合金結構鋼10CrNi3MoV探傷不合原因分析

陳 瑋，朱叢茂，付勇濤

（武漢鋼鐵有限公司，湖北 武漢 430080）

1 前言

容器、橋梁、船舶等大型承壓結構所采用的中厚板需要進行探傷檢測，以評價內部質量。防止在承壓過程中，由于內部缺陷而產生失效。合金結構鋼10CrNi3MoV作為大型船舶承壓結構用鋼，探傷合格是交貨的必要條件之一，然而該鋼經常由于探傷不合而影響交付。

為了保障合金結構鋼10CrNi3MoV的交貨周期，提高實際生產的性能合格率，有必要對該鋼的探傷不合原因進行分析。魏立國等人對探傷進行了研究［1-3］，均表明當鋼板內部存在較多的夾雜時，如P、S元素含量較高時，鋼板易出現探傷不合。但目前冶金質量提升，即使10CrNi3MoV鋼在P、S含量均較低，夾雜物控制在較低水平時，也發生探傷不合，因此需要對該情況下的探傷不合原因進行分析和研究。

2 試驗材料和方法

試驗鋼10CrNi3MoV化學成分如表1所示。試驗鋼轉爐冶煉經連鑄澆鑄，澆鑄過熱度為15℃，連鑄扇形段電磁攪拌采用零段和2段電攪，電流為800 A。切割后的鑄坯經加熱、4 300寬厚板軋機軋制成厚度為14 mm和28 mm鋼板。鋼板冷卻至室溫后進行探傷，對探傷不合格部位進行取樣。采用OLYMPUS GX71顯微鏡對探傷不合格部位顯微組織進行觀察，并采用FEI QUANTA 400掃描電鏡進行微區組織和成分分析。

表1 試驗用鋼的化學成分（質量分數）%

3 試驗結果及分析

3.1 探傷不合部位顯微組織

試驗鋼10CrNi3MoV探傷不合部位顯微組織如圖1和圖2所示，夾雜物如圖3所示。14 mm鋼板夾雜物評級為B1、D0.5，28 mm鋼板夾雜物評級為D1，夾雜物控制較好。探傷不合部位顯微組織由貝氏體+鐵素體+珠光體組成，組織存在明顯的偏析條帶。14 mm厚鋼板貝氏體區域存在長度約40 μm的裂紋，28 mm厚鋼板的貝氏體與珠光體交界處存在裂紋，裂紋處于距鋼板表面板厚1/4處。

圖1 14 mm鋼板探傷不合鋼板顯微組織

圖2 28 mm鋼板探傷不合鋼板顯微組織

圖3 試驗鋼10CrNi3MoV夾雜物

3.2 探傷不合部位微區成分

試驗鋼10CrNi3MoV探傷不合部位掃描電鏡組織及微區成分如圖4～圖6所示。裂紋發生處溶質原子Ni、Cr、Mn發生明顯聚集，遠遠高于正常成分。隨著與裂紋處距離的增加，溶質原子有降低趨勢，但Mn的偏析明顯，在遠離裂紋處的鐵素體組織區域Mn元素含量比近距離處的珠光體組織高。Ni、Mn元素能顯著降低A1［4］，穩定過冷奧氏體，在該元素高的區域，珠光體轉變被推遲，含Ni、Mn元素低的區域，滲碳體率先形核，生成鐵素體和滲碳體的混合物，發生珠光體轉變，導致碳元素向Ni、Mn元素含量低的區域擴散。由于Ni、Mn元素的偏析，導致碳元素的偏析更趨嚴重。

圖4 裂紋處組織及成分

圖5 遠離裂紋處珠光體組織及成分

圖6 遠離裂紋處鐵素體組織及成分

Ni、Mn含量高區域在距離表面更近處，由于冷卻更快形成貝氏體組織，冷速不足處形成鐵素體組織。14 mm鋼板由于板厚較薄，鋼板軋制過程溫降較大，組織形成較多的貝氏體；28 mm鋼板因板厚較厚，表面溫降和心部溫降存在一定差異，導致距離鋼板表面的合金含量高處的組織形成貝氏體，靠近心部形成鐵素體。

靠近表面處的貝氏體組織與珠光體組織相連，且由于合金元素Ni、Mn的偏析導致的組織轉變過程中，貝氏體區域向珠光體區域排碳，導致貝氏體和珠光體組織間存在碳含量的差異，附加上組織上差異，從而形成兩相間存在較大的組織應力。當受到外力作用時，極易應力釋放而發生開裂。

28 mm鋼板裂紋發生在距鋼板表面板厚約1/4處，此處合金元素聚集，比鋼板心部合金含量高，形成負偏析帶。連鑄坯由于成分過冷作用，在冷卻過程中，溶質原子向凝固前端排出，最終形成鑄坯表面到心部的成分偏析。

為了改善這種中心偏析，采用電磁攪拌［5］。在連鑄坯二次冷卻區域，通過電磁攪拌增加磁場對鋼液的切割，使鋼液產生運動，從而使成分更趨均勻。如果電磁攪拌作用過大，反而導致該區域由于鋼液的過快流動并伴隨凝固，形成空隙，以致在凝固的最后，由于輕壓下的作用，使最后凝固的鋼液被擠壓到柱狀晶空隙［6］。試驗鋼28 mm厚鋼板表層約1/4處溶質原子聚集，此處正是鑄坯表面已經形成激冷層后，扇形段電磁攪拌作用的柱狀晶區域，溶質原子在此處聚集說明，電磁攪拌作用過大，同時由于鋼水過冷度低，柱狀晶區迅速形成，并在此區域內形成空隙，最后凝固的鋼液在動態輕壓下及鑄坯收縮的作用下，被擠入柱狀晶區空隙處，從而形成此區域溶質成分高于心部的負偏析效應。鋼液流動過快在迅速冷卻過程中形成收縮空洞，在隨后的軋制過程中，成為微細裂紋。

綜上所述，為了消除此類裂紋引起的探傷不合，避免形成組織上的偏析和在柱狀晶區形成空隙是控制的關鍵所在，因此應調整電磁攪拌的功率，減小鋼液流動的速度，同時適度控制鋼水過熱度，不宜過高或過低，適當增大二冷區冷卻速度［6］。

4 結論

4.1試驗鋼10CrNi3MoV探傷不合的原因是內部存在裂紋。探傷不合部位顯微組織由貝氏體+鐵素體+珠光體組成，組織存在明顯的偏析條帶。14 mm厚鋼板裂紋發生在貝氏體組織區域，28 mm厚鋼板的裂紋發生在貝氏體與珠光體交界處，裂紋處于距鋼板表面板厚1/4處。

4.2裂紋發生處溶質原子Ni、Cr、Mn發生明顯聚集。隨著與裂紋處距離的增加，溶質原子有降低趨勢，但Mn的偏析明顯，在遠離裂紋處的鐵素體組織區域Mn元素含量比較近距離處的珠光體組織高。由于Ni、Mn元素的偏析，導致碳元素的偏析更趨嚴重，并形成組織上的貝氏體、珠光體和鐵素體偏析條帶，造成較大的組織內應力。

4.3溶質原子在距鋼板表面約1/4處聚集的由電磁攪拌和輕壓下的共同作用引起，為了消除此類現象，應降低電磁攪拌的功率，選擇適當的過熱度，增加二冷區冷卻速度。