王福同

(山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司)

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橋梁用鋼板探傷不合原因分析與探討

王福同

(山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司)

通過(guò)低倍檢查、金相顯微鏡、掃描電鏡以及能譜儀等檢測(cè)手段對(duì)鋼板拉伸斷口形貌、夾雜物和顯微組織進(jìn)行觀察和分析，研究Q420qE鋼板探傷不合的原因。分析發(fā)現(xiàn)，鋼板厚度中心區(qū)域珠光體帶中存在著硫化物、微量元素偏聚及貝氏體組織；在熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和有害元素偏聚的共同作用下，引發(fā)內(nèi)部微裂紋從而導(dǎo)致Q420qE鋼板探傷不合。

Q420qE鋼板超聲波探傷顯微組織中心偏析夾雜物

0　引言

隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步深入發(fā)展以及“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，先行的交通基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，被具體化為口岸高速公路、跨境鐵路等領(lǐng)域的聯(lián)通建設(shè)。這將推動(dòng)橋梁用鋼消費(fèi)的增長(zhǎng)并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性提出越來(lái)越高的要求，進(jìn)而對(duì)制作橋梁構(gòu)件的鋼板質(zhì)量也提出了更高的要求；其中，提高橋梁用鋼板的超聲波探傷合格率是企業(yè)急需解決的質(zhì)量問(wèn)題之一。為此，結(jié)合超聲波探傷檢驗(yàn)不合的橋梁鋼板Q420qE，通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)室研究手段進(jìn)行了原因分析和探討。

濟(jì)鋼軋鋼廠生產(chǎn)Q420qE鋼板工藝流程：KR鐵水預(yù)處理→210 t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF+RH精煉→CCM連鑄→加熱→高壓水除鱗→4300 mm雙機(jī)架軋制→矯直→冷卻→探傷檢驗(yàn)。采用250 mm厚的鋼坯軋制一批60 mm厚Q420qE鋼板的探傷合格率79.4%，且超聲波探傷儀顯示探傷缺陷位置幾乎全部出現(xiàn)于厚度方向并集中在厚度的中心部位，因此對(duì)該鋼板進(jìn)行了解剖分析研究。

1　試驗(yàn)材料和項(xiàng)目

1.1試驗(yàn)材料

試樣從在線超聲波探傷不合格的鋼板中選取，對(duì)試樣鋼板進(jìn)行人工超聲波復(fù)檢，準(zhǔn)確標(biāo)定鋼板內(nèi)部缺陷位置。加工成各項(xiàng)檢驗(yàn)所需的小試樣, 進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)和分析。試樣進(jìn)行低倍酸浸、金相檢驗(yàn)、夾雜物評(píng)級(jí)、Z向拉伸和掃描電鏡結(jié)合能譜儀分析。

1.2鋼板低倍檢驗(yàn)分析

將切取的試樣沿全厚度方向進(jìn)行熱酸洗腐蝕，從鋼板熱酸浸低倍試樣照片上可以看到,在鋼板厚度中心區(qū)域可以看到較為明顯的中心偏析黑線,心部缺陷帶連續(xù)，呈細(xì)長(zhǎng)條狀，鋼板厚度中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂紋，裂紋走向趨勢(shì)接近于直線。裂紋最寬處約0.2 mm，其長(zhǎng)度為幾個(gè)毫米不等，局部出現(xiàn)連續(xù)狀,如圖1所示。

圖160 mm厚Q420qE鋼板低倍照片

1.3金相組織檢驗(yàn)分析以及夾雜物評(píng)級(jí)

在探傷不合處切取縱向金相試樣，未腐蝕前對(duì)試樣進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，如圖2所示。鋼板心部視場(chǎng)夾雜物評(píng)級(jí)A類(lèi)2.0級(jí)～2.5級(jí)、D類(lèi)0.5級(jí)。心部硫化物類(lèi)型夾雜物呈斷續(xù)細(xì)長(zhǎng)條狀，中心區(qū)域比較嚴(yán)重，局部出現(xiàn)連續(xù)狀。

圖260 mm厚Q420qE鋼板夾雜物照片

試樣經(jīng)腐蝕后的金相照片如圖3所示。鋼板厚度中心區(qū)域探傷缺陷嚴(yán)重的心部顯微組織為鐵素鐵+珠光體+少量貝氏體，心部晶粒粗大，帶狀組織中黑色珠光體帶比較明顯，且珠光體帶連續(xù)貫通、有少量貝氏體硬相組織。中心探傷缺陷位置存在塑性?shī)A雜物和2 μm以下微裂紋，裂紋呈連續(xù)長(zhǎng)條狀, 且貝氏體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有微裂紋，并沿珠光體帶的長(zhǎng)軸方向擴(kuò)展。

圖360 mm厚Q420qE鋼板金相照片

1.4心部金相裂紋處掃描電鏡及能譜分析

利用掃描電鏡結(jié)合能譜儀，對(duì)探傷不合格處金相試樣做掃描電鏡,在掃描電鏡下的顯微組織形貌表明，裂紋是形成鋼板探傷不合的主要原因。從圖4裂紋能譜圖中可以明顯看出，裂紋出現(xiàn)于片層狀珠光體組織中，并擴(kuò)展出現(xiàn)于心部的貝氏體組織，貝氏體組織強(qiáng)度高、脆性大，相變應(yīng)力大，是造成鋼板在冷卻過(guò)程中沿鋼板內(nèi)部薄脆弱處開(kāi)裂的原因之一。

圖4中兩個(gè)位置的能譜分析結(jié)果見(jiàn)表1。[1]、[2]位置[S]、[Mn]含量均較高，應(yīng)為MnS類(lèi)型夾雜物，MnS塑性?shī)A雜物在鋼板軋制過(guò)程中沿軋制方向被拉長(zhǎng)，在夾雜物密集處會(huì)形成帶狀?yuàn)A雜物，夾雜物頂端易產(chǎn)生微裂紋形成裂紋源。

圖4金相掃描電鏡及能譜

1.5Z向拉伸斷口分析

Z向拉伸斷口電鏡宏觀形貌如圖5(a)所示。Z向斷口呈現(xiàn)局部韌窩的解理狀斷口，有輪廓清晰的臺(tái)階平面，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象,為脆性斷裂，斷面收縮率不足5%，中心裂紋明顯。對(duì)圖5(b)中心裂紋及邊部區(qū)域進(jìn)行電子探針掃描能譜分析，見(jiàn)圖6五個(gè)位置的能譜分析結(jié)果見(jiàn)表2。[2]、[3]、[4]位置為MnS類(lèi)型夾雜物，夾雜物數(shù)量較多，[1]、[5]位置為夾雜物脫落后的鋼基體。

(a) 原形貌 (b) 局部放大

圖5Z向斷口宏觀照片

圖6　Z向斷口掃描電鏡及能譜

2　分析與討論

原始鑄坯中存在中心線偏析，這是由于選分結(jié)晶，溶質(zhì)元素向液相區(qū)聚集，當(dāng)柱狀晶生長(zhǎng)形成搭橋現(xiàn)象時(shí)，富集溶質(zhì)元素的鋼液被封閉而不能與其他液體交換，在該處使C、S、P、Mn元素在鑄坯中心富集以及夾雜物的偏聚而形成。鋼板中心成分富集偏析引起板厚中心區(qū)域CCT曲線向右移動(dòng)，降低了貝氏體形成的臨界冷卻速度導(dǎo)致貝氏體的出現(xiàn)和珠光體含量的增加[1]。如果鑄坯加熱時(shí)沒(méi)有完全燒透，加上軋制過(guò)程單道次變形率偏低，將導(dǎo)致軋制過(guò)程心部變形不充分。在形變奧氏體冷卻過(guò)程中，中心部位容易形成過(guò)冷組織貝氏體和馬氏體組織，這些組織屬于硬相組織,它們?nèi)菀着c周?chē)蔫F素鐵+珠光體組織產(chǎn)生軟硬相之間的組織應(yīng)力。

鑄坯中心偏析Mn、S元素形成的MnS塑性?shī)A雜，由于MnS夾雜具有良好的熱塑性，因此在軋制過(guò)程中變形為MnS條狀?yuàn)A雜物，一方面MnS塑性?shī)A雜物與鋼基體的界面結(jié)合能低，在張應(yīng)力的作用下容易萌生裂紋，另一方面MnS塑性?shī)A雜物的尖端在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中引起開(kāi)裂[2]。Q420qE鋼板基體組織是鐵素體-珠光體組織，偏析處在冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變與正常組織不同。貝氏體組織硬度高，在變形過(guò)程中，塑性差的貝氏體組織將阻礙鐵素體區(qū)的變形，從而造成貝氏體、珠光體轉(zhuǎn)變引起的組織應(yīng)力。由于Q420qE鋼板厚達(dá)60 mm表面和中心冷速不同造成熱應(yīng)力，兩者共同作用，以MnS夾雜物為裂紋源而開(kāi)裂，最終形成微裂紋。裂紋沿著MnS夾雜的邊沿?cái)U(kuò)展和在軟硬相界面進(jìn)一步發(fā)展形成較長(zhǎng)的裂紋，從而造成探傷不合,圖4中的電鏡照片也證明了這一點(diǎn)。

3　結(jié)論

(1)鋼板探傷不合主要是偏析和夾雜物共同造成的，Mn、S偏析而形成的MnS類(lèi)型的塑性?shī)A雜本身不引起探傷缺陷，鑄坯的中心線偏析是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)部條件。

(2)在軋后冷卻過(guò)程中，由于表層和中心冷卻速度存在差異，在鋼板內(nèi)部容易產(chǎn)生熱應(yīng)力；熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和矯直過(guò)程中的張應(yīng)力是裂紋形成的外部條件。

(3)在內(nèi)外部條件的聯(lián)合作用下，鋼板冷卻速率超過(guò)某一臨界值時(shí)易在中心產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度最終導(dǎo)致超聲波探傷不合。

(4)減弱鑄坯的中心線偏析或者通過(guò)熱擴(kuò)散作用消除這種偏析的影響以及減小鋼板軋后處理過(guò)程的內(nèi)應(yīng)力是減少微裂紋、提高探傷合格率的有效途徑。

[1]廖鍵成. 金屬學(xué)[M ]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1994：245.

[2 ]孟慶剛，馮光宏，于桂玲，等. Q345E厚板在線探傷不合格的原因分析[J]. 材料熱處理技術(shù), 2010,(7):40-42.

CAUSES ANALYSIS AND DISCUSSION OF DISQUALIFICATION OF BRIDGE STEEL PLATE IN ULTRASONIC INSPECTION

Wang Futong

(The technology centre of Jinan Iron and Steel Co., Ltd)

The tensile fracture morphology, inclusions and microstructure were studied by means of SEM,EDS and microscopes to find the reasons for defects in flow detection of Q420qE. The analysis results showed that there are MnS, aggregation of trace elements and banded bainite in the center of the plate. The inner cracks are caused by heat stress, structural stress and aggregation of harmful elements, which cause the defects in flow detection.

Q420qE steel plateultrasonic inspectionmicrostructurecenter segregationinclusion

2016—1—27

聯(lián)系人：王福同，工程師，山東.濟(jì)南(250101),山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司技術(shù)中心；