低合金高強(qiáng)度鋼板超聲波探傷不合缺陷分析

丁軍紅，王作成，張　寧，王　杰

（1山東大學(xué)　材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東　濟(jì)南250061；2山鋼股份濟(jì)南分公司，山東　濟(jì)南250101）

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生產(chǎn)技術(shù)

低合金高強(qiáng)度鋼板超聲波探傷不合缺陷分析

丁軍紅1，2，王作成1，張寧2，王杰2

（1山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061；2山鋼股份濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南250101）

摘要：統(tǒng)計(jì)分析了連鑄坯低倍結(jié)果與低合金高強(qiáng)度鋼板探傷合格率的關(guān)系，并對出現(xiàn)超聲波探傷不合鋼板取樣，采用金相觀察、掃描電鏡觀察、Z向拉伸試驗(yàn)、顯微硬度測定等實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行研究。結(jié)果表明：連鑄坯內(nèi)部缺陷以及鋼板中心微裂紋是造成探傷不合的主要原因，控制連鑄坯中心偏析、疏松、裂紋等缺陷是提高鋼板探傷合格率的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：鋼板；探傷不合缺陷；中心偏析；疏松；中心裂紋

1　前　言

低合金高強(qiáng)度鋼為中國用途最廣、用量最大的中厚板品種,需保證較高抗拉強(qiáng)度、伸長率以及沖擊韌性。隨著客戶對質(zhì)量要求的不斷提高，鋼板還必須滿足超聲波探傷要求。國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)中都不同程度地遇到了超聲波探傷缺陷的問題。鋼板的疏松、偏析、裂紋以及非金屬夾雜物等缺陷都能導(dǎo)致鋼板超聲探傷不合。本研究針對探傷不合鋼板進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和取樣檢測分析，探討了造成鋼板探傷不合的主要缺陷及其形成原因。

2　缺陷統(tǒng)計(jì)及取樣檢測分析

2.1連鑄坯低倍組織對探傷的影響

統(tǒng)計(jì)252塊有探傷要求鋼板的270 mm連鑄坯低倍檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合所軋制鋼板的探傷合格率進(jìn)行分析。

1）僅存在C類偏析時，對探傷合格率的影響如表1所示。

從表1可見，在只有C類中心偏析時，中心偏析級別對探傷合格率影響不大，基本可以保證80%以上。如果考慮鋼板厚度規(guī)格的影響，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（0，40］mm厚度的鋼板探傷合格率為92.20%，（40，80］mm厚度的鋼板探傷合格為77.43%，隨著厚度增加，探傷合格率明顯下降。這是因?yàn)?70 mm連鑄坯軋制≤40 mm薄規(guī)格鋼板時，壓縮比約＞7，可有效消除中心偏析帶來的不利影響。而隨著規(guī)格增加，壓縮比減小，這種作用也越來越弱，導(dǎo)致探傷合格率明顯下降。

2）存在疏松和偏析時，對探傷合格率的影響如表2所示。

表2　疏松和偏析對探傷合格率的影響

由表2可見，當(dāng)中心疏松≤0.5級時，偏析等級不會對探傷合格率有顯著影響；而當(dāng)中心疏松≥1級時，中心偏析≥1級，探傷合格率就顯著下降。隨著規(guī)格增加，探傷合格率同樣降低。當(dāng)疏松≥1級+偏析≥1級時，另外統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（0，40］mm規(guī)格探傷合格率87.30%，而（40，80］mm規(guī)格探傷合格率僅有65.50%。對探傷鋼板而言，中心疏松≥1級的缺陷要嚴(yán)格控制。

3）存在中心裂紋和偏析時，對探傷合格率的影響見表3。

表3　中心裂紋和偏析對探傷合格率的影響

由表3可見，裂紋同為0.5級時，隨著偏析等級的增加，探傷合格率顯著下降，存在中心裂紋時，探傷合格率對偏析等級開始敏感。在裂紋0.5級+偏析≥2級時，另外統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（40，80］mm規(guī)格探傷合格率僅有61.60%。

4）中心裂紋、疏松和偏析同時存在，對探傷合格率的影響見表4。

表4　中心裂紋、疏松和偏析對探傷合格率的影響

由表4可見，低倍存在中心裂紋和疏松時，偏析等級對探傷合格率有顯著影響。在偏析2.0級裂紋0.5級疏松0.5級時，另外統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，（40，80］mm規(guī)格探傷合格率僅有47.10%。

2.2鋼板Z向拉伸試驗(yàn)

Z向拉伸與鋼板探傷合格率具有一定規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系，探傷不合格試樣Z向拉伸面縮率都比較低，而探傷合格試樣Z向拉伸面縮率都比較高。

在超聲波探傷不合鋼板的缺陷處取1#試樣進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)，經(jīng)測量斷面收縮率在11%，斷裂位置位于板厚的中心位置，斷口平坦，呈脆斷形貌。斷口局部放大見圖1a，斷口的某些區(qū)域呈現(xiàn)河流狀解理斷裂，無明顯塑性變形。SEM觀察形貌如圖1b所示，在斷口的部分區(qū)域可以看到明顯的脆性斷口，同時斷口的某些區(qū)域能夠看到大量細(xì)條狀夾雜物。為了進(jìn)一步確定夾雜物的成分，對圖1b進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，細(xì)條狀夾雜物成分主要為MnS夾雜。

圖1　1#試樣探傷不合鋼板Z向拉伸斷口形貌

表5　拉伸斷口能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

在超聲波探傷不合鋼板的缺陷處取2#試樣進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)，對斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察及能譜分析，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)斷口處存在光滑的鐵基體面，即原始缺陷面，說明在原始鑄態(tài)組織中存在著比較嚴(yán)重的疏松。能譜分析結(jié)果顯示，在斷裂面上散布著較多的硫化物等夾雜物。

圖2　2#試樣探傷不合鋼板Z向拉伸斷口形貌及能譜分析

2.3中心微裂紋顯微組織觀察

對比大量鋼板低倍照片發(fā)現(xiàn)，探傷不合的鋼板中心偏析區(qū)域都有斷續(xù)的微裂紋，而探傷合格的樣子中心偏析較輕或雖有肉眼可見的偏析帶但沒有微裂紋出現(xiàn)，如圖3所示?？梢?，鋼板中心微裂紋的存在是導(dǎo)致鋼板探傷不合的重要原因。

圖3　探傷合格與不合格鋼板低倍組織

通過觀察鋼板中心微裂紋的顯微組織發(fā)現(xiàn)，造成鋼板探傷不合的中心微裂紋大致分為兩大類：一類是遺傳自連鑄坯中心裂紋或連鑄坯疏松、縮孔等缺陷經(jīng)軋制變形造成的，屬于先天性裂紋（稱作Ⅰ型裂紋），圖如4a所示；一類是在鋼板的軋制過程中由應(yīng)力作用產(chǎn)生的穿晶裂紋，屬于后天性裂紋（稱作Ⅱ型裂紋），如圖4b所示。對比圖4a和4b，可以看出兩種最大的區(qū)別是，Ⅰ型裂紋兩側(cè)的組織是不連續(xù)的，而Ⅱ型裂紋兩側(cè)的組織是連續(xù)的。對裂紋內(nèi)的夾雜物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表6和表7。圖4a裂紋內(nèi)部的夾雜為氧化物夾雜，位于裂紋的尖端部位，圖4b內(nèi)部的夾雜物為MnS夾雜，位于裂紋的中間部位。裂紋表面為“鋼－空氣”或“鋼－真空”界面，其反射率為≈-1，當(dāng)超聲波從鋼一側(cè)到達(dá)裂紋表面時，超聲波基本被完全反射，引起強(qiáng)烈的反射波，反射波被探傷儀探測到從而引起探傷不合［1］。

圖4　中心裂紋掃描電鏡形貌

表6　先天性裂紋內(nèi)夾雜物能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表7　后天性裂紋夾雜物能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3　缺陷形成原因分析

3.1疏松和偏析缺陷形成原因

鋼液凝固過程中形成的缺陷不是孤立存在的，而是緊密相連的，鑄坯中疏松、偏析、夾雜物等缺陷總是相伴而生的，這些缺陷在熱酸浸低倍樣上的宏觀表現(xiàn)主要為偏析和疏松。而鋼坯中心部位是凝固時最薄弱的環(huán)節(jié)，更是缺陷最為集中聚集的部位［2］，因此，解決由于疏松缺陷造成的鋼板超聲波探傷不合問題，應(yīng)該從提高鋼液補(bǔ)縮能力和鑄坯在軋制過程中的變形滲透兩方面入手。鑄坯凝固末端智能輕壓下技術(shù)，可有效減少因鑄坯收縮形成的空隙和疏松。而鋼水過熱度和支撐輥的對中與中心偏析有很大影響，必須嚴(yán)格控制鋼水過熱度，提高對孤精度。同時，采用電磁攪拌技術(shù)能達(dá)到提高鑄坯質(zhì)量、減少中心縮孔、消除宏觀偏析、改善凝固組織等效果。

3.2中心裂紋形成原因

鋼板中心裂紋的產(chǎn)生有兩種情況，一種是原始鑄坯中存在的中心裂紋等缺陷由于軋機(jī)壓力小，道次變形量不夠，未能焊合造成的；另一種是由于中心偏析嚴(yán)重，在中心偏析帶區(qū)域存在局部較高的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，在MnS夾雜等薄弱部位起源擴(kuò)展造成的，由于MnS夾雜物的收縮量高于鋼基體，其收縮過程中與基體產(chǎn)生空隙，在組織應(yīng)力和冷熱應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致裂紋從空隙處起源和擴(kuò)展，如圖4b所示。

從圖5顯微硬度分析結(jié)果看，鋼板中心存在微裂紋的帶狀組織是貝氏體或馬氏體的硬相中溫轉(zhuǎn)變組織。過冷奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w和馬氏體的過程中存在體積膨脹，導(dǎo)致組織應(yīng)力產(chǎn)生。同時，鋼板軋制和冷卻過程中也存在溫度應(yīng)力和殘余應(yīng)力，而貝氏體或馬氏體組織的硬度高、韌性差，易造成微裂紋產(chǎn)生。

統(tǒng)計(jì)表明，Ⅱ型裂紋往往出現(xiàn)在中心偏析帶區(qū)域，而通過低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一些探傷合格試樣的中心偏析也比較明顯，但偏析帶中沒有微裂紋產(chǎn)生。

圖5　中心裂紋處顯微硬度

4　結(jié)　論

通過對存在超聲波探傷缺陷的低合金高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行分析和研究，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：1）連鑄坯低倍結(jié)果僅存在中心偏析時，偏析等級對探傷的影響并不明顯，但是當(dāng)?shù)捅督Y(jié)果也存在裂紋或疏松時，偏析等級對探傷的影響非常明顯，中心裂紋的影響尤其顯著；2）中心線偏析是鋼板中心區(qū)域形成裂紋的基礎(chǔ)條件，而微裂紋的產(chǎn)生還需要應(yīng)力的作用才能萌生、擴(kuò)展；3）鑄坯內(nèi)部缺陷是導(dǎo)致低合金高強(qiáng)度鋼板探傷不合的根本原因，通過采取針對性措施，提高鋼水純凈度和連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量,才是提高產(chǎn)品探傷合格率的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn):

［1］孫齊松，王新華，許曉東，等.中厚鋼板缺陷分析及原因探討［J］.鋼鐵，2007，42（8）：43-44.

［2］安守勇，夏佃秀，侯東華，等.厚規(guī)格高強(qiáng)度鋼板探傷不合原因分析［J］.中國冶金，2009，19（4）：30-31.

Analysis of Defects of Nonconformity in Ultrasonic Flaw Detection on the High Strength Low Alloy Steel Plates

DING Junhong1,2, WANG Zuocheng1, ZHANG Ning2, WANG Jie2

（1 School of Material Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2 Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）

Abstract:The relationship between porosity of the slab and results of ultrasonic flaw detection in the high strength low alloy (HSLA) steel plate were analyzed. The samples from steel plates disqualified by ultrasonic inspection were observed through many experiment methods such as metallographic examination, SEM observation, Z-directional test and micro-hardness test. Test results showed that the main causes of disqualification of steel plate were flaws in the slab and micro cracks in the center of the plate. The key point is that the central segregation , porosity and intermediate crack in cast slab should be controlled．

Key words:ultrasonic flaw detection; central segregation; porosity; central crack

中圖分類號：TG115.285

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-4620（2016）02-0023-03

收稿日期：2016-03-11

作者簡介：丁軍紅，男，1983年生，2008年畢業(yè)于東北大學(xué)冶金工程專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司人力資源部工程師，從事人力資源管理工作。