S355K2鋼板超聲波探傷不合原因分析

李雪東

（山鋼股份濟(jì)南分公司中厚板廠，山東濟(jì)南 250101）

生產(chǎn)技術(shù)

S355K2鋼板超聲波探傷不合原因分析

李雪東

（山鋼股份濟(jì)南分公司中厚板廠，山東濟(jì)南 250101）

通過(guò)采用金相顯微鏡，掃描電鏡和能譜儀對(duì)S355K2鋼板探傷不合部位取樣進(jìn)行觀察、分析后可知，試樣內(nèi)部的微裂紋及貝氏體帶是產(chǎn)生缺陷回波的主要原因。為此，采取強(qiáng)化精煉手段控制、對(duì)下線連鑄坯實(shí)施堆垛緩冷、優(yōu)化冷料厚板坯加熱時(shí)間等措施，保證了成材率，使S355K2鋼板的探傷合格率提高了2%。

S355K2鋼板；超聲波探傷；金相顯微鏡；精煉

S355K2歐標(biāo)低合金板主要用于制造各類工程機(jī)械，如礦山和各類工程施工用的鉆機(jī)、電鏟、電動(dòng)輪翻斗車、礦用汽車、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、起重機(jī)、支架等機(jī)械設(shè)備及其他結(jié)構(gòu)件。濟(jì)鋼超聲波探傷合格率總體上保持在較高的水平，但近期生產(chǎn)的S355K2出現(xiàn)批量超聲波探傷不合的情況，不僅增加生產(chǎn)成本，還影響到訂單的交付，為此，對(duì)S355K2超聲波探傷不合格的鋼板進(jìn)行取樣研究分析，查找產(chǎn)生缺陷原因，采取相應(yīng)措施。

1 檢測(cè)分析

利用超聲波探傷儀對(duì)探傷不合鋼板的缺陷部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位。取缺陷與軋制方向平行的部位，然后在垂直軋制方向剖開，對(duì)橫截面進(jìn)行夾雜物、金相檢測(cè)及掃描電鏡能檢驗(yàn)。金相試樣經(jīng)研磨拋光，用4%硝酸乙醇溶液浸蝕。

1.1 超聲波探傷檢測(cè)

根據(jù)《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)JB/T 4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)》要求，檢測(cè)設(shè)備選擇HS620數(shù)字式超聲波探傷儀，并選擇探頭公稱頻率為5 M、晶片尺寸為Φ20 mm的單晶直探頭，以CBⅡ-1試塊Φ5 mm平底孔第1次反射波高調(diào)整到滿刻度的50%作為基準(zhǔn)靈敏度，對(duì)厚度規(guī)格為25 mm的S355K2鋼板進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鋼板基體大部分檢測(cè)區(qū)域均無(wú)明顯缺陷反射（見圖1），但在距離鋼板兩側(cè)縱邊約200～500 mm范圍內(nèi)，存在帶狀探傷不合缺陷，缺陷深度約為鋼板厚度的一半，缺陷第1次反射回波幅度在60%～90%（見圖2），局部缺陷回波幅度甚至超過(guò)100%（見圖3），但仍沒有出現(xiàn)鋼板一次底波明顯降低或消失現(xiàn)象。

圖1 無(wú)缺陷處UT波形圖

圖2 點(diǎn)狀缺陷UT波形圖

圖3 帶狀缺陷UT波形圖

1.2 金相檢測(cè)

在探傷不合部位取一塊試樣進(jìn)行金相檢測(cè)，可見試樣中存在夾雜物和裂紋，如圖4。

采用4%硝酸酒精溶液對(duì)剖面金相檢測(cè)試樣進(jìn)行浸蝕，并在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，金相檢測(cè)組織見圖5。顯微組織觀察，為典型的鐵素體+珠光體組織。晶粒度測(cè)量時(shí)采用評(píng)級(jí)圖譜比照法，肉眼觀察晶粒度為7.5級(jí)。1/4部金相檢測(cè)圖片中未發(fā)現(xiàn)明顯異常組織。中心部位100倍下可見較為粗大貫穿視場(chǎng)的偏析帶，500倍下觀察偏析帶內(nèi)部存在裂紋。

圖4 裂紋及夾雜物形貌

1.3 掃描電鏡檢測(cè)

對(duì)夾雜物做能譜分析結(jié)果如圖6、圖7。硫化物夾雜主要為MnS夾雜，試樣中MnS夾雜呈鏈條狀分布，尺寸較小，在25 μm左右，MnS夾雜隨基體變形，不會(huì)產(chǎn)生異常波形。大型復(fù)合夾雜是造成鋼板探傷不合格的一個(gè)原因，小于50μm單個(gè)夾雜物一般不會(huì)造成探傷不合格，但大量的MnS疊加存在，會(huì)使超聲波衰減，影響探傷合格率［1］。氧化物夾雜主要為氧化鋁，硅酸鹽類夾雜，這些夾雜物雖然級(jí)別不高，但在鋼中存在聚集現(xiàn)象，也能引起探傷不合。

圖5 金相顯微鏡下缺陷部位組織

圖6 試樣中硫化物夾雜物形貌及能譜

圖7 試樣中硅酸鹽、氧化鋁夾雜物形貌及能譜

鋼板中心位置存在裂紋，裂紋形狀不規(guī)則，且呈現(xiàn)不連續(xù)性。圖8所示裂紋內(nèi)部存在Nb和Ti的化合物和長(zhǎng)條狀的硫化物夾雜。在電鏡下放大至5 000倍觀察裂紋形貌（見圖9），裂紋寬度在2 μm左右。裂紋附近組織呈現(xiàn)貝氏體形態(tài)。

圖8 裂紋形貌及夾雜物能譜

鋼板中心部位除存在裂紋外，還存在帶狀組織偏析。通過(guò)掃描電鏡觀察（如圖10）可知，試樣中心基體組織主要為鐵素體＋珠光體，偏析帶內(nèi)組織為貝氏體，帶寬為100 μm左右。貝氏體是在軋后控冷過(guò)程中形成的，鑄坯中心偏析嚴(yán)重軋制后冷卻速度較快，過(guò)冷的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。貝氏體屬于硬相組織，變形量小，在軋制過(guò)程中阻礙鐵素體變形，導(dǎo)致應(yīng)力集中，在冷卻速度較快條件下，貝氏體與珠光體界面可產(chǎn)生裂紋［2］。

圖9 掃描電鏡下裂紋形貌

圖10 掃描電鏡下異常組織形貌及能譜

由圖10可看出，在厚度中心偏析帶內(nèi)存在MnS夾雜物的聚集，對(duì)鋼板探傷產(chǎn)生不良影響，聚集的硫化物夾雜在組織應(yīng)力、熱應(yīng)力及外力的作用下易形成裂紋源。

為探明偏析成分，對(duì)基體組織、帶狀區(qū)域組織和裂紋附近組織進(jìn)行能譜面掃描，發(fā)現(xiàn)帶狀組織區(qū)域和裂紋附近存在嚴(yán)重的成分偏析現(xiàn)象，帶狀組織中錳含量2.34%，高出基體成分許多，因此鋼板中心異常組織的出現(xiàn)與鋼中Mn元素偏析有關(guān)，碳、錳和硫等元素的富集使得該區(qū)域的CCT曲線右移，這樣既使鋼板中心的冷卻速度比較緩慢，仍然可以相變生成貝氏體和馬氏體組織。

2 分析與討論

從金相檢測(cè)分析可知，鋼板中心存在偏析、微裂紋以及MnS夾雜物等缺陷，正是這些缺陷的存在導(dǎo)致鋼板中心部位聲阻抗發(fā)生變化，是造成探傷不合的直接原因。鋼板中各組成元素在結(jié)晶時(shí)分布不均勻，在鋼坯冷卻過(guò)程中，由外到里冷卻，由于各元素熔點(diǎn)不一，熔點(diǎn)高的物質(zhì)首先在鋼液中凝固出來(lái)，熔點(diǎn)低的物質(zhì)則隨溫度下降而逐漸凝固。偏析破壞了金屬的連續(xù)性，影響鋼板的力學(xué)性能。

25 mm規(guī)格S355K2精軋開軋溫度為832℃，精軋終軋溫度806℃。高溫區(qū)MnS夾雜比鋼基體更容易變形，因此，MnS夾雜在軋制應(yīng)力的作用下變?yōu)殚L(zhǎng)條狀。由于MnS夾雜與鋼基體的熱膨脹系數(shù)有很大差異，軋后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的收縮量不同，使部分長(zhǎng)條狀硫化物的尖端與基體界面處出現(xiàn)了微小的孔洞，隨著應(yīng)力的增加，孔洞易發(fā)生擴(kuò)展形成微裂紋，形成裂紋源。由于夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，導(dǎo)致夾雜物和基體之間應(yīng)力傳遞方式的不同，在外力作用下，夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中而引起塑性變形，于是夾雜物周圍產(chǎn)生大量位錯(cuò)環(huán)。當(dāng)位錯(cuò)環(huán)在外力作用下到達(dá)夾雜物和基體的界面時(shí)，界面分離形成微孔，微孔的形成使后面的位錯(cuò)環(huán)受到的排斥力大大降低。另一方面，新產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)又源源不斷地推向微孔，使微孔側(cè)向作迅速不穩(wěn)定的擴(kuò)展和聚合，形成了微裂紋。

經(jīng)SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)，異常偏析帶所在平面存在較明顯的C、Mn元素偏聚，即成分偏析導(dǎo)致心部異常組織的產(chǎn)生［3］，異常偏析帶區(qū)域的C、Mn濃度大于珠光體帶，由此造成異常偏析帶區(qū)域的Ar3溫度較珠光體帶處更低，即組分過(guò)冷度增大，孕育期延長(zhǎng)，由此導(dǎo)致相變開始溫度降低，C曲線明顯右移，在軋制過(guò)程的奧氏體冷卻過(guò)程中，中心部位容易形成貝氏體組織，其硬度及體積變化不同于周圍組織，使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生組織內(nèi)應(yīng)力，另外鋼板在冷卻過(guò)程中表面和中心的冷速不同，也容易在鋼板內(nèi)部容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。組織應(yīng)力和熱應(yīng)力兩種內(nèi)應(yīng)力的作用，使得在中心部位存在夾雜物的條件下，就很容易產(chǎn)生中心裂紋。由金相組織可看到，在鋼板厚度中心處有明顯的含有貝氏體的偏析帶狀組織，部分區(qū)域并伴有中心裂紋。

因此，貝氏體組織使材料脆性增加，且與其中的硫化錳夾雜的共同作用，形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。

3 改進(jìn)措施

1）強(qiáng)化精煉手段，進(jìn)一步控制鋼水硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。加強(qiáng)KR鐵水預(yù)處理，強(qiáng)化LF、VD、連鑄等各環(huán)節(jié)的保護(hù)澆注，優(yōu)化吹氬和鈣處理操作，促進(jìn)夾雜物的變性和上浮。連鑄恒拉速穩(wěn)定操作，可減少夾雜物的卷入，保持鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的穩(wěn)定，避免由于夾雜物或內(nèi)部組織差導(dǎo)致的鋼板探傷不合。

2）實(shí)踐結(jié)果表明，連鑄坯下線堆垛緩冷對(duì)提升探傷合格率有明顯的作用，因此對(duì)于探傷的鋼種保證連鑄坯下線堆垛緩冷48 h以上，冷檢以后再上線送軋。

3）保證充足的加熱時(shí)間將有利于組織的均勻和促進(jìn)偏析元素的擴(kuò)散，對(duì)于冷料厚板坯加熱時(shí)間至少在4 h以上，連鑄坯出爐溫度目標(biāo)確定為1 140～1 180℃，確保加熱均勻，以促進(jìn)偏析元素的擴(kuò)散，減輕偏析。

4）對(duì)探傷不合的鋼板進(jìn)行正火處理，能消除鋼板中心的微裂紋缺陷，減少探傷不合。

4 結(jié)語(yǔ)

山鋼股份濟(jì)南分公司中厚板廠通過(guò)采取優(yōu)化精煉工藝操作，控制鋼中夾雜物含量，提高鋼水潔凈度和合理的澆鑄制度，采取合理的加熱、軋制和熱處理制度等措施，提高了鑄坯質(zhì)量，保證了成材率，使S355K2的探傷合格率由原來(lái)的96.37%提高到了98.53%。

［1］王三忠，王新志，劉海強(qiáng)，等.安鋼厚度不小于25 mm鋼板探傷檢驗(yàn)不合格的原因分析［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2010，22（9）：13-17.

［2］張勝偉，毛盡華.安鋼中厚板探傷不合格原因分析及措施［J］.連鑄，2010（5）：43-46.

［3］譚清元，吳巍，賈至立，等.Q345A中厚板內(nèi)部微裂紋形成原因分析［J］.材料熱處理技術(shù)，2011，40（2）：195-198.

Analysison theNonconformity Causesin Ultrasonic Flaw Detection for S355k2Steel Plate

LI Xuedong
（The Medium Plate Plant of Jinan Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Through sampling from the ultrasonic inspection disqualified position of S355K2 steel plate,observing and analyzing via metalloscope,scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer,we knew the major factor of flaw echo from tiny crack and/or bainite zone.For this reason,we adopted refining measure controlling,stacking slow cooling to off line continuous casting slabs,optimizing reheating time to cold slabs etc,guaranteed the yield,and the qualified rate of S355K2 steel plate raise 2%.

S355K2 steel plate;ultrasonic flaw detection;metalloscope;refining

TG115.285

B

1004-4620（2014）03-0020-03

2013-09-24

李雪東，男，1983年生，2008年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)金屬材料工程專業(yè)?，F(xiàn)為山鋼股份濟(jì)南分公司中厚板廠助理工程師，從事新產(chǎn)品的研發(fā)、無(wú)損檢測(cè)等方面的工作。