桥梁用钢板探伤不合原因分析与探讨

王福同

(山东钢铁股份有限公司济南分公司)



桥梁用钢板探伤不合原因分析与探讨

王福同

(山东钢铁股份有限公司济南分公司)

通过低倍检查、金相显微镜、扫描电镜以及能谱仪等检测手段对钢板拉伸断口形貌、夹杂物和显微组织进行观察和分析，研究Q420qE钢板探伤不合的原因。分析发现，钢板厚度中心区域珠光体带中存在着硫化物、微量元素偏聚及贝氏体组织；在热应力、组织应力和有害元素偏聚的共同作用下，引发内部微裂纹从而导致Q420qE钢板探伤不合。

Q420qE钢板超声波探伤显微组织中心偏析夹杂物

0　引言

随着国内基础设施的进一步深入发展以及“一带一路”战略的实施，先行的交通基础设施互联互通，被具体化为口岸高速公路、跨境铁路等领域的联通建设。这将推动桥梁用钢消费的增长并对桥梁结构的安全可靠性提出越来越高的要求，进而对制作桥梁构件的钢板质量也提出了更高的要求；其中，提高桥梁用钢板的超声波探伤合格率是企业急需解决的质量问题之一。为此，结合超声波探伤检验不合的桥梁钢板Q420qE，通过各种实验室研究手段进行了原因分析和探讨。

济钢轧钢厂生产Q420qE钢板工艺流程：KR铁水预处理→210 t转炉冶炼→LF+RH精炼→CCM连铸→加热→高压水除鳞→4300 mm双机架轧制→矫直→冷却→探伤检验。采用250 mm厚的钢坯轧制一批60 mm厚Q420qE钢板的探伤合格率79.4%，且超声波探伤仪显示探伤缺陷位置几乎全部出现于厚度方向并集中在厚度的中心部位，因此对该钢板进行了解剖分析研究。

1　试验材料和项目

1.1试验材料

试样从在线超声波探伤不合格的钢板中选取，对试样钢板进行人工超声波复检，准确标定钢板内部缺陷位置。加工成各项检验所需的小试样, 进行详细检测和分析。试样进行低倍酸浸、金相检验、夹杂物评级、Z向拉伸和扫描电镜结合能谱仪分析。

1.2钢板低倍检验分析

将切取的试样沿全厚度方向进行热酸洗腐蚀，从钢板热酸浸低倍试样照片上可以看到,在钢板厚度中心区域可以看到较为明显的中心偏析黑线,心部缺陷带连续，呈细长条状，钢板厚度中心区域发现细微裂纹，裂纹走向趋势接近于直线。裂纹最宽处约0.2 mm，其长度为几个毫米不等，局部出现连续状,如图1所示。

图160 mm厚Q420qE钢板低倍照片

1.3金相组织检验分析以及夹杂物评级

在探伤不合处切取纵向金相试样，未腐蚀前对试样进行夹杂物评级，如图2所示。钢板心部视场夹杂物评级A类2.0级～2.5级、D类0.5级。心部硫化物类型夹杂物呈断续细长条状，中心区域比较严重，局部出现连续状。

图260 mm厚Q420qE钢板夹杂物照片

试样经腐蚀后的金相照片如图3所示。钢板厚度中心区域探伤缺陷严重的心部显微组织为铁素铁+珠光体+少量贝氏体，心部晶粒粗大，带状组织中黑色珠光体带比较明显，且珠光体带连续贯通、有少量贝氏体硬相组织。中心探伤缺陷位置存在塑性夹杂物和2 μm以下微裂纹，裂纹呈连续长条状, 且贝氏体内也发现有微裂纹，并沿珠光体带的长轴方向扩展。

图360 mm厚Q420qE钢板金相照片

1.4心部金相裂纹处扫描电镜及能谱分析

利用扫描电镜结合能谱仪，对探伤不合格处金相试样做扫描电镜,在扫描电镜下的显微组织形貌表明，裂纹是形成钢板探伤不合的主要原因。从图4裂纹能谱图中可以明显看出，裂纹出现于片层状珠光体组织中，并扩展出现于心部的贝氏体组织，贝氏体组织强度高、脆性大，相变应力大，是造成钢板在冷却过程中沿钢板内部薄脆弱处开裂的原因之一。

图4中两个位置的能谱分析结果见表1。[1]、[2]位置[S]、[Mn]含量均较高，应为MnS类型夹杂物，MnS塑性夹杂物在钢板轧制过程中沿轧制方向被拉长，在夹杂物密集处会形成带状夹杂物，夹杂物顶端易产生微裂纹形成裂纹源。

图4金相扫描电镜及能谱

1.5Z向拉伸断口分析

Z向拉伸断口电镜宏观形貌如图5(a)所示。Z向断口呈现局部韧窝的解理状断口，有轮廓清晰的台阶平面，没有出现明显的颈缩现象,为脆性断裂，断面收缩率不足5%，中心裂纹明显。对图5(b)中心裂纹及边部区域进行电子探针扫描能谱分析，见图6五个位置的能谱分析结果见表2。[2]、[3]、[4]位置为MnS类型夹杂物，夹杂物数量较多，[1]、[5]位置为夹杂物脱落后的钢基体。

(a) 原形貌 (b) 局部放大

图5Z向断口宏观照片

图6　Z向断口扫描电镜及能谱

2　分析与讨论

原始铸坯中存在中心线偏析，这是由于选分结晶，溶质元素向液相区聚集，当柱状晶生长形成搭桥现象时，富集溶质元素的钢液被封闭而不能与其他液体交换，在该处使C、S、P、Mn元素在铸坯中心富集以及夹杂物的偏聚而形成。钢板中心成分富集偏析引起板厚中心区域CCT曲线向右移动，降低了贝氏体形成的临界冷却速度导致贝氏体的出现和珠光体含量的增加[1]。如果铸坯加热时没有完全烧透，加上轧制过程单道次变形率偏低，将导致轧制过程心部变形不充分。在形变奥氏体冷却过程中，中心部位容易形成过冷组织贝氏体和马氏体组织，这些组织属于硬相组织,它们容易与周围的铁素铁+珠光体组织产生软硬相之间的组织应力。

铸坯中心偏析Mn、S元素形成的MnS塑性夹杂，由于MnS夹杂具有良好的热塑性，因此在轧制过程中变形为MnS条状夹杂物，一方面MnS塑性夹杂物与钢基体的界面结合能低，在张应力的作用下容易萌生裂纹，另一方面MnS塑性夹杂物的尖端在应力作用下易产生应力集中引起开裂[2]。Q420qE钢板基体组织是铁素体-珠光体组织，偏析处在冷却时组织转变与正常组织不同。贝氏体组织硬度高，在变形过程中，塑性差的贝氏体组织将阻碍铁素体区的变形，从而造成贝氏体、珠光体转变引起的组织应力。由于Q420qE钢板厚达60 mm表面和中心冷速不同造成热应力，两者共同作用，以MnS夹杂物为裂纹源而开裂，最终形成微裂纹。裂纹沿着MnS夹杂的边沿扩展和在软硬相界面进一步发展形成较长的裂纹，从而造成探伤不合,图4中的电镜照片也证明了这一点。

3　结论

(1)钢板探伤不合主要是偏析和夹杂物共同造成的，Mn、S偏析而形成的MnS类型的塑性夹杂本身不引起探伤缺陷，铸坯的中心线偏析是产生裂纹的内部条件。

(2)在轧后冷却过程中，由于表层和中心冷却速度存在差异，在钢板内部容易产生热应力；热应力、组织应力和矫直过程中的张应力是裂纹形成的外部条件。

(3)在内外部条件的联合作用下，钢板冷却速率超过某一临界值时易在中心产生裂纹，裂纹扩展到一定长度最终导致超声波探伤不合。

(4)减弱铸坯的中心线偏析或者通过热扩散作用消除这种偏析的影响以及减小钢板轧后处理过程的内应力是减少微裂纹、提高探伤合格率的有效途径。

[1]廖键成. 金属学[M ]. 北京：冶金工业出版社，1994：245.

[2 ]孟庆刚，冯光宏，于桂玲，等. Q345E厚板在线探伤不合格的原因分析[J]. 材料热处理技术, 2010,(7):40-42.

CAUSES ANALYSIS AND DISCUSSION OF DISQUALIFICATION OF BRIDGE STEEL PLATE IN ULTRASONIC INSPECTION

Wang Futong

(The technology centre of Jinan Iron and Steel Co., Ltd)

The tensile fracture morphology, inclusions and microstructure were studied by means of SEM,EDS and microscopes to find the reasons for defects in flow detection of Q420qE. The analysis results showed that there are MnS, aggregation of trace elements and banded bainite in the center of the plate. The inner cracks are caused by heat stress, structural stress and aggregation of harmful elements, which cause the defects in flow detection.

Q420qE steel plateultrasonic inspectionmicrostructurecenter segregationinclusion

2016—1—27

联系人：王福同，工程师，山东.济南(250101),山东钢铁股份有限公司济南分公司技术中心；