16MnDR复合板开裂原因浅析

供稿|李肖，邓建军，林明新，张海军，靳兴亚，赵晓辉 / LI Xiao, DENG Jian-jun, LIN Ming-xin, ZHANG Haijun, JIN Xing-ya, ZHAO Xiao-hui

内容导读

文章通过研究试样的低倍、高倍组织及能谱分析结果表明16MnDR复合板中存在较多硫化物、氮化物夹杂及未能轧合的显微疏松。基体板材存在放射网状细小裂纹，且基体板材内含有较多硫化物及大颗粒铌的碳氮化物夹杂；板材中心偏析加剧了裂纹的扩展大颗粒的铌的碳氮化物在板材受力变形中成为应力集中点造成板材加工开裂。优化造渣工艺提高钢液纯净度，最大程度降低钢液中硫、磷等元素含量，在连铸坯浇筑过程中采取保护性措施，避免钢液二次氧化，优化连铸工艺减少板材心部偏析，可以有效规避16MnDR复合板加工开裂。

爆炸复合板是通过瞬间的高温高压爆炸冲击波将不同性质的金属板焊接在一起，能够综合两种材质，更有效满足板材性能要求。由于爆炸复合板具有良好的设计性特点，目前已大量应用于石油、化工、冶金、机械、电子、电力、汽车、轻工、宇航、核工业、造船等行业[1]。对于爆炸复合板压力容器来说，由于爆炸复合板特殊的工艺特性使得复合板结合层中熔化后又凝固的结晶组织容易产生夹杂、空洞等缺陷，在荷载作用下易形成裂纹[2-3]。这些裂纹在外力作用下易产生应力集中导致裂纹开展，材料失效。某钢厂在生产16MnDR复合板时，发现基体板靠近复合界面一侧出现裂纹。本文切取裂纹附近处的复合板试样进行低倍、金相组织、成分、能谱等分析得出裂纹原因。

实验材料与方法

实验材料

复合板基体材料为16MnDR，实验材料从裂纹附近处切取43 mm×100 mm×100 mm的全厚度试样并去除热影响区。16MnDR化学成分如1表所示。

实验方法

对切取的43 mm×100 mm×100 mm试样进行低倍组织观察，从低倍试样中切取包含复合界面的全厚度金相试样，进行金相组织和能谱分析。低倍试样经机床精加工后酸洗，观察其偏析疏松情况；金相试样经过400#～1000#砂纸粗磨、细磨及机械抛光后，在腐蚀前采用Axiovert 200MAT显微镜观察夹杂物并判定等级；随后将其置于浓度为4%的硝酸酒精中腐蚀适当时间，观察并评判晶粒度及组织类型。使用QUANTA 400型扫描电镜及能谱，分析相关夹杂物成分。

表1 16MnDR化学成分分析(质量分数，%)

实验结果及分析

金相分析

◆ 低倍组织及夹杂物分析

16MnDR试样的低倍组织如图1所示，板厚接近中心处存在明显的中心偏析，表现为一条明显的暗线(距外弧20 mm处)。

经高倍显微镜观察沿板材厚度方向的夹杂物分布情况如图2所示，夹杂物主要沿复合界面9 mm至基体板材厚度的1/3之间分布，图2(a)、(b)主要为硫化物夹杂，其中硫化物细系3.0、氧化铝细系0.5、球类夹杂粗系2.5，细系2.0。图2(c)为铌的碳氮化物夹杂，氮化物一般具有规则的几何形状，在明视场中带有一定色彩。

◆ 显微组织观察

腐蚀后金相试样靠近中心处发现放射网状细小裂纹如图3所示，此种裂纹一般以晶间裂纹形式出现在板材中心部位。

通过高倍显微镜对试样的组织进行观察，如图4所示。图4(a)、(b)、(c)、(d)为复合界面、上表面、板厚1/4、板厚1/2处的显微组织图。由图4(b)可知晶粒度为9.5级，由图4(c)可知珠光体沿轧制反向呈条带状分布，由图4(d)可知组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，表面至中心晶粒形态相近且细小。

扫描电镜及能谱分析

通过扫描电镜及能谱对图3出现的放射网状细小裂纹进行观察分析，结果如图5和表2所示，裂纹处聚集着MnS、FeS夹杂导致在板材轧制中施以大压下量仍不能压合。

对裂纹处夹杂物进行能谱分析，结果如表2所示。

将高倍显微镜下观察到的多边形粉色块状物进行能谱分析，结果如图6和表3所示。经能谱及组织分析可知多边形粉色块状物为铌的碳氮化物。

原因及改进措施

通过金相显微镜、扫描电镜及能谱对16MnDR复合板裂纹处材料检测分析表明，钢板中硫化物夹杂较多且板材偏中心处存在放射网状细小裂纹[4]。裂纹产生原因是钢液凝固时，存在气体、金属夹杂物或者低熔点组元富集区，其晶界十分脆弱，凝固后期硫化锰夹杂物的收缩系数大于钢基体，因此在钢板冷却过程中在硫化锰夹杂物和钢基体之间就会产生微间隙，在板材加工过程中容易开裂[5]。通过提高钢液的纯净度，确保连铸浇注过程中保护浇注效果，尽量减少钢液吸氮，减少铌的碳氮化物生成，优化连铸工艺减少板材心部偏析，规避板材加工开裂问题[6]。

表2 裂纹处夹杂物成分(质量分数，%)

结束语

16MnDR复合板加工开裂原因主要有：①基体板材存在放射网状细小裂纹，且基体板材内含有较多硫化物及大颗粒铌的碳氮化物夹杂；②板材中心偏析加剧了裂纹的扩展大颗粒的铌的碳氮化物在板材受力变形中成为应力集中点造成板材加工开裂。优化造渣工艺提高钢液纯净度，最大程度降低钢液中硫、磷等元素含量，在连铸坯浇筑过程中采取保护性措施，避免钢液二次氧化，优化连铸工艺减少板材心部偏析，规避16MnDR复合板加工开裂。

表3 碳氮化物成分(质量分数，%)