橋梁用鋼板探傷不合原因分析與探討

王福同

(山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司)

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橋梁用鋼板探傷不合原因分析與探討

王福同

(山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司)

通過低倍檢查、金相顯微鏡、掃描電鏡以及能譜儀等檢測手段對鋼板拉伸斷口形貌、夾雜物和顯微組織進行觀察和分析，研究Q420qE鋼板探傷不合的原因。分析發現，鋼板厚度中心區域珠光體帶中存在著硫化物、微量元素偏聚及貝氏體組織；在熱應力、組織應力和有害元素偏聚的共同作用下，引發內部微裂紋從而導致Q420qE鋼板探傷不合。

Q420qE鋼板超聲波探傷顯微組織中心偏析夾雜物

0　引言

隨著國內基礎設施的進一步深入發展以及“一帶一路”戰略的實施，先行的交通基礎設施互聯互通，被具體化為口岸高速公路、跨境鐵路等領域的聯通建設。這將推動橋梁用鋼消費的增長并對橋梁結構的安全可靠性提出越來越高的要求，進而對制作橋梁構件的鋼板質量也提出了更高的要求；其中，提高橋梁用鋼板的超聲波探傷合格率是企業急需解決的質量問題之一。為此，結合超聲波探傷檢驗不合的橋梁鋼板Q420qE，通過各種實驗室研究手段進行了原因分析和探討。

濟鋼軋鋼廠生產Q420qE鋼板工藝流程：KR鐵水預處理→210 t轉爐冶煉→LF+RH精煉→CCM連鑄→加熱→高壓水除鱗→4300 mm雙機架軋制→矯直→冷卻→探傷檢驗。采用250 mm厚的鋼坯軋制一批60 mm厚Q420qE鋼板的探傷合格率79.4%，且超聲波探傷儀顯示探傷缺陷位置幾乎全部出現于厚度方向并集中在厚度的中心部位，因此對該鋼板進行了解剖分析研究。

1　試驗材料和項目

1.1試驗材料

試樣從在線超聲波探傷不合格的鋼板中選取，對試樣鋼板進行人工超聲波復檢，準確標定鋼板內部缺陷位置。加工成各項檢驗所需的小試樣, 進行詳細檢測和分析。試樣進行低倍酸浸、金相檢驗、夾雜物評級、Z向拉伸和掃描電鏡結合能譜儀分析。

1.2鋼板低倍檢驗分析

將切取的試樣沿全厚度方向進行熱酸洗腐蝕，從鋼板熱酸浸低倍試樣照片上可以看到,在鋼板厚度中心區域可以看到較為明顯的中心偏析黑線,心部缺陷帶連續，呈細長條狀，鋼板厚度中心區域發現細微裂紋，裂紋走向趨勢接近于直線。裂紋最寬處約0.2 mm，其長度為幾個毫米不等，局部出現連續狀,如圖1所示。

圖160 mm厚Q420qE鋼板低倍照片

1.3金相組織檢驗分析以及夾雜物評級

在探傷不合處切取縱向金相試樣，未腐蝕前對試樣進行夾雜物評級，如圖2所示。鋼板心部視場夾雜物評級A類2.0級～2.5級、D類0.5級。心部硫化物類型夾雜物呈斷續細長條狀，中心區域比較嚴重，局部出現連續狀。

圖260 mm厚Q420qE鋼板夾雜物照片

試樣經腐蝕后的金相照片如圖3所示。鋼板厚度中心區域探傷缺陷嚴重的心部顯微組織為鐵素鐵+珠光體+少量貝氏體，心部晶粒粗大，帶狀組織中黑色珠光體帶比較明顯，且珠光體帶連續貫通、有少量貝氏體硬相組織。中心探傷缺陷位置存在塑性夾雜物和2 μm以下微裂紋，裂紋呈連續長條狀, 且貝氏體內也發現有微裂紋，并沿珠光體帶的長軸方向擴展。

圖360 mm厚Q420qE鋼板金相照片

1.4心部金相裂紋處掃描電鏡及能譜分析

利用掃描電鏡結合能譜儀，對探傷不合格處金相試樣做掃描電鏡,在掃描電鏡下的顯微組織形貌表明，裂紋是形成鋼板探傷不合的主要原因。從圖4裂紋能譜圖中可以明顯看出，裂紋出現于片層狀珠光體組織中，并擴展出現于心部的貝氏體組織，貝氏體組織強度高、脆性大，相變應力大，是造成鋼板在冷卻過程中沿鋼板內部薄脆弱處開裂的原因之一。

圖4中兩個位置的能譜分析結果見表1。[1]、[2]位置[S]、[Mn]含量均較高，應為MnS類型夾雜物，MnS塑性夾雜物在鋼板軋制過程中沿軋制方向被拉長，在夾雜物密集處會形成帶狀夾雜物，夾雜物頂端易產生微裂紋形成裂紋源。

圖4金相掃描電鏡及能譜

1.5Z向拉伸斷口分析

Z向拉伸斷口電鏡宏觀形貌如圖5(a)所示。Z向斷口呈現局部韌窩的解理狀斷口，有輪廓清晰的臺階平面，沒有出現明顯的頸縮現象,為脆性斷裂，斷面收縮率不足5%，中心裂紋明顯。對圖5(b)中心裂紋及邊部區域進行電子探針掃描能譜分析，見圖6五個位置的能譜分析結果見表2。[2]、[3]、[4]位置為MnS類型夾雜物，夾雜物數量較多，[1]、[5]位置為夾雜物脫落后的鋼基體。

(a) 原形貌 (b) 局部放大

圖5Z向斷口宏觀照片

圖6　Z向斷口掃描電鏡及能譜

2　分析與討論

原始鑄坯中存在中心線偏析，這是由于選分結晶，溶質元素向液相區聚集，當柱狀晶生長形成搭橋現象時，富集溶質元素的鋼液被封閉而不能與其他液體交換，在該處使C、S、P、Mn元素在鑄坯中心富集以及夾雜物的偏聚而形成。鋼板中心成分富集偏析引起板厚中心區域CCT曲線向右移動，降低了貝氏體形成的臨界冷卻速度導致貝氏體的出現和珠光體含量的增加[1]。如果鑄坯加熱時沒有完全燒透，加上軋制過程單道次變形率偏低，將導致軋制過程心部變形不充分。在形變奧氏體冷卻過程中，中心部位容易形成過冷組織貝氏體和馬氏體組織，這些組織屬于硬相組織,它們容易與周圍的鐵素鐵+珠光體組織產生軟硬相之間的組織應力。

鑄坯中心偏析Mn、S元素形成的MnS塑性夾雜，由于MnS夾雜具有良好的熱塑性，因此在軋制過程中變形為MnS條狀夾雜物，一方面MnS塑性夾雜物與鋼基體的界面結合能低，在張應力的作用下容易萌生裂紋，另一方面MnS塑性夾雜物的尖端在應力作用下易產生應力集中引起開裂[2]。Q420qE鋼板基體組織是鐵素體-珠光體組織，偏析處在冷卻時組織轉變與正常組織不同。貝氏體組織硬度高，在變形過程中，塑性差的貝氏體組織將阻礙鐵素體區的變形，從而造成貝氏體、珠光體轉變引起的組織應力。由于Q420qE鋼板厚達60 mm表面和中心冷速不同造成熱應力，兩者共同作用，以MnS夾雜物為裂紋源而開裂，最終形成微裂紋。裂紋沿著MnS夾雜的邊沿擴展和在軟硬相界面進一步發展形成較長的裂紋，從而造成探傷不合,圖4中的電鏡照片也證明了這一點。

3　結論

(1)鋼板探傷不合主要是偏析和夾雜物共同造成的，Mn、S偏析而形成的MnS類型的塑性夾雜本身不引起探傷缺陷，鑄坯的中心線偏析是產生裂紋的內部條件。

(2)在軋后冷卻過程中，由于表層和中心冷卻速度存在差異，在鋼板內部容易產生熱應力；熱應力、組織應力和矯直過程中的張應力是裂紋形成的外部條件。

(3)在內外部條件的聯合作用下，鋼板冷卻速率超過某一臨界值時易在中心產生裂紋，裂紋擴展到一定長度最終導致超聲波探傷不合。

(4)減弱鑄坯的中心線偏析或者通過熱擴散作用消除這種偏析的影響以及減小鋼板軋后處理過程的內應力是減少微裂紋、提高探傷合格率的有效途徑。

[1]廖鍵成. 金屬學[M ]. 北京：冶金工業出版社，1994：245.

[2 ]孟慶剛，馮光宏，于桂玲，等. Q345E厚板在線探傷不合格的原因分析[J]. 材料熱處理技術, 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

聯系人：王福同，工程師，山東.濟南(250101),山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司技術中心；