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檢驗中出現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品進行系統性分析，發現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。為改善橋梁鋼產品質量提供技術支持，明確改進方向，提高產品合格率，增加生產效益。

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，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，發現沿著軋制方向分布的裂紋，裂紋呈斷續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光學顯微鏡觀察發現：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個截面金相組織發現：整個開裂區域存在嚴重帶狀偏析組織，帶狀偏析區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，夾雜與基體聯結處存在微裂紋（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分析，明確了產生開裂的原因是：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，使偏析嚴重區域產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量顯著增加[1]。TiN為立方晶系，呈有規則的幾何形狀，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性，尤其是當數量較多，呈聚集分布時，其危害程度更甚，必須嚴格控制。

（3）鋼從奧氏體狀態快冷，抑制其擴散性分解，在較低溫度下（低于MS）發生的轉變為馬氏體轉變，主要有板條馬氏體和片狀馬氏體2種最常見的形態。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域出現大量片狀馬氏體，在回火熱應力的作用下，馬氏體區域微裂紋擴展形成斷續成片的心部開裂區域。

4 結論及措施

4.1 橋梁鋼心部裂紋產生的主要原因

（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夾雜的產生，控制鋼中氮的存在。

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