面而形成一个大位错，进而萌生一个微裂纹( 见图中的阴影) 。 裂纹是否扩展就取决于不等式( 2 4 ) 是否满足 。：萼订 ( 2 4 ) 。21 矿4 ( 2 4 ) 式中，d 为晶粒尺寸；k y 为h a l l p c t c h 方程中的屈服常数。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 4 位错反应形成裂纹 2 4 3 裂纹尖端的应力场与裂纹的扩展 如图2 5 所示，线弹性断裂力学给出裂纹尖端附近任意点p ( r ，o ) 的各应力分量的解如 下： 4 。而。“i ( 1 8 血i8 缸丁) 灯一83 口 母- 石s i ( 1 + 咖i5 缸t ) 打 一 口3 8 嘶。瓦7 ”i “i “丁 ( 2 5 ) 图2 5 裂纹尖端附近的应力场 如果钢板很薄，裂纹尖端处于平面应力状态，如果钢板很厚，则裂纹尖端处于平面应变状 态。故有 o z = 0平面应力 ( 2 6 a ) o ：= r ( o oy ) 平面应变( 2 6 b ) 式中： r 钢材的弹性常数 由胡克定律得到裂纹尖端的各应变分量后可得沿y 方向位移分量v 表达式。在平面应 力状态下， r - 鲁j 誓血导【z 一( - + r ) 一z 刍 ( 2 7 a ) 在平面应边状态下， 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 r 一学j 詈咖要【2 - ( 1 - r ) c o sz 导1( 2 咖 因此，裂纹尖端任意点的应力和位移分量取决于该点的坐标，钢的弹性常数以及应力 强度因子( 参量硒) 。对裂纹尖端附近某一点的位置给定时，该点的各应力分量惟一地决 定于硒值，其值越大，该点各应力、位移分量值越高。应力强度因子是裂纹扩展的控制参 量。 k r = 仃册 ( 2 8 ) 裂纹尖端虚拟的弹性应力低于或等于钢材的有效断裂应力时，裂纹尖端保持着力学平 衡，裂纹不会扩展“”。当裂处所受的拉伸应力增加时，裂纹尖端钝化半径增大，当裂纹尖 端半径超过临界半径辟时裂纹尖端就会向前发展，导致裂纹的扩大。据此得到的断裂韧性 的表达式有n 力： k i c = 0 3 2 砸o ，日耻 ( 2 9 ) 式中： k 。广- 断裂韧性：e 一弹性模量：口断裂强度：曰断裂延性值： 辟裂纹 临界半径 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章裂纹分类研究与轧制工序对裂纹的影响分析 当前，钢铁冶金行业还没有对钢板的裂纹形成统一的分类标准，各钢厂和研究机构对 裂纹的表述不尽相同。但是各种裂纹的形成与发展与钢板生产的各环节有很强的关联性， 最终在钢板上表现出来的特征呈现一定的规律性。因此，根据裂纹的表观特征和其产生的 环节对裂纹进行分类研究可以帮助识别裂纹，认识其产生的原因与环节，对于裂纹问题的 解决很有指导意义。于是，本文将根据目前大多数钢厂和研究机构能够共同认可的钢板裂 纹特征对裂纹进行了分类。而且对于钢板生产中常见的严重影响钢板生产合格率和使用性 能的重点裂纹：纵裂纹、横裂纹、星状裂纹、边部直裂纹和内部裂纹进行重点分析研究。 3 1 裂纹的基本分类 ( 1 ) 纵裂纹 纵裂纹一般有两种形式：一种是成片状出现的沿轧制方向裂开的小裂口；一种是有一 定宽度的粗黑线状裂纹。纵裂纹主要出现在碳素结构钢钢板表面上，有时也少量出现在低 合金类钢板表面，板厚大于2 0 r a m 的钢板出现纵裂纹的机率比较大。纵裂多发生在钢板宽度 方向上的1 2 和1 4 处。纵裂纹破坏了钢板的横向连续性，对钢板危害性很大。见图3 1 所 示。 ( 别黄裂纹 裂纹的特征是：裂纹基本与钢板的轧制方向呈3 0 。9 0 。夹角，成不规则的条状或线 状等形态，分布的位置、数量、状态、大小各异，具有一定深度和长度，破坏钢板纵向连 续性。见图3 2 所示。 图3 1 钢板纵裂纹图3 2 钢板横裂纹 ( 3 ) 星裂 星状裂纹的特征是：在钢板表面分布着形状类似于簇状或不闭环多边形等形态较为复 杂、深浅不一、清晰可见的裂纹。由于这种裂纹大多呈现为多边形的星状，故通称为星型 裂纹。一般沿轧制方向呈带状分布，有的呈弥散分布，有的呈密集分布，裂纹内多含有硅 酸盐等夹杂物。通常低合金钢中比普碳钢发生星裂的机率高，一般钢板越厚，出现星裂的 机率就越高。见图3 3 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 ( 4 ) 边直裂 边部直裂纹的特征是：在钢板边部沿轧制方向呈连续分布的纵向裂纹，有的贯穿整个 钢板长度方向，有时在钢板下表面的两侧对称出现，在钢板的下表面出现的机率比上表面 高。如图3 4 所示。 图3 3 钢板星状裂纹图3 4 钢板边部直裂纹 ( 5 ) 皴裂 皴裂的特征是：在钢板表面呈现出数量较多、面积较大、较为短粗，长度不连续的横 向裂纹，类似于冬季人手背部冻伤裂口。见图3 5 所示。 皴裂的形成原因一般为：当钢坯的加热温度超过临界温度a c 3 时，钢的晶粒过分长 大，晶间结合力减弱，使钢坯的热塑性降低或者因钢坯表面存在细小的微裂纹在加热过程 中被氧化，轧制中在钢板表面和角部产生裂纹或裂缝。 ( 6 ) 龟裂 龟裂的特征是：钢板表面成龟背状( 网状) 裂纹，一般长度较短，多呈弧形、人字形， 方向各异，多产生在碳含量较高或合金含量较高、合金数量较多的钢板表面，在钢板垛放 期间有时会发生裂纹扩展，导致钢板判废。见图3 6 所示。 龟裂形成的原因一般说来有以下几方面：a 钢坯在较低温度进行火焰清理时，表面温 度骤然升高引起热应力或在清理后的冷却过程中产生组织应力，使钢坯表面轻微的炸裂； b 钢坯加热温度或加热速度控制不当，造成钢坯局部过热( 通常为钢坯的下加热面) ，过 热部分出现一定深度的脱碳层，降低了钢的塑性，在轧制中由于表面延伸产生龟裂。 图3 5 钢板皴状裂纹图3 6 中厚板表面龟裂缺陷 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 发裂 发裂的特征是：在钢板表面分布着形状不一、深度较浅的发状细纹，一般沿轧制方向 排列，有长有短，有的的分散，有的成簇分布，有时会布满钢板表面，有时沿钢板横向分 布。见图3 7 所示。 发裂形成的原因一般认为有以下几个方面：a 钢坯表面出现的许多微裂纹，在轧制中 暴露和扩展；b 某些钢种因加热速度和加热温度不当时钢坯表面出现热裂纹和少量脱碳导 致塑性降低，轧制中在钢板表面形成细小裂纹；c 钢坯本身存在的皮下气泡、皮下夹杂等， 在轧制中暴露而形成微小裂纹。 ( 8 ) 内裂纹 内裂纹的特征是：钢板横截面上，在厚度方向上表现出来的裂纹，有的使钢板呈明显 的分层现象。连铸坯侧面的内裂纹见图3 8 所示。 图3 7 钢板发状裂纹图3 8 连铸坯侧面内裂纹 3 2 常见重点裂纹分析 3 2 1 表面纵裂纹 以纵裂纹处的金相、显微组织组织，以及钢板裂纹面的夹杂物种类来看，其基体上一 般都有大量的氧化亚铁，周边均分布着高温氧化圆点，说明钢板纵裂纹由原铸坯表面裂纹 缺陷演变而来n 。 3 2 1 - 1 表面纵裂形成的机理 连铸坯纵裂的形成主要可以归结为钢自身高温力学性能和结晶器内复杂应力存在这 两个方面的原因。表面纵裂发生在平行于拉坯方向上，其位置主要在宽面中心附近和靠近 角部处。纵裂主要沿柱状晶一次晶间及奥氏体的晶界扩展。关于板坯裂纹的生成机理，多 年来的研究支持如下假说：在结晶器内产生的裂纹，在一定的温度区间内形成的。这个温 度区间的上限相当于枝晶轴线相互缠扭开始时的温度，其下限相当于高于枝晶之间无液相 存在时的实际固相线温度。在产生晶间断裂不久，来自附近的含有夹杂物的液态金属充填 进去，使它“愈合”，断裂而“愈合”的后果是裂纹内有氧化物和链状硫化物夹杂集聚， 在低倍组织上有偏析裂纹。裂纹与夹杂伴生这一点已经得到确认 坯壳在结晶器内主要受到五种力的作用：钢水静压力、反抗铸坯收缩所造成的应力、 坯壳内部温度梯度造成的热应力，坯壳向下运动与上下振动的结晶器壁间造成摩擦而产生 的应力和坯壳自身的重量而产生的应力。由于凝固收缩，坯壳与结晶器壁之闻产生空隙， 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 钢水静压力将坯壳挤f 句结晶器壁，然而板坯宽面两端被窄面所牵制，故只有长边宽面中部 才能够向结晶器壁凸进，由此而产生弯曲应力。在这五种复杂应力的作用下，纵裂在结晶 器内初生坯壳的变形抗力薄弱处极易形核 对纵裂底部的x 射线显微分析发现，裂纹表面有保护渣成分独有的元素存在“叮，这表 明纵裂形成于结晶器内。坯壳在结晶器内部处于第1 脆性区，由于5 一y 相变，造成铸坯 的不均匀凝固，坯壳的薄弱处在应力作用下，由于树枝晶间存在液相而使其能承受的强度 很低，纵裂开始形核。假如结晶器底部窄边锥度设定不合适，坯壳在钢水静压力作用下填 充多余的空隙，在宽边形成强的拉伸应力，皮下微裂纹扩展到表面，这时液态保护渣便会 流入纵裂纹内。坯壳出结晶器后。二冷段上部过强的冷却或对弧不良等则均会造成纵裂纹 的进一步扩展和延伸。 3 2 1 2 表面纵裂的影响因素 影响连铸板坯表面纵裂的因素一般可以划分为化学成分和工艺因素两个方面。 ( 1 ) 化学成分的影响 化学成分对连铸坯纵裂的影响是通过影响其高温力学性能来实现的，一般改善钢高温 力学性能( 特别是第1 脆性区性能) 的元素对防止纵裂都有有益作用，而恶化钢高温力学 性能的元素则促使板坯表面纵裂增加。， 碳碳含量对铸坯初生坯壳的影响表现在对钢的高温特性的影响方面。图3 9 为碳含 量对断面收缩率及奥氏体晶粒大小的影响。碳含量在包晶反应范围内，奥氏体晶粒粗大， 连铸坯塑性明显降低，产生表面裂纹的倾向也增大。图3 1 0 为c - - o 1 6 钢的导热系数和 比热随温度的变化伽，温度在7 0 0 c 9 0 0 c ，导热能力明显下降，比热明显上升，产生热 应力集中，使原有裂纹在二冷区扩展。 碳含量， 图3 9 碳含量对钢的高温特性的影响 1 强 詈 垂 鬣 1 氍 崧 时 t ，c 图3 1 0 温度对钢的物理性能的影响 硫硫对板坯表面纵裂有很大的影响，由于硫在钢中的宏观偏析，较大地降低了钢的 零塑性温度( z d t ) ，在碳含量不变的情况下，硫含量增加则板坯纵裂的可能性增加。同时， 硫含量增加，发生纵裂可能性最大的碳含量减少。随钢中硫含量的增加，塑性低谷宽度加 大，谷底变深。这是由于硫在晶界的偏析及( 妇，f e ) s 在奥氏体晶界析出所致，硫偏析降低 了比表面能，析出物与基体的结合力因硫的偏析而下降，促进了晶界滑移。晶界的应力集 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 中使得( m n ，f e ) s 与晶界间形成孔隙，导致更大的应力集中，扩展成为晶界裂纹，晶界微 孔的形成与长大过程也因硫的偏析而加速，最终导致微裂纹的形成。硫引起的晶界脆化与 钢的m n s 有很大关系：当钢中m n s o 7 时，钢水中的m n 会与粘土砖中的s i o ：发生化学反应，增加钢中夹 杂。应用含碳较高的铝质或镁质等耐火材料代替硅质耐火材料，可以有效地减少夹杂。 d 严格管理连铸操作过程钢水从中间包流到结晶器时如果换水口时间过长，钢液一方面 产生大量的二次氧化，另一方面拉速发生变化会使结晶器内的流场发生变化，导致结晶器 上面的渣子被卷入结晶器的中下部，这些渣子在结晶器振动过程中上浮，受钢液粘度的 影响。钢水的粘度越大，渣子上升速度就越慢，随钢液温度的下降，钢液粘度急剧增加， 靴*臻訾萋 第2 6 页武汉科技大学硕士学位论文 结晶器中下部的钢液已接近固相线温度，其浮升速度明显下降。结晶器液相穴中的夹杂物， 一部分随环流带到钢渣界面，一部分随冲击流股带入液相穴深处。计算指出，在静止条件 下，大于l m m 的渣粒上浮速度为1 0 0 2 0 0 c m s ，而流股向下流动速度为6 0 1 2 0 c m s ，可 见流股穿透区域夹杂物上浮是很困难的。所以在弧形连铸机铸坯内弧侧弯曲区的固液界面 及内弧表面下l o m m 左右处形成a 1 。0 3 夹杂物的聚集，大颗粒的夹杂在内弧侧i 4 1 5 厚 度区内形成聚集。 e 选择合适的保护渣 进入结晶器的钢液不可避免地带入非金属夹杂物，如果它们不能被熔渣吸收和溶解， 就可能出现两种情况嘲：一是它们进入熔渣将成为一种多相渣，破坏液渣层的均匀性；二 是这些聚集的夹杂物将会富集在钢渣接触面上。这两种情况均使流入结晶器和坯壳间的熔 渣变得不稳定，同时聚集的固相夹杂物还会卷入坯壳，产生皮下夹杂等缺陷。从热力学的 观点看，硅酸盐系熔渣是能吸收和熔解这些非金属夹杂物，但保护渣吸收夹杂物的速度受 到许多因素如熔渣粘度、钢渣界面性质和渣的化学组成等的影响。从保护渣吸收和溶解的 能力来看，低粘度、高碱度、低a l 籼和高c a f ：及n a 2 0 的渣是有利的。 3 2 4 边直裂的形成机理和影响因素 3 2 4 1 边直裂形成的机理 ( 1 ) s l $ 1 j 过程形成的边部直裂纹 中厚扳生产的毛边板一般均存在大小面之分，毛边板的侧边形状可分为“均匀双鼓”、 “非均匀双鼓”以及“单鼓”3 类共5 种情况，如图3 2 1 所示。实际生产中由于上下面的 不均匀变形，在横轧展宽的过程中使钢坯沿轧制方向的断面呈上大下小的梯形，因此纵轧 后的边部一般呈非均匀双鼓形。 图3 2 1 毛边中厚板边部基本形状 钢板的大小面源于轧制时边部的不均匀变形，且主要发生在轧件横轧展宽过程中。坯 料在横轧展宽时，轧件上面的延伸明显大于下面，经多道次展宽c l $ d ，轧件形成大小面双鼓 其中线处于轧件厚度的1 3 处，如图3 2 2 所示。轧制时坯料上下表面温度差也会影响轧件 上下面的变形程度。板坯在加热时