橋梁鋼探傷不合原因分析

蘇月艷

（沙鋼集團理化檢測中心，江蘇 張家港 215625）

橋梁鋼是專門用于架設鐵路或公路橋梁的鋼板。要求有較高的強度、韌性及承受機車車輛的載荷和沖擊，且要有良好的抗疲勞性、一定的低溫韌性和耐大氣腐蝕性。故在產(chǎn)品出廠檢驗中，需要進行嚴格的化學成分、力學性能、硬度、超聲波無損探傷等項目檢測。某公司在對一批橋梁鋼出廠常規(guī)檢驗中出現(xiàn)超聲波無損探傷不合的情況，遂截取金相試樣，采用宏觀觀察、金相檢測、掃描電鏡及能譜分析等手段對橋梁鋼探傷不合格產(chǎn)品進行系統(tǒng)性分析，發(fā)現(xiàn)試驗樣品探傷不合的主要原因為心部存在嚴重微觀裂紋、成分偏析、組織異常并伴隨大量的硫化物及氮化鈦夾雜。為改善橋梁鋼產(chǎn)品質(zhì)量提供技術支持，明確改進方向，提高產(chǎn)品合格率，增加生產(chǎn)效益。

1 實驗方法

對探傷不合格試樣中心縱截面進行金相取樣，使用AxioⅠmager Mim ZEⅠSS光學顯微鏡觀察夾雜形貌，再使用4%硝酸酒精溶液對試樣進行浸蝕，觀察缺陷處組織形態(tài)，利用蔡司掃描電鏡及能譜儀對試樣夾雜物進行觀察及成分分析。

2 檢驗結果

2.1 化學成分

直讀光譜儀分析樣品化學成分均滿足標準要求范圍（見表1）。

表1 橋梁鋼化學成分

2.2 金相檢驗

2.2.1 宏觀觀察

將試樣沿著縱向切取，發(fā)現(xiàn)沿著軋制方向分布的裂紋，裂紋呈斷續(xù)狀存在于心部位置處（如圖1所示）。

圖1 裂紋宏觀形貌

2.2.2 微觀分析

取試樣中心縱截面，經(jīng)4道次金相砂紙磨制，5 μm金剛石顆粒拋光劑鏡面拋光，使用AxioⅠmager Mim ZEⅠSS光學顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)：心部裂紋附近存在大量成串鏈狀橘色塊狀夾雜，伴有灰色A類硫化物夾雜（如圖2、3所示）。

圖2 硫化物夾雜-500X

圖3 橘色塊狀夾雜-500X

經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕，觀察開裂處橫縱2個截面金相組織發(fā)現(xiàn)：整個開裂區(qū)域存在嚴重帶狀偏析組織，帶狀偏析區(qū)域組織為異常粗針狀馬氏體，橘色塊鏈狀夾雜、硫化物夾雜裹挾于偏析帶內(nèi)，夾雜與基體聯(lián)結處存在微裂紋（圖4—圖9）。

圖4 偏析帶縱向形貌-25X

圖5 偏析帶縱向形貌-200X

圖6 偏析帶夾雜+微裂紋-500X

圖7 偏析帶夾雜+微裂紋-500X

圖8 偏析帶橫向形貌-50X

圖9 偏析帶夾雜+微裂紋-500X

利用蔡司掃描電鏡及能譜分析儀對夾雜物進行成分分析，分析結果如圖10、表2。

表2 夾雜物能譜組份%

圖10 夾雜掃描電鏡圖

3 分析討論

通過對樣品開裂處的系統(tǒng)分析，明確了產(chǎn)生開裂的原因是：硫化物夾雜、TiN夾雜呈鏈狀分布，夾雜分布區(qū)域有微裂紋；心部偏析帶的存在，影響了橋梁鋼熱處理后正常組織的形成，使偏析嚴重區(qū)域產(chǎn)生粗針狀馬氏體組織。

（1）硫化物是鋼中的常見夾雜物之一。在鋼液凝固過程中，硫在鋼液中的溶解度隨之降低，它以各種金屬的硫化物形似沉淀出來，硫化物對鋼材基體有割裂作用，成為初始裂紋源，要嚴格控制。

（2）氮化物作為一種非金屬夾雜物獨立存在于鋼中，在鋼液凝固過程中析出。在出鋼或澆鑄過程中，鋼液與空氣接觸，空氣中的氮向鋼中溶解，從而使鋼的氮化物數(shù)量顯著增加[1]。TiN為立方晶系，呈有規(guī)則的幾何形狀，如方形，長方形等，一般均成群呈鏈、串狀分布，在明場中帶有一定的色彩。氮化物破壞鋼的連續(xù)性，尤其是當數(shù)量較多，呈聚集分布時，其危害程度更甚，必須嚴格控制。

（3）鋼從奧氏體狀態(tài)快冷，抑制其擴散性分解，在較低溫度下（低于MS）發(fā)生的轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體轉(zhuǎn)變，主要有板條馬氏體和片狀馬氏體2種最常見的形態(tài)。由于片狀馬氏體中孿晶亞結構的存在大大減少了有效滑移系，回火時，碳化物沿孿晶面不均勻析出使脆性增大；此外，由于碳含量分數(shù)高，晶格畸變大，淬火應力大，故片狀馬氏體的韌性、塑性很差，硬度很高[2]。試驗材料帶狀偏析區(qū)域出現(xiàn)大量片狀馬氏體，在回火熱應力的作用下，馬氏體區(qū)域微裂紋擴展形成斷續(xù)成片的心部開裂區(qū)域。

4 結論及措施

4.1 橋梁鋼心部裂紋產(chǎn)生的主要原因

（1）心部存在硫化物聚集，橫截面顯示裂紋尾端殘留硫化物夾雜。

（2）TiN夾雜呈鏈狀分布，夾雜與基體組織聯(lián)結處存在微裂紋。

（3）心部存在帶狀組織偏析，偏析處組織呈異常粗針狀馬氏體。

4.2 針對性控制措施

（1）控制鋼液中硫的含量，盡量減少硫化物形成和聚集。

（2）控制鋼中TiN夾雜的產(chǎn)生，控制鋼中氮的存在。

（3）控制鋼中偏析的形成，避免出現(xiàn)因偏析產(chǎn)生的不良組織對鋼材使用性能的影響。