鋼板內部缺陷失效分析

謝國君 王 影 袁建宇 逄錦程 韓 露

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 采用120 mm 厚的45#鋼軋制板材經(jīng)粗加工后進行調質處理，熱處理后超聲探傷發(fā)現(xiàn)鋼板厚度方向中部存在缺陷。通過失效分析認為，鋼板內部的缺陷為沿變形方向分布的帶狀組織，部分帶狀組織中存在沿晶裂紋。形成帶狀組織及裂紋的機理是原材料鋼錠澆鑄過程中心部形成枝晶偏析，軋制過程中偏析區(qū)被拉長因而形成偏析條帶，條帶區(qū)因富含Mn、S、P等元素形成硬度較高的馬氏體組織，調質熱處理過程中在組織應力及熱應力作用下馬氏體條帶組織區(qū)域發(fā)生沿晶脆性開裂。

0 引言

帶狀組織是鋼材內部的一種缺陷，可分為一次和二次帶狀組織。在冶煉過程中，由于鋼水凝固時產(chǎn)生枝晶偏析所形成的原始帶狀組織稱為一次帶狀組織；鋼材在熱加工后冷卻所產(chǎn)生的沿軋制方向平行排列、呈層狀分布、形同條帶的組織稱為二次帶狀組織，即常講的帶狀組織。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并嚴重影響其性能，降低塑性、沖擊韌性、斷裂韌性和斷面收縮率，造成冷彎不合格、沖壓廢品率高；熱處理時鋼材容易變形、淬火開裂［1-2］。本文對一種內部存在缺陷的45#鋼板進行失效分析，對缺陷的性質及成因進行判定，并分析帶狀組織的形成機理。

1 實驗

1.1 材料與設備

研究對象為120 mm 厚的45#鋼板，經(jīng)軋制成型，鋼板在調質熱處理后經(jīng)超聲探傷發(fā)現(xiàn)厚度方向中部存在缺陷，但不能確定缺陷的類型。主要設備為KEYENCE VHX-1000 視頻光學顯微鏡，F(xiàn)EI Quanta 650 FEG 場發(fā)射掃描電鏡，Leica DM4000M 金相顯微鏡及Buehler顯微鏡硬度計。

1.2 形貌觀察與成分分析

采用機械方法從尺寸較大的缺陷部位取樣并將其打開，采用視頻光學顯微鏡對缺陷斷面進行觀察，缺陷表面凹凸不平且粗糙，有金屬光澤、未見腐蝕及氧化痕跡，部分區(qū)域呈顆粒狀，宏觀形貌見圖1。采用掃描電鏡及能譜儀對缺陷表面進行形貌觀察及能譜分析：缺陷表面微觀呈沿晶+解理形貌，二者比例相近，部分晶面上可見一些彌散分布的顆粒狀物質，分析結果表明其為硫化物夾雜或磷化物夾雜，斷面正常區(qū)域主成分與45#鋼相符，缺陷表面微觀形貌及能譜分析見圖2。

圖1 缺陷表面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of defects

圖2 缺陷表面微觀形貌及能譜分析Fig.2 Micro morphology and EDS of defects

1.3 金相分析及顯微硬度測試

從缺陷部位截取部分試樣進行金相分析及顯微硬度測試，結果如下。

（1）試樣由表面向心部硫化物夾雜數(shù)量逐漸增多，形貌見圖3。根據(jù)GB/T 10561—2005 進行評定，表面區(qū)域硫化物夾雜級別＜0.5級，心部區(qū)域最大級別為2.0級。

（2）試樣剖面絕大部分區(qū)域顯微組織為回火索氏體+鐵素體，其中鐵素體趨于網(wǎng)狀分布；心部區(qū)域可見較多沿軋制方向斷續(xù)分布的條帶狀白亮組織，放大為馬氏體組織，條帶中部可見一些沿軋制方向分布的硫化物夾雜；部分白亮組織中存在沿軋制方向的沿晶裂紋，見圖4。

圖3 非金屬夾雜物形貌Fig.3 Morphology of nonmetallic inclusions

（3）對金相試樣進行顯微硬度測試，正常區(qū)域組織硬度均值為HV288，白亮組織區(qū)域硬度均值為HV452，遠高于正常區(qū)域。

圖4 顯微組織形貌Fig.4 Microstructure of defects

1.4 化學成分分析

對鋼板材料進行化學成分分析，結果見表1，材料成分與45#鋼牌號相符。

表1 化學成分分析結果1）Tab.1 Results of chemical composition analysis %（質量分數(shù)）

2 分析與討論

鋼板在調質熱處理后探傷發(fā)現(xiàn)內部多處區(qū)域存在缺陷，解剖結果表明缺陷均位于板厚的中部位置，打開的缺陷表面未見腐蝕及氧化痕跡，微觀呈沿晶+解理形貌，部分晶面上存在一些硫化物或磷化物夾雜顆粒，能譜分析結果表明沿晶斷面上的Mn 及P、S元素含量明顯超標；金相分析結果表明鋼板大部分區(qū)域顯微組織為回火索氏體+鐵素體，但心部區(qū)域（板厚中部位置）存在較多條帶狀白亮馬氏體組織，組織中存在較多硫化物夾雜，該組織硬度遠高于正常組織，部分白亮組織中存在沿晶裂紋。根據(jù)以上觀察結果綜合分析認為，探傷顯示的缺陷應為聚集分布的沿晶裂紋，缺陷表面的解理形貌應是在打開缺陷過程中形成的人工斷口形貌。

根據(jù)斷面能譜分析結果及金相分析結果判斷，鋼板厚度方向中部的條帶狀白亮馬氏體組織中應存在合金元素（主要是Mn）及雜質元素（S、P）的偏析，成因應是鋼錠澆鑄過程中心部形成枝晶偏析，軋制過程中偏析區(qū)被拉長因而形成偏析條帶，該區(qū)域由于富集Mn、P、S（可能還有C）等元素而增加了淬透性，因而在熱處理過程中形成了與正常區(qū)域不同的馬氏體組織［3-10］，在組織應力及熱應力作用下高硬度組織易于發(fā)生脆性開裂。

上述偏析屬于宏觀偏析，也可稱之為位置偏析，一般在鑄錠最后形成部位出現(xiàn)，正常情況下該缺陷在變形加工前應予以去除，若未去除完全則會遺留至最終產(chǎn)品，并可能造成材料性能下降甚至開裂。

3 結論

通過對鋼板的失效分析認為，鋼板厚度方向中部位置的缺陷為沿變形方向分布的帶狀組織，部分帶狀組織中存在沿晶裂紋。形成帶狀組織及裂紋的機理是：原材料鋼錠澆鑄過程中心部形成枝晶偏析，軋制過程中偏析區(qū)被拉長因而形成偏析條帶，條帶區(qū)因富含Mn、S、P 等元素形成硬度較高的馬氏體組織，調質熱處理過程中在組織應力及熱應力作用下馬氏體條帶組織區(qū)域發(fā)生沿晶脆性開裂。