低合金高强度钢板超声波探伤不合缺陷分析

丁军红，王作成，张　宁，王　杰

（1山东大学　材料科学与工程学院，山东　济南250061；2山钢股份济南分公司，山东　济南250101）



生产技术

低合金高强度钢板超声波探伤不合缺陷分析

丁军红1，2，王作成1，张宁2，王杰2

（1山东大学材料科学与工程学院，山东济南250061；2山钢股份济南分公司，山东济南250101）

摘要：统计分析了连铸坯低倍结果与低合金高强度钢板探伤合格率的关系，并对出现超声波探伤不合钢板取样，采用金相观察、扫描电镜观察、Z向拉伸试验、显微硬度测定等实验手段进行研究。结果表明：连铸坯内部缺陷以及钢板中心微裂纹是造成探伤不合的主要原因，控制连铸坯中心偏析、疏松、裂纹等缺陷是提高钢板探伤合格率的关键。

关键词：钢板；探伤不合缺陷；中心偏析；疏松；中心裂纹

1　前　言

低合金高强度钢为中国用途最广、用量最大的中厚板品种,需保证较高抗拉强度、伸长率以及冲击韧性。随着客户对质量要求的不断提高，钢板还必须满足超声波探伤要求。国内各大钢铁企业在生产中都不同程度地遇到了超声波探伤缺陷的问题。钢板的疏松、偏析、裂纹以及非金属夹杂物等缺陷都能导致钢板超声探伤不合。本研究针对探伤不合钢板进行统计和取样检测分析，探讨了造成钢板探伤不合的主要缺陷及其形成原因。

2　缺陷统计及取样检测分析

2.1连铸坯低倍组织对探伤的影响

统计252块有探伤要求钢板的270 mm连铸坯低倍检验结果，结合所轧制钢板的探伤合格率进行分析。

1）仅存在C类偏析时，对探伤合格率的影响如表1所示。

从表1可见，在只有C类中心偏析时，中心偏析级别对探伤合格率影响不大，基本可以保证80%以上。如果考虑钢板厚度规格的影响，统计发现（0，40］mm厚度的钢板探伤合格率为92.20%，（40，80］mm厚度的钢板探伤合格为77.43%，随着厚度增加，探伤合格率明显下降。这是因为270 mm连铸坯轧制≤40 mm薄规格钢板时，压缩比约＞7，可有效消除中心偏析带来的不利影响。而随着规格增加，压缩比减小，这种作用也越来越弱，导致探伤合格率明显下降。

2）存在疏松和偏析时，对探伤合格率的影响如表2所示。

表2　疏松和偏析对探伤合格率的影响

由表2可见，当中心疏松≤0.5级时，偏析等级不会对探伤合格率有显著影响；而当中心疏松≥1级时，中心偏析≥1级，探伤合格率就显著下降。随着规格增加，探伤合格率同样降低。当疏松≥1级+偏析≥1级时，另外统计发现（0，40］mm规格探伤合格率87.30%，而（40，80］mm规格探伤合格率仅有65.50%。对探伤钢板而言，中心疏松≥1级的缺陷要严格控制。

3）存在中心裂纹和偏析时，对探伤合格率的影响见表3。

表3　中心裂纹和偏析对探伤合格率的影响

由表3可见，裂纹同为0.5级时，随着偏析等级的增加，探伤合格率显著下降，存在中心裂纹时，探伤合格率对偏析等级开始敏感。在裂纹0.5级+偏析≥2级时，另外统计发现（40，80］mm规格探伤合格率仅有61.60%。

4）中心裂纹、疏松和偏析同时存在，对探伤合格率的影响见表4。

表4　中心裂纹、疏松和偏析对探伤合格率的影响

由表4可见，低倍存在中心裂纹和疏松时，偏析等级对探伤合格率有显著影响。在偏析2.0级裂纹0.5级疏松0.5级时，另外统计发现，（40，80］mm规格探伤合格率仅有47.10%。

2.2钢板Z向拉伸试验

Z向拉伸与钢板探伤合格率具有一定规律的对应关系，探伤不合格试样Z向拉伸面缩率都比较低，而探伤合格试样Z向拉伸面缩率都比较高。

在超声波探伤不合钢板的缺陷处取1#试样进行Z向拉伸试验，经测量断面收缩率在11%，断裂位置位于板厚的中心位置，断口平坦，呈脆断形貌。断口局部放大见图1a，断口的某些区域呈现河流状解理断裂，无明显塑性变形。SEM观察形貌如图1b所示，在断口的部分区域可以看到明显的脆性断口，同时断口的某些区域能够看到大量细条状夹杂物。为了进一步确定夹杂物的成分，对图1b进行了能谱分析，结果如表5所示。可以看出，细条状夹杂物成分主要为MnS夹杂。

图1　1#试样探伤不合钢板Z向拉伸断口形貌

表5　拉伸断口能谱分析（质量分数）%

在超声波探伤不合钢板的缺陷处取2#试样进行Z向拉伸试验，对断口进行扫描电镜观察及能谱分析，如图2所示。发现断口处存在光滑的铁基体面，即原始缺陷面，说明在原始铸态组织中存在着比较严重的疏松。能谱分析结果显示，在断裂面上散布着较多的硫化物等夹杂物。

图2　2#试样探伤不合钢板Z向拉伸断口形貌及能谱分析

2.3中心微裂纹显微组织观察

对比大量钢板低倍照片发现，探伤不合的钢板中心偏析区域都有断续的微裂纹，而探伤合格的样子中心偏析较轻或虽有肉眼可见的偏析带但没有微裂纹出现，如图3所示。可见，钢板中心微裂纹的存在是导致钢板探伤不合的重要原因。

图3　探伤合格与不合格钢板低倍组织

通过观察钢板中心微裂纹的显微组织发现，造成钢板探伤不合的中心微裂纹大致分为两大类：一类是遗传自连铸坯中心裂纹或连铸坯疏松、缩孔等缺陷经轧制变形造成的，属于先天性裂纹（称作Ⅰ型裂纹），图如4a所示；一类是在钢板的轧制过程中由应力作用产生的穿晶裂纹，属于后天性裂纹（称作Ⅱ型裂纹），如图4b所示。对比图4a和4b，可以看出两种最大的区别是，Ⅰ型裂纹两侧的组织是不连续的，而Ⅱ型裂纹两侧的组织是连续的。对裂纹内的夹杂物进行能谱分析，结果见表6和表7。图4a裂纹内部的夹杂为氧化物夹杂，位于裂纹的尖端部位，图4b内部的夹杂物为MnS夹杂，位于裂纹的中间部位。裂纹表面为“钢－空气”或“钢－真空”界面，其反射率为≈-1，当超声波从钢一侧到达裂纹表面时，超声波基本被完全反射，引起强烈的反射波，反射波被探伤仪探测到从而引起探伤不合［1］。

图4　中心裂纹扫描电镜形貌

表6　先天性裂纹内夹杂物能谱分析（质量分数）%

表7　后天性裂纹夹杂物能谱分析（质量分数）%

3　缺陷形成原因分析

3.1疏松和偏析缺陷形成原因

钢液凝固过程中形成的缺陷不是孤立存在的，而是紧密相连的，铸坯中疏松、偏析、夹杂物等缺陷总是相伴而生的，这些缺陷在热酸浸低倍样上的宏观表现主要为偏析和疏松。而钢坯中心部位是凝固时最薄弱的环节，更是缺陷最为集中聚集的部位［2］，因此，解决由于疏松缺陷造成的钢板超声波探伤不合问题，应该从提高钢液补缩能力和铸坯在轧制过程中的变形渗透两方面入手。铸坯凝固末端智能轻压下技术，可有效减少因铸坯收缩形成的空隙和疏松。而钢水过热度和支撑辊的对中与中心偏析有很大影响，必须严格控制钢水过热度，提高对孤精度。同时，采用电磁搅拌技术能达到提高铸坯质量、减少中心缩孔、消除宏观偏析、改善凝固组织等效果。

3.2中心裂纹形成原因

钢板中心裂纹的产生有两种情况，一种是原始铸坯中存在的中心裂纹等缺陷由于轧机压力小，道次变形量不够，未能焊合造成的；另一种是由于中心偏析严重，在中心偏析带区域存在局部较高的热应力和组织应力，在MnS夹杂等薄弱部位起源扩展造成的，由于MnS夹杂物的收缩量高于钢基体，其收缩过程中与基体产生空隙，在组织应力和冷热应力的作用下，导致裂纹从空隙处起源和扩展，如图4b所示。

从图5显微硬度分析结果看，钢板中心存在微裂纹的带状组织是贝氏体或马氏体的硬相中温转变组织。过冷奥氏体直接转变为贝氏体和马氏体的过程中存在体积膨胀，导致组织应力产生。同时，钢板轧制和冷却过程中也存在温度应力和残余应力，而贝氏体或马氏体组织的硬度高、韧性差，易造成微裂纹产生。

统计表明，Ⅱ型裂纹往往出现在中心偏析带区域，而通过低倍检验发现一些探伤合格试样的中心偏析也比较明显，但偏析带中没有微裂纹产生。

图5　中心裂纹处显微硬度

4　结　论

通过对存在超声波探伤缺陷的低合金高强度钢板进行分析和研究，得到如下几点结论：1）连铸坯低倍结果仅存在中心偏析时，偏析等级对探伤的影响并不明显，但是当低倍结果也存在裂纹或疏松时，偏析等级对探伤的影响非常明显，中心裂纹的影响尤其显著；2）中心线偏析是钢板中心区域形成裂纹的基础条件，而微裂纹的产生还需要应力的作用才能萌生、扩展；3）铸坯内部缺陷是导致低合金高强度钢板探伤不合的根本原因，通过采取针对性措施，提高钢水纯净度和连铸坯内部质量,才是提高产品探伤合格率的关键。

参考文献:

［1］孙齐松，王新华，许晓东，等.中厚钢板缺陷分析及原因探讨［J］.钢铁，2007，42（8）：43-44.

［2］安守勇，夏佃秀，侯东华，等.厚规格高强度钢板探伤不合原因分析［J］.中国冶金，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

中图分类号：TG115.285

文献标识码：B

文章编号：1004-4620（2016）02-0023-03

收稿日期：2016-03-11

作者简介：丁军红，男，1983年生，2008年毕业于东北大学冶金工程专业。现为山钢股份济南分公司人力资源部工程师，从事人力资源管理工作。