淺析棒材表面裂紋特點及產(chǎn)生原因教學教材

1、淺析棒材表面裂紋特點及產(chǎn)生原因引言：表面裂紋是熱軋棒材表面缺陷中最常見的一種,為清除這些缺陷,往往不得不花費大量的人力物力,有時還會嚴重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。二軋車間自09年元月投產(chǎn)以來，生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)常有表面裂紋的缺陷產(chǎn)生，8月中旬以后，表面裂紋尤其嚴重，不同鋼種，不同規(guī)格，熱送和冷裝均出現(xiàn)裂紋，沒有明顯的規(guī)律，因表面裂紋壓鋼1400余噸，給軋鋼精整工段的修磨工作帶來巨大的壓力。為此，軋鋼部專門成立攻關(guān)小組，會同煉鋼及質(zhì)量部，對裂紋的產(chǎn)生原因進行了分析，取得了一些成效，但由于種種原因，沒有達到預期的效果。結(jié)合對現(xiàn)場裂紋鋼材一些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,參考國內(nèi)相關(guān)專家的一些研究結(jié)果,提出了一些看法,

2、希望能對解決二軋熱軋棒材表面裂紋問題有所幫助。1、裂紋的常見種類及特點：1.1裂紋分類由于查不到棒材表面裂紋的準確分類，參照其他廠家的習慣，我們將表面裂紋分為以下幾類：直型裂紋:指裂紋總長60%以上基本呈直線且偏角小于30度的裂紋。曲型裂紋（不規(guī)則裂紋）:除直型裂紋以外的裂紋。長型裂紋：指裂紋長度大于等于300mm勺表面裂紋。短型裂紋：指裂紋長度小于300mmW表面裂紋。寬型裂紋：指裂紋最大寬度大于等于1mm勺表面裂紋。窄型裂紋：指裂紋最大寬度小于1mm勺表面裂紋。深型裂紋:指裂紋深度大于0.4表面裂紋。淺型裂紋:指裂紋深度小于0.4表面裂紋。密型裂紋:指在圓周角小于等于30度所對應的圓周面上

3、裂紋條數(shù)大于等于3條的裂紋。疏型裂紋:指在圓周角小于等于30度所對應的圓周面上裂紋條數(shù)小于3條的裂紋。由于二軋出現(xiàn)的裂紋對鋼種沒有特殊的針對性，為簡化分析，主要針對45#鋼進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析的批次其化學成分符合45#鋼的標準要求。1.2二軋車間裂紋的特點：我們對這些裂紋進行了仔細觀察，總結(jié)了這些裂紋的表觀特征：中間寬，兩頭細，呈凸透鏡狀，絕大多數(shù)裂紋長約1030mm中間寬約12mm這些裂紋有單獨出現(xiàn)的，大部分成簇狀出現(xiàn)的，另外一部分是直長型，有通根長的，也有中間間斷的出現(xiàn)，還有一部分就是密集不規(guī)則型。故在分析原因時我們分為以下幾類： 直長裂紋 直、短、寬型裂紋 密集不規(guī)則型裂紋 發(fā)紋2、形

4、成表面裂紋的原因：4.1 直長裂紋的形成原因與軋制方向相同，呈直線或鋸齒狀，較長，有的甚至與軋面等長，連續(xù)或斷續(xù)分布在軋材局部或全長，一般分布面不廣，宏觀為直長裂紋。金相高倍觀察時發(fā)現(xiàn)，周邊基體組織正常，部分裂紋處有脫碳現(xiàn)象，但脫碳層不深。裂紋槽底平直，裂紋源與裂紋末端形狀差別不大，裂紋中或裂紋源處往往含有氧化鐵（皮）夾雜。由此可見，細、直、長深型裂紋實質(zhì)上就是折疊。在排除坯料表面的嚴重劃傷的情況下，這種折疊現(xiàn)象是在軋制過程中由于出現(xiàn)耳子在翻轉(zhuǎn)軋制壓合形成的。對于直長裂紋的成因，國內(nèi)煉鋼、軋鋼專業(yè)的人員，已經(jīng)形成共識，除非煉鋼連鑄后的運輸過程中有嚴重的劃傷，直長型裂紋大部分是軋制裂紋,其中直長

5、深型裂紋實質(zhì)是折迭裂紋、直長淺型大部分為拉絲裂紋。曾經(jīng)在二軋車間發(fā)現(xiàn)的直長深的裂紋，經(jīng)最后的確認，是由于連鑄坯在連鑄后運送過程中劃傷的，這種情況其實是由于坯料檢查檢驗過程出了問題，是生產(chǎn)組織和管理的問題，是完全可能避免的，所以本文排除這種情況。4.2 直、短、寬型裂紋的致因這種裂紋呈短直線，與軋制方向同，兩頭尖，中間寬，分布無規(guī)律，分布面較廣，裂紋較深。在對直、短、寬型裂紋的金相觀察時發(fā)現(xiàn)，這類裂紋與表面垂直，裂紋處有呈黑色蜂窩狀氣孔通道，周圍基體有明顯的脫碳現(xiàn)象，周圍或尾部有氧化物夾雜的聚集。下面是二軋一年來收集的部分裂紋圖片:92006159200504920285392030619202

6、925920296492032109202275除9203210批外，其余裂紋大部分是屬于直短寬型裂紋，為找出這類裂紋產(chǎn)生的原因，我們?nèi)?，到石鋼做了高倍，裂紋深度分別為0.20、0.35、1.2mm,裂紋區(qū)域脫碳嚴重，裂紋內(nèi)有氧化鐵，裂紋附近存在大量高溫氧化物顆粒。100X100X100X100X100X100X從裂紋區(qū)域脫碳嚴重這一現(xiàn)象證明，裂紋在加熱前或加熱初期就已經(jīng)形成，在快速加熱的條件下，連鑄坯內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差而形成熱應力，同時因發(fā)生組織轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生較大的組織應力，快速加熱使連鑄坯表面產(chǎn)生拉應力，當夾雜物在連鑄坯表面或近表面，連鑄坯表面拉應力使連鑄坯在夾雜物或含有夾雜物的偏析帶處產(chǎn)生

7、微裂紋，并且在此處產(chǎn)生應力集中，在隨后的較大的軋制應力的作用下，使已形成的微裂紋得以連接并擴展，導致圓鋼表面產(chǎn)生縱向裂紋。由此看來，高溫裝爐或快速加熱是形成縱向裂紋的誘因，軋制時變形應力促進了裂紋的擴展，連鑄坯上存在的偏析帶及夾雜物才是裂紋產(chǎn)生的根本原因。為驗證這一推斷，我們收集了這類裂紋的批號的資料:表1出現(xiàn)裂紋批號及其前后爐的數(shù)據(jù)日期爐號爐數(shù)情況鋼號開澆時間規(guī)格(mm2)軋材規(guī)格（mm）壓縮比2009-02-229B1384Q235B09:25:00300*3002009-02-229A1512(9200504)中包第1爐45#13:21:00300*300小1207.962009-02-

8、229A151345#13:51:00300*3002009-02-289A171045#20:40:00300*3002009-03-029A1762(9200615)中包第1爐45#16:51:00300*300小1207.962009-03-029A176445#17:27:00300*3002009-07-019B443145#13:46:00350*4502009-07-019B4432(9201660)中包最后1爐45#14:24:00350*450小1706.942009-07-019B443345#18:37:00350*4502009-08-159A667945#06:20:

9、00350*4502009-08-159A6680(9202761)中包最后1爐45#06:55:00350*450小1905.562009-08-159A668140Cr07:49:00350*4502009-08-259A7053A10521:20:00300*3002009-08-259A7054(9202853)中包第1爐40Cr22:17:00300*300。1109.482009-08-259B643540Cr22:50:00300*3002009-09-039B671740Cr06:19:00300*3002009-09-039B6718(9203061)中包第1爐20#07:0

10、8:00300*300小10510.402009-09-039B672020#08:24:00300*3002009-08-289B652145#03:04:00300*3002009-08-289B6522(9202925)中包第16爐（共23爐）45#03:41:00300*300小1703.972009-08-289B652345#04:19:00300*3002009-08-059B567240Cr00:03:00300*3002009-08-059B5681(9202964)中包第1爐45#06:55:00300*300。1109.482009-08-059B568345#07:32

11、:00300*3002009-09-129B702445#21:48:00350*4502009-09-129A7553(9203210)中包的第4爐45#22:26:00350*450小1607.842009-09-129A755445#23:02:00350*4502009-07-319A608045#23:38:00300*3002009-08-019A6119(9202275)中包的第1爐45#00:50:00300*300小10510.402009-08-019B5527I45#01:24:00300*300注：上表中黃底為出現(xiàn)裂紋的批次，青色為其相鄰爐號。將上表中不同批號在中包爐次

12、占總爐次的百分比繪制如下圖。從圖中看出，在共出現(xiàn)的10爐裂紋爐次中，第一爐有6爐，占總爐次的60%最后一爐2爐，占總爐次的20%其他占20%所以認為因為中包第一爐鋼水不潔凈是導致上述裂紋的主要原因。4.3 密集不規(guī)則型裂紋的產(chǎn)生原因：對密集不規(guī)則型裂紋的分析結(jié)果表明此種裂紋截面上的形貌極不規(guī)則。它們有的形態(tài)為折疊，但是裂紋處或末端折入的并非氧化鐵皮，而是非金屬夾雜，并有因此而形成的鐵素體帶，裂紋處或附近常伴有大塊夾雜物，對密集不規(guī)則型裂紋的分析結(jié)果表明此種裂紋橫截面上的形貌極不規(guī)則。它們有的形態(tài)為折迭，但是裂紋處或末端折入的并非氧化鐵皮，而是非金屬夾雜。裂紋處或附近常伴有大塊夾雜物。其形成機理

13、是多晶體金屬，在外力作用下產(chǎn)生變形時，主要以滑移方式進行變形，其重要物點是各晶粒填充形狀的相互制約性和相互協(xié)調(diào)性。若因某種原因使晶粒的充形不能相互協(xié)調(diào)或協(xié)調(diào)不好金屬的變形抗力就大，有時塑性也變差。晶界、晶粒取向、雜質(zhì)、第2相、晶粒的粗細等都影響晶粒充形的協(xié)調(diào)性。在多晶體中，當晶界的滑移面與作用力可能成45。時，這些晶粒成為軟取向的晶粒。滑移面不與作用力呈45。的稱為硬取向晶粒。在外力作用下軟取向的晶?？蓛?yōu)先產(chǎn)生滑移變形。多晶體中不僅晶粒與晶粒間的變形程度不同，而且每個晶粒內(nèi)部的變形也不相同。軟三角取向晶粒的變形在晶界外便受壓抑使用使變形減小，硬取向晶粒受牽掛使變形增加。兩者在晶界處變形必須保持

14、一致。這樣,在受壓的軟取向晶粒上受拉伸應力。與此對應,在壓縮內(nèi)力區(qū)產(chǎn)生壓應力,拉伸應力區(qū)產(chǎn)生拉應力。這些應力和原來由外力引起的應力合起來便會在某區(qū)域集中更大的應力,變形越不協(xié)調(diào)應力集中越大。尤其是金屬內(nèi)含有雜質(zhì)和第二相時,一方面雜質(zhì)和第二相可阻礙滑移的進行;另一方面雜質(zhì)偏聚的地方和硬的第二相會起到硬取向晶粒那樣的作用,引起應力集中。夾雜物和第二相常集中在鋼錠柱狀晶彼此相遇（方形、矩形斷面錠的等分角線外）以及柱狀晶和等軸晶的交界處,這些地方最薄弱。帶圓角的錠或圓錠柱狀晶垂直周邊排列,這時薄弱部位移到錠的中心部。由上述可知:由于軋材表面密集型裂紋處存在大塊狀夾雜物,故在晶界處產(chǎn)生微量元素和夾雜物的

15、偏聚，使得某些元素（如S、P）在晶界的含量應高于鋼中的平均含量。在高溫軋制變形過程中晶體的滑移在晶界與夾雜物界面處受阻而產(chǎn)生應力集中及因多滑移時,滑移受相互穿插,造成晶界脆化和晶界的初始熔化。晶界的熔化溫度低于晶內(nèi)的熔化溫度,且晶界強度低于晶內(nèi)強度,所以在晶界處首先出現(xiàn)顯微裂紋。這些顯微裂紋因處于應力集中的晶界,如果它處的區(qū)域為拉應力區(qū)（如:加熱產(chǎn)生的溫度應力為拉應力的區(qū)域）,則顯微裂紋就會不斷擴展,以致把無數(shù)小裂紋連接成宏觀的表面裂紋。這類裂紋由于晶界的多方向性及夾雜物分布的多方向性,使得晶界顯微裂紋方向不定,從而致使這類軋材表面裂紡的宏觀形貌無規(guī)律性。由此可見要降低該類表面裂紋,提高鋼液沌

16、潔度,降低夾雜物含量是有效手段之一。4.4 發(fā)紋的產(chǎn)生原因探討:發(fā)紋的形成原因主要有：鋼坯加熱時因溫度應力（陰、陽面溫差帶來）形成的發(fā)紋、軋材冷卻時溫度應力和組織應力所產(chǎn)生的發(fā)紋、鋼坯軋制時壓量和限制寬展所形成的發(fā)紋以及鋼坯氧化鐵皮所造成的發(fā)紋,軋輥軋槽老化產(chǎn)生的發(fā)紋。4.4.1 鋼在加熱過程中陰陽面溫差與發(fā)紋的關(guān)系鋼坯在加熱過程中（軋制前）產(chǎn)生的內(nèi)應力,根據(jù)其形成的原因不同,有溫度應力和組織應力。 1） 溫度應力:在鋼坯加熱過程中,當鋼坯溫度介于0至500550范圍時,鋼坯處于彈性狀態(tài),此時若鋼坯出現(xiàn)溫度梯度,則勢必產(chǎn)生溫度應力,如溫度應力超過強度極限,便會造成鋼坯破壞。當溫度升高到5005

17、50以上時,由于進入塑性狀態(tài),而變形抗力又較低,通過塑性變形,溫度應力也就消失。鋼坯在軋制加熱0至500550時,始終存在不同程度的陰陽面溫差,從而使得鋼坯在加熱時產(chǎn)生溫度應力。其陽面溫度高膨脹大,它的膨脹將受到陰面的約束,則引起的溫度應力壓應力（陽面）;而陰面溫度低,膨脹小,相反會受到陽面作用促做它膨脹,則產(chǎn)生的溫度應力為拉應力（陰面）,同理,鋼坯加熱時心部將產(chǎn)生拉就力。鋼坯加熱時陽面軸向、切向受壓應力作用,陰面軸向、切向受拉應力作用。故陰面易產(chǎn)生裂紋,且裂紋暴露在空氣中,裂口易氧化,在以后的加工中不能得以焊合而作為表面裂紋（發(fā)紋）保留在軋材上,這是造成軋材表面單側(cè)發(fā)紋的原因之一。 2） 2

18、）組織應力:在有相變的鋼在加工過程中,由于相變前后組織的比容發(fā)生變化以及鋼料的表層與心部不同時發(fā)生相變,這樣引起的內(nèi)應力為組織應力,總的規(guī)律是增大比容的轉(zhuǎn)變區(qū)受壓應力,減少比容的轉(zhuǎn)變區(qū)受拉應力。組織應力也是三項應力,但切向應力最大。在加熱過程中，組織應力由于在高溫狀態(tài)下，一般均可消除，故發(fā)紋主要是由于溫度應力引起的，且由于坯料越大，溫度梯度越大，由于溫度應力引起發(fā)紋的幾率就越高，適當選取坯料的斷面尺寸，是避免發(fā)紋的一個途徑，在實際生產(chǎn)過程中，考慮到部份發(fā)紋通過后部精整工序輕微清理可以消除,而嚴重的裂紋只有報廢,為追求經(jīng)濟效益,因此往往需在質(zhì)量和成本中尋找一個平衡點，二軋車間經(jīng)過一年的生產(chǎn)，大規(guī)

19、模的由于溫度應力引起的發(fā)紋還沒有出現(xiàn)，故認為選取的300*300和350*450坯料比較合理。4.4.2 軋材在冷卻過程中內(nèi)應力與發(fā)紋的關(guān)系由于軋材冷卻后期處于溫度較低的彈性狀態(tài)，因此冷卻內(nèi)應力危險性比加熱內(nèi)應力危險性大。（1） 溫度應力軋材在冷卻初期，表層冷卻快，體積收縮大；心部冷卻慢，體積收縮小，由于表層的收縮受到心部阻礙。表層產(chǎn)生拉應力，心部引起壓應力，這是可能產(chǎn)生表面裂紋，表面裂紋的特征是分布軋材的周身。隨著繼續(xù)冷卻到后期，表層溫度很低，體積收縮停止，而心部的收縮受到表層的制約，結(jié)果使溫度應力變?yōu)楸韺訅簯?，心部為拉應力，此時易產(chǎn)生內(nèi)裂。（2） 組織應力隨著溫度的降低，表層由比容小的奧

20、氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楸热荽蟮蔫F素體，所以表層受壓應力，而心部受拉應力，由于此時鋼料心部處于溫度較高，處于良好的塑性變形階段，可通過塑性變形使內(nèi)部拉應力得到緩解，故不易產(chǎn)生裂紋。隨著軋材繼續(xù)冷卻，心部也開始發(fā)生塑性轉(zhuǎn)變，這時的組織應力：心部是壓應力，表層是拉應力，應力不斷增大，直到相變結(jié)束。這是引起表面總縱向裂紋（與軋制方向相同）的重要原因。（3）殘余應力軋材在軋制成形過程中，將其消除，由于變形不均加工硬化所引起的內(nèi)應力，如未能及時得到再結(jié)晶軟化消除，軋后便成為殘余應力保留下來。應力造成的裂紋，一般情況都會有一定的長度，且不會出現(xiàn)明顯的張口，很細小。如下圖4.4.3 鋼坯加熱時表面氧化鐵皮與發(fā)紋的關(guān)系鋼坯

21、在加熱到高溫時，表層中的鐵和爐氣中的氧化性氣體（如O2CO2H2OSO2等）發(fā)生化學反應，結(jié)果使鋼坯表層變成氧化鐵皮（即氧化皮）。軋制時，由于第一、二道次（未翻鋼）鋼坯表面上的氧化鐵皮脫落后仍留在坯上表面而被壓入，第三道次翻鋼軋制后氧化鐵皮掉下造成表面凹坑或麻點，在成品道次被拉長面形成發(fā)紋，此情況下所產(chǎn)生的發(fā)紋應是分布于軋材的單側(cè)。類似的情況二軋已經(jīng)出現(xiàn)過，鋼材表面呈現(xiàn)密集的細微裂紋，很淺，經(jīng)過打磨可以消除。因此，二軋高壓水除鱗設(shè)備的完好是保證不出現(xiàn)發(fā)紋的首要條件。4.4.5 孔型設(shè)計和軋制規(guī)程不當，可能產(chǎn)生發(fā)紋：方坯在箱型孔型中軋制時，由于受到側(cè)壁一定量的限制寬展，軋件在上下被壓，向前延伸的

22、變形過程中，表面將收縮而產(chǎn)生皺紋，再經(jīng)以后各道次的變形成材，從而造成軋材表面有發(fā)紋，這種情形產(chǎn)生的發(fā)紋，在軋材上就是兩面對稱型發(fā)紋。非常有規(guī)律，如果壓下量越大，限制寬展的程度越大，則發(fā)紋越嚴重。這種情況如果不是溫度有很大的波動而造成寬展的波動，不會偶然出現(xiàn)，而是大批量的，其位置也比較有規(guī)律。有的廠采用bk=(1.011.06)B，即來料寬度小于槽底寬，這樣可保證不因為限制寬展出現(xiàn)裂紋，還可減少孔型的磨損，但這樣容易引起軋件的傾斜和扭轉(zhuǎn)，為保證軋件在孔型中的穩(wěn)定，故多數(shù)廠家均選擇bk=B-(06)mm二軋車間開坯軋機一個孔型是多道次軋制，為保證軋件的穩(wěn)定，來料寬均大于槽底，達涅利在設(shè)計工藝時側(cè)壁斜度選擇較大，應該也是基于此，經(jīng)一年的實踐，我們認為由于孔型和軋制規(guī)程不合理造成的發(fā)紋還基本上沒有，這套軋