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中厚钢板探伤不合格原因分析 杨小刚，张立峰，张瑞，杨文
(北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083)
摘 要：运用低倍及光镜观察组织、普通扫描电镜及Aspex自动扫描电镜研究夹杂物分布等手段分析了A709Gr50F钢板探伤不合试样，检验结果表明：在轧板的厚度中心出现了大量微裂纹，主要影响因素为带状组织及长条状MnS塑性夹杂物。 关 键 词：内部缺陷；带状组织；长条状硫化锰；弥散化分布
随着市场对于中厚钢板的需求不断上升，并对产品的各方面指标，尤其是内部质量提出了更高的要求。与表面质量、尺寸精度等不同的是，在实际生产中钢板内部质量无法通过人工检查来判断，目前国内外各大中厚板生产企业普遍采用的方法为超声波无损探伤技术来判定中厚钢板内部质量。超声波无损探伤技术的原理为当超声波进入被探测钢板后会在钢板的内部产生机械振动，而不同的振动频率和波形，从钢板反射回的波形是不一样的[1]。超声波在被探测钢板中的传播能随钢板的内部组织及缺陷的不同而变化，以此来判断钢板内部的裂纹、分层、缩孔等质量缺陷情况。
2012年内，国内某钢厂在生产A709Gr50F中厚钢板时常出现探伤检验不合格情况，严重影响了该厂的经济效益，且加重了生产负担。通过运用低倍侵蚀等观察组织、Aspex自动扫描电镜研究夹杂物分布等方法来对该厂多组探伤不合格试样进行全面剖析，找出引起钢板探伤不合的具体原因并提出相关控制措施建议，以期望提高探伤合格率。 1 检验材料和方法 1．1 检验材料
检验试样取自工业生产中的轧材，钢号为A709Gr50F，在轧材发生探伤不合部位处取样，取样尺寸为120mm×120mm×23mm，并将取得的试样进行后处理加工成方便各项检验用的小试样。检验钢种的成品成分如表1所示。 1．2 检验方法
1)对检验试样进行粗磨、细磨后，用热稀盐酸(φ盐酸：φ水=1：1)浸蚀试样表面，进行低倍组织观察。
2)对试样细磨、抛光后，用4%硝酸酒精浸蚀试样表面，利用金相显微镜对金相组织进行观察。
3)4%硝酸酒精浸蚀前后用Aspex自动扫描电镜、普通扫描电子显微镜(SEM)对试样表面处的夹杂物形貌及分布进行观察分析。 2 检验结果
2．1 试样组织概况
探伤结果表明，缺陷集中出现于钢板厚度的中心区域，图1a为检验试样经热盐酸浸蚀后的低倍照片，在试样厚度中心约5mm范围内存在大量微裂纹；由图1b的典型光镜组织可知裂纹的长度司达3mm左右。为分析微裂纹产生原因及可能的影响因素，对试样的金相组织及夹杂物形貌及分布进行了观察。
检验试样的金相组织见图2。可以看出试样的组织为铁素体和珠光体，有带状组织存在，黑色珠光体条带明显；试样厚度中心与边部的区别在于中心处的珠光体带的比例更大，并且珠光体带的宽度更宽，中心处的晶粒平均尺寸约为11．2μm，边部的晶粒平均尺寸约为7．4μm。
2．2 试样夹杂物分析
扫描电镜及能谱分析结果表明，在试样厚度中心附近存在大量MnS塑性夹杂物和微裂纹，MnS夹杂物长度可超过50μm；微裂纹长度为几十到上百微米。塑性夹杂物及微裂纹均出现于珠光体组织中，并且沿珠光体带的长轴方向扩展。典型的塑性夹杂物及微裂纹的形貌
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如图3所示。
上述检验分析结果表明，引起轧板探伤不合恪的内部缺陷为轧材厚度中心约5mm宽区域内的大量微裂纹，而影响微裂纹的因素为轧材厚度中心较为严重的珠光体带状组织以及MnS塑性夹杂物。因此可以通过控制带状组织来改善轧板内部的裂纹发生情况，但众所周知，以目前的研究水平想要完全消除带状组织几乎是不可能的，因而通过控制组织的方法并不能彻底解决轧板内部的裂纹缺陷。文献[2]研究结果表明珠光体带的出现与钢中锰的微观偏析有关，珠光体带为锰元素的富集带，锰元素的富集会促进生成MnS塑性夹杂物，这与实际观察到的MnS类型塑性夹杂物绝大部分出现于珠光体带中相吻合，而对于MnS夹杂物和钢基体的界面，一方面由于夹杂物与钢基体的界面结合能低[3]，在张应力的作用下非常容易萌生裂纹，另一方面塑性夹杂物的尖端在应力作用下易产生应力集中而引起开裂，因而MnS是钢中微裂纹的裂纹源，夹杂物与钢基体间的裂纹进一步扩展便形成图3中的珠光体带状组织中的裂纹。文献[4-5]提出通过控制偏析或降低硫含量来达到减少裂纹发生情况以获得良好的产品内部质量，但是与控制带状组织情况一样，想要完全消除中心偏析也是不可能的，控制元素的微观偏析难度更大；单纯降低硫含量并不能保证不会生成塑性MnS夹杂物，而且实际生产中的控硫能力是有限的。关于MnS塑性夹杂物下萌生的裂纹，许多学者[6-9]提产生的另一种原因为钢中本身所含及外界环境带来的氢原子以MnS作为载体在钢中聚集，当氢原子结合成氢分子时会带来极大的内压而致使微裂纹的产生，并沿着MnS塑性夹杂物扩散，即氢致裂纹(Hydrogen induced cracking，简称HIC)。Domizzi G[6]研究结果表明抗HIC性能与硫含量并无明确规律性关系，将硫含量控制的极低(如ω(S)<0．002%)并非获得良好的抗HIC性能的必要条件，而当带状组织的显微硬度低于300HV时，其对抗HIC性能影响较小；Elboujdaini M[7]指出降低长条状MnS体积分数、降低氢原子浓度有利于提高抗HIC性能，而严重的带状组织更容易引发HIC，但影响氢原子浓度的因素较为复杂且难以控制。董朝芳[8]试验结果得出降低环境pH值会促进HIC的发生。彭海红[9]研究结果也同样表明长条状MnS夹杂物和带状组织的存在为影响抗HIC性能的主要因素。
从上述前人研究结果可知，对于本检验试样厚度中心附近出现的长条形微裂纹，不同的学者从各个方面提出了不同的解决措施。为了对检验试样有个全面的了解，对整个厚度方向上的夹杂物进行Aspex扫描。扫描结果显示检验试样中的主要夹杂物类型为CaS、MnS、Ca—Mn—S(CaS与MnS的复合相)、SiO2、Al2O3、CaO、Al—Si等，含硫夹杂物占总夹杂物数量的69．3%，其中Ca—Mn—S系夹杂物占含硫夹杂物总量的25．44%，MnS夹杂物占33．4%，二者在检验试样厚度方向上的分布如图4所示。
由图4可知，MnS塑性夹杂物在整个试样厚度方向上均有分布，大部分尺寸均在10μm以内，尺寸超过10μm的长条状MnS主要集中在厚度中心5mm内，厚度中心附近的MnS夹杂物数量明显比其它部位要多；所有Ca—Mn—S系夹杂物尺寸均小于10μm，其它部位分布基本均匀，但在厚度中心附近具有特殊性，与MnS夹杂物不同的是Ca—Mn—S系夹杂物在厚度中心附近数量大幅度减少，存在极少量的Ca—Mn—S系夹杂物也是尺寸非常小的。试样边部小尺寸的MnS及Ca—Mn—S系夹杂物典型形貌见图5。
由图5可知，小尺寸的MnS塑性夹杂物的尖端也会由于应力集中而产生开裂，但裂纹仅在几个微米以内，开裂程度不足以对钢的内部质量产生大的影响。Ca—Mn—S系夹杂物与长条状MnS不同，其形状为球形，且不会引发裂纹的产生。
由以上对试样整个厚度方向上的夹杂物情况分析可知，与边部的小尺寸MnS相比，在厚度中心出现了大量大尺寸的MnS。分析原因一为铸坯在冷却过程中沿厚度方向的冷却速率不同所造成的。Oikawa K[10]研究认为增大冷却速率可以减小MnS夹杂物的生长时间从而降低其尺寸。显然靠近铸坯边部的冷却速率要大于铸坯厚度中心附近的，故在铸坯厚度中心生成的MnS夹杂物尺寸肯定要比边部的大，大尺寸的MnS塑性夹杂物经轧制过程后就形成
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了图3所示的长条状MnS。由图4中Ca—Mn—S系夹杂物分布可知另一个原因为中心钙含量不足造成的，中心钙含量不足，检验钢种铸坯凝固结束时在厚度中心析出的MnS数量增多、尺寸增大，相反弥散在其中的高熔点的CaS就少，轧制过程中CaS对MnS塑性夹杂物的碾断、分割、剥离作用就显著减小，从而生成的长条状MnS塑性夹杂物数量就大幅增加，Blais C[11]研究结果表明增大ω(Ca)／ω(S)可以减小MnS尺寸，当ω(Ca)／ω(S)>1．6时，可以较好的对MnS起到改性作用。因此可以通过加强钙处理的方式来达到抑制钢中生成的MnS总量和聚集程度的目的，即把MnS全部或部分改性成细小的CaS或CaS与MnS的复合相，从而改善或消除检验试样中心附近出现的长条状MnS塑性夹杂物。该钢厂在实际生产中采加强钙处理处后，产品的探伤合格率显著提高。因此认为可以通过对长条状MnS塑性夹杂物进行改性的方法来消除本检验试样中存在微裂纹，文献中其它关于控制MnS夹杂物的方法如下。
2．3 其它控制MnS夹杂物的方法
1)成分控制。典型的MnS形貌有球形、链状、有棱角不规则形状3类，将MnS控制为球形弥散分布于钢中更有利于改善微裂纹的发生。Oikawa K[12]给出了不同成分条件下MnS的析出形貌，如表2所示。可知检验钢种的成分条件下(表1所示)铸坯中生成的MnS已为球形，这与图5中观察结果是相吻合的(图5中的MnS是由球形经过轧制过程演变而来的)。
2)钛处理钢液。在精炼过程中加适量钛可以促使MnS夹杂物在铸坯厚度上弥散分布。未加钛前，当钢液中的Mn和S的浓度达到临界值时就会在凝固前沿生成MnS，此时的MnS由于跟固液界面结合力小而只能在钢液中通过碰撞聚合长大，生成的MnS尺寸由于生长时间较长而较为粗大。加钛后，钛的氧化物优先在固液界面生成，MnS以钛的氧化物为形核质点在其表面形核长大并随之一起被固液界面捕捉，MnS的尺寸因生长时间被大幅度降低而变得细小。文献[10]研究结果显示添加质量分数为400×10-6的钛后钢中MnS尺寸由原来的7．3μm左右降低到了1．2μm左右，效果显著。
3)优化轧制过程。Dehghan—manshadi[13]和Luo Chunhui[14]研究结果表明升高变形温度能减小MnS塑性夹杂物的变形长度，这是因为升高温度有利于增加动态再结晶奥氏体体积分数，钢基体塑性更好，相反硬度更低，此时钢基体与MnS之间的相对硬度降低，在变形过程中MnS被拉长的的力度将减小。Dehghan—manshadi同时指出减小变形速率可以增大动态再结晶动能，同样有利于增加动态再结晶奥氏体体积分数以达到减小MnS尺寸的目的。
4)合理的热处理技术。邵肖静[15]通过原位观察检验发现长条状MnS夹杂物在高温条件下经热处理后可以发生分裂并球化。其研究结果显示减小加热速率、提高均热温度及增加均热时间都能提高MnS夹杂物的分裂比例以获得细小尺寸的MnS。Mcfarland[16]和Murty[17]的研究结果也同样表明增加均热时间可以较好的对长条状MnS进行改性，使其弥散化分布在钢中。 3 结论
1)低倍及光镜组织观察A709Gr50F钢板探伤不合试样结果显示，在检验试样厚度中心5mm范围内出现了大量微裂纹，且在厚度中心附近珠光体带状组织严重。
2)由普通扫描电镜及Aspex自动扫描电镜分析结果可知在厚度中心附近MnS塑性夹杂物数量较边部明显增多且有大量尺寸超过10μm；Ca—Mn—S系夹杂物尺寸均小于10μm，且在厚度中心附近几乎没有。
3)可通过加强钙处理的方法来控制长条状MnS塑性夹杂物使其细化并弥散分布在钢中，能较好的消除检验钢种中的微裂纹，提高产品的探伤合格率。 参 考 文 献：
[1] 岳临萍，刁鲁南，冉爱文．超声波探伤在济钢中厚板中的应用[J]．中国仪器仪表，2007(9)：65—66．
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中厚钢板探伤不合格原因分析
