探傷缺陷對Q550鋼板性能影響分析

蘇春霞 ，陳本文 ，劉璇 ，周洪慶 ，孫明君 ，張凱 ，李松柏

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

中厚規格鋼板被廣泛應用于橋梁、海上石油平臺、核電、大型輪船等工程項目，其內部質量直接關系著這些項目的安全性和可靠性。隨著鋼板厚度的增加，為保證產品質量，用戶除要求外觀質量和力學性能外，還要保證鋼板內部質量，需要采用超聲波探傷檢驗，即利用超聲波在不同的介質中的聲阻抗不同，穿過鋼板后透射率、反射率也不同，從而通過反映在探傷示波儀上的波形來判斷鋼板內部質量。國內鋼廠主要采用直射波超聲波探傷，可發現的鋼板缺陷類型有兩種，一是單純的非金屬夾雜物類探傷缺陷，形成原因是鋼水中的非金屬夾雜物、氣體未及時排除，殘留在鋼中，或者連鑄過程保護渣卷入鋼中，夾雜缺陷疊加后，會使超聲波衰減，底波降低，產生探傷缺陷；二是裂紋類探傷缺陷，形成原因是鑄坯遺傳的疏松、偏析缺陷較嚴重，疏松缺陷在鑄坯加熱軋制后未被壓合形成微裂紋，偏析類缺陷在鑄坯緩冷或鋼板緩冷時會產生較大熱應力和組織應力，在兩種應力綜合作用下，鋼板內部會產生裂紋［1-4］。

國內鋼廠采用最多的探傷標準是GB/T 2970《厚鋼板超聲波檢驗方法》，GB/T 2970最嚴格的Ⅰ級不允許存在指示長度≥80 mm的單個缺陷，即單個缺陷長度＜80 mm判定合格。近年來國內對工程質量要求日趨嚴格，現有探傷指標已不能滿足精品工程建設要求，很多用戶提出在國家標準基礎上制定超聲波探傷更加嚴格的內控標準。目前還未見到何種類型或何種尺寸缺陷會對鋼板力學性能和使用壽命產生影響的相關報道，未找到內控標準加嚴的數據支持。本文選用Q550鋼為研究對象，針對兩種類型探傷缺陷，通過低倍、金相、掃描電鏡、力學和疲勞極限等檢驗，分析不同尺寸探傷缺陷對鋼板力學性能和疲勞極限的影響，為制定合理探傷內控標準提供依據。

1 試驗材料及檢驗方法

1.1 試驗材料

在鞍鋼4300 mm寬厚板軋機上，選用規格為230 mm×1 550 mm×3 000 mm的Q550鋼連鑄板坯119塊，采用高溫、慢輥速、大壓下的工藝軋制成20 mm×2 400 mm×20 000 mm鋼板，試驗鋼化學成分見表1。

表1 試驗鋼化學成分（質量分數） %

軋后鋼板按GB/T2970-2004《厚鋼板超聲波檢驗方法》Ⅰ級進行探傷，有2張鋼板探傷不合格，在鋼板厚度1/4至厚度1/2范圍內，發現指示長度≥80 mm的單個缺陷，缺陷波類型分別為夾雜和裂紋，在這兩張鋼板缺陷位置取樣，并標記缺陷尺寸，用于檢驗分析。

另外117張鋼板有5張超聲波探傷發現零星分布＜80 mm的夾雜或裂紋缺陷，缺陷在鋼板厚度1/4至厚度1/2范圍內。因潔凈鋼是一個相對概念，是產品質量指標，是隨裝備和生產工藝技術發展、鋼的級別和產品性能和用途而異的，完全潔凈的鋼是不存在的，完全沒有缺陷的鋼板也基本不存在［5］，所以按 GB/T2970-2004 標準Ⅰ級評價，這些鋼板均合格，在不影響鋼板定尺的情況下，在鋼板合格缺陷位置取樣，并標記缺陷尺寸，同時在鋼板無缺陷位置取對比試樣，用于檢驗分析。

1.2 檢驗方法

針對不同尺寸夾雜和裂紋探傷缺陷分別進行檢驗，同時檢驗鋼板無缺陷位置，進行對比分析。切取20 mm×30 mm×200 mm橫向低倍試樣，按GB/T1979-2001《結構鋼低倍組織缺陷評級》標準，檢驗鋼板的疏松、偏析、裂紋及夾雜等情況。切取20 mm×20 mm×20 mm金相試樣，進行金相組織、裂紋觀察，掃描電鏡能譜分析，試樣的制備按GB/T13298-1991標準執行、金相檢驗在Leica DMIRM型金相顯微鏡上進行，掃能電鏡能譜分析在Quanta400掃描電子顯微鏡下進行。切取沖擊、拉伸和疲勞試樣，沖擊試樣加工成V型缺口，試樣規格 10 mm×10 mm×55 mm，檢驗方法按 GB/T229-2007標準執行；拉伸試樣采用φ10 mm圓拉力，試樣規格及檢驗方法按GB/T228.1-2010標準執行；疲勞試樣規格為20 mm×30 mm×300 mm，檢驗方法按GB/T 3075-2008標準執行。

2 試驗結果及分析

2.1 夾雜缺陷對鋼板性能影響

鋼板低倍夾雜物缺陷照片見圖1，金相檢驗見圖2，掃描電鏡能譜分析結果見圖3。結合3組圖片，發現夾雜成分主要為Ca、Si、Al等元素的氧化物復合夾雜，這些夾雜物疊加后，會使超聲波衰減，底波降低，出現缺陷波形［3］。

圖1 夾雜缺陷低倍照片

檢驗單個缺陷長度分別約為5 mm，15 mm，25 mm，40 mm，70 mm 和＞80 mm 試樣的力學性能和疲勞極限并與無缺陷試樣對比，缺陷位置均在鋼板厚度1/4至厚度1/2范圍內。為了不破壞缺陷形貌，避免夾雜缺陷在試樣加工過程脫落，試樣均采用線切割方式切取，檢驗結果見表2。

圖2 夾雜金相及掃描圖片

圖3 掃描電鏡能譜分析

表2 力學性能和疲勞極限

鋼板的屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率、沖擊功和疲勞極限這六項性能指標均隨著單個缺陷長度的增加而下降。其中屈服強度、抗拉強度和沖擊吸收能量下降趨勢較緩，單個缺陷長度大于80 mm時仍滿足技術指標要求，且有一定的富裕量。延伸率和斷面收縮率下降趨勢稍明顯，當單個缺陷長度超過40 mm時，已不能滿足技術指標要求。下降最明顯的是疲勞極限，這個試驗是模擬鋼板在交變載荷作用下發生破壞的周次，是對比評價鋼板使用壽命的指標，無缺陷試樣的疲勞極限約30萬周次，單個缺陷長度為5 mm，15 mm和30 mm試樣的疲勞極限分別約為29萬、25萬和25萬周次，對比無缺陷試樣未發生明顯下降，但單個缺陷長度為40 mm，70 mm和＞80 mm試樣的疲勞極限分別約為12萬、7萬和4萬周次，對比無缺陷試樣，試驗結果發生陡降，說明當單個缺陷長度超過40 mm時，對鋼板使用壽命造成影響。

通過對本次生產存在探傷缺陷的7張鋼板生產過程進行追溯，發現探傷有缺陷鋼板均由連鑄每澆次最后一塊鑄坯軋制，本次生產夾雜類缺陷產生原因是連鑄末期拉坯速度從規定的1.3～1.5 m/min提升到1.8 m/min，拉坯速度過快使結晶器液面波動，保護渣卷入鋼中。

2.2 裂紋缺陷對鋼板性能影響

鋼板低倍裂紋缺陷照片見圖4，鋼板酸浸試片的中心部位呈現腐蝕較深的暗色條紋，形成原因是鋼液凝固過程中，由于選分結晶的影響及連鑄坯中心部位冷卻較慢而造成的成分偏析，是中心偏析的典型特征。

對中心成分偏析部位進行金相組織檢驗，結果見圖5，鋼板心部存在組織偏析，白色條帶為貧碳和合金元素的鐵素體，黑色條帶為富碳和合金元素的珠光體、貝氏體帶，黑色條帶上有裂紋存在。產生的原因是鋼板軋制時奧氏體晶粒被延伸拉長，冷卻到略低于Ar3溫度時，沿被拉長的奧氏體晶界首先析出了貧碳的先共析鐵素體，逐步連成鐵素體帶，而鐵素體兩側富碳區則隨后轉為珠光體帶［6-7］，在碳和合金元素偏析較重的部位甚至出現貝氏體，幾種組織形成過程中，由于比容變化不同，變形程度也不相同，形成了較大的組織應力，并且富碳區中幾種組織與貧碳區的鐵素體組織相比，塑性和韌性較差，導致裂紋缺陷的形成和發展。

圖4 裂紋缺陷低倍照片

圖5 中心缺陷鋼板組織

檢驗單個缺陷長度分別約為5 mm，15 mm，25 mm，40 mm，70 mm和＞80 mm試樣的力學性能和疲勞極限并與無缺陷試樣對比，，缺陷在試樣中的位置均在鋼板厚度1/4至厚度1/2范圍內，為不破壞缺陷形貌，拉伸，沖擊和疲勞試樣均采用線切割方式切取，檢驗結果見表3。

鋼板的屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率未隨單個缺陷長度的增加而下降，這四項指標均滿足技術要求且有一定富裕量。沖擊功隨著單個缺陷長度的增加緩慢下降，但單個缺陷長度大于80 mm時仍滿足技術指標要求，且有一定的富裕量。隨單個缺陷長度增加發生明顯下降的是疲勞極限，無缺陷試樣的疲勞極限約29萬周次，單個缺陷長度為5 mm，15 mm和30 mm試樣的疲勞極限分別約為29萬、23萬和22萬周次，對比無缺陷試樣未發生明顯下降，但單個缺陷長度為40 mm，70 mm和＞80 mm試樣的疲勞極限分別約為10萬、2萬和3萬周次，對比無缺陷試樣，試驗結果發生陡降，說明當單個缺陷長度超過40 mm時，對鋼板使用壽命造成影響。

通過對本次生產存在探傷裂紋缺陷鋼板生產過程進行追溯，發現缺陷鋼板均由連鑄每澆次最后一塊鑄坯軋制，裂紋類缺陷產生原因是連鑄坯末期輕壓下量從規定的3 mm減少到1 mm，輕壓下的作用是減輕鑄坯中心偏析，輕壓下量降低到1 mm必然使中心偏析缺陷嚴重，鑄坯緩冷或鋼板緩冷過程中偏析處組織轉變不均勻，會產生較大組織應力，形成裂紋缺陷。

表3 力學性能和疲勞極限

3 應對措施及效果

通過試驗研究發現，第一類缺陷對鋼的各項性能均有不利影響，尤其對延伸率、斷面收縮率和疲勞極限影響最大；第二類缺陷對鋼的沖擊功有不利影響，對疲勞極限影響最大。

針對夾雜類和裂紋類探傷缺陷產生原因及不同尺寸缺陷對鋼板性能影響，將國家標準規定的不允許存在指示長度≥80 mm單個缺陷加嚴到25 mm，再嚴格按表4中的常規工藝參數進行控制，并將連鑄每澆次最后2.5 m連鑄坯切除報廢。監控了后續428塊連鑄坯軋制鋼板探傷情況，合格率由改進前的98.3%提升到99.8%。

表4 工藝技術參數對比

4 結論

（1）夾雜類缺陷對鋼板的屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率、沖擊功和疲勞極限這六項性能指標均有不利影響；裂紋類缺陷對鋼板沖擊功和疲勞極限這兩項性能指標有不利影響。共同規律是單個缺陷長度在25 mm以下時，各項性能均能滿足技術指標要求，且有一定富裕量，當單個缺陷長度在40 mm左右時，鋼板的疲勞極限等指標下降明顯，特別是單個缺陷長度在70 mm左右時，鋼板的疲勞極限與無缺陷試樣相比下降了一個數量級。

（2）為保證精品工程要求，在國家標準基礎上加嚴了超聲波探傷內控標準，規定不允許存在指示長度≥25 mm的單個缺陷。按照規定，嚴格控制后續生產工藝參數波動，并將連鑄每澆次最后2.5 m連鑄坯切除報廢。后續連鑄坯軋制鋼板探傷合格率由改進前的98.3%提升到99.8%。