蘇春霞 ，陳本文 ，劉璇 ，周洪慶 ，孫明君 ，張凱 ，李松柏

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

中厚規(guī)格鋼板被廣泛應(yīng)用于橋梁、海上石油平臺(tái)、核電、大型輪船等工程項(xiàng)目，其內(nèi)部質(zhì)量直接關(guān)系著這些項(xiàng)目的安全性和可靠性。隨著鋼板厚度的增加，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，用戶除要求外觀質(zhì)量和力學(xué)性能外，還要保證鋼板內(nèi)部質(zhì)量，需要采用超聲波探傷檢驗(yàn)，即利用超聲波在不同的介質(zhì)中的聲阻抗不同，穿過(guò)鋼板后透射率、反射率也不同，從而通過(guò)反映在探傷示波儀上的波形來(lái)判斷鋼板內(nèi)部質(zhì)量。國(guó)內(nèi)鋼廠主要采用直射波超聲波探傷，可發(fā)現(xiàn)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(shí)排除，殘留在鋼中，或者連鑄過(guò)程保護(hù)渣卷入鋼中，夾雜缺陷疊加后，會(huì)使超聲波衰減，底波降低，產(chǎn)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(yán)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(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，在兩種應(yīng)力綜合作用下，鋼板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂紋［1-4］。

國(guó)內(nèi)鋼廠采用最多的探傷標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 2970《厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法》，GB/T 2970最嚴(yán)格的Ⅰ級(jí)不允許存在指示長(zhǎng)度≥80 mm的單個(gè)缺陷，即單個(gè)缺陷長(zhǎng)度＜80 mm判定合格。近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)工程質(zhì)量要求日趨嚴(yán)格，現(xiàn)有探傷指標(biāo)已不能滿足精品工程建設(shè)要求，很多用戶提出在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上制定超聲波探傷更加嚴(yán)格的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。目前還未見(jiàn)到何種類型或何種尺寸缺陷會(huì)對(duì)鋼板力學(xué)性能和使用壽命產(chǎn)生影響的相關(guān)報(bào)道，未找到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)的數(shù)據(jù)支持。本文選用Q550鋼為研究對(duì)象，針對(duì)兩種類型探傷缺陷，通過(guò)低倍、金相、掃描電鏡、力學(xué)和疲勞極限等檢驗(yàn)，分析不同尺寸探傷缺陷對(duì)鋼板力學(xué)性能和疲勞極限的影響，為制定合理探傷內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及檢驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

在鞍鋼4300 mm寬厚板軋機(jī)上，選用規(guī)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(yàn)鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

軋后鋼板按GB/T2970-2004《厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法》Ⅰ級(jí)進(jìn)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)指示長(zhǎng)度≥80 mm的單個(gè)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(biāo)記缺陷尺寸，用于檢驗(yàn)分析。

另外117張鋼板有5張超聲波探傷發(fā)現(xiàn)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(nèi)。因潔凈鋼是一個(gè)相對(duì)概念，是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，是隨裝備和生產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā)展、鋼的級(jí)別和產(chǎn)品性能和用途而異的，完全潔凈的鋼是不存在的，完全沒(méi)有缺陷的鋼板也基本不存在［5］，所以按 GB/T2970-2004 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)，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(biāo)記缺陷尺寸，同時(shí)在鋼板無(wú)缺陷位置取對(duì)比試樣，用于檢驗(yàn)分析。

1.2 檢驗(yàn)方法

針對(duì)不同尺寸夾雜和裂紋探傷缺陷分別進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)檢驗(yàn)鋼板無(wú)缺陷位置，進(jìn)行對(duì)比分析。切取20 mm×30 mm×200 mm橫向低倍試樣，按GB/T1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行、金相檢驗(yàn)在Leica DMIRM型金相顯微鏡上進(jìn)行，掃能電鏡能譜分析在Quanta400掃描電子顯微鏡下進(jìn)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(guī)格 10 mm×10 mm×55 mm，檢驗(yàn)方法按 GB/T229-2007標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；拉伸試樣采用φ10 mm圓拉力，試樣規(guī)格及檢驗(yàn)方法按GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；疲勞試樣規(guī)格為20 mm×30 mm×300 mm，檢驗(yàn)方法按GB/T 3075-2008標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 夾雜缺陷對(duì)鋼板性能影響

鋼板低倍夾雜物缺陷照片見(jiàn)圖1，金相檢驗(yàn)見(jiàn)圖2，掃描電鏡能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)合3組圖片，發(fā)現(xiàn)夾雜成分主要為Ca、Si、Al等元素的氧化物復(fù)合夾雜，這些夾雜物疊加后，會(huì)使超聲波衰減，底波降低，出現(xiàn)缺陷波形［3］。

圖1 夾雜缺陷低倍照片

檢驗(yàn)單個(gè)缺陷長(zhǎng)度分別約為5 mm，15 mm，25 mm，40 mm，70 mm 和＞80 mm 試樣的力學(xué)性能和疲勞極限并與無(wú)缺陷試樣對(duì)比，缺陷位置均在鋼板厚度1/4至厚度1/2范圍內(nèi)。為了不破壞缺陷形貌，避免夾雜缺陷在試樣加工過(guò)程脫落，試樣均采用線切割方式切取，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(xué)性能和疲勞極限

鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、沖擊功和疲勞極限這六項(xiàng)性能指標(biāo)均隨著單個(gè)缺陷長(zhǎng)度的增加而下降。其中屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量下降趨勢(shì)較緩，單個(gè)缺陷長(zhǎng)度大于80 mm時(shí)仍滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且有一定的富裕量。延伸率和斷面收縮率下降趨勢(shì)稍明顯，當(dāng)單個(gè)缺陷長(zhǎng)度超過(guò)40 mm時(shí)，已不能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。下降最明顯的是疲勞極限，這個(gè)試驗(yàn)是模擬鋼板在交變載荷作用下發(fā)生破壞的周次，是對(duì)比評(píng)價(jià)鋼板使用壽命的指標(biāo)，無(wú)缺陷試樣的疲勞極限約30萬(wàn)周次，單個(gè)缺陷長(zhǎng)度為5 mm，15 mm和30 mm試樣的疲勞極限分別約為29萬(wàn)、25萬(wàn)和25萬(wàn)周次，對(duì)比無(wú)缺陷試樣未發(fā)生明顯下降，但單個(gè)缺陷長(zhǎng)度為40 mm，70 mm和＞80 mm試樣的疲勞極限分別約為12萬(wàn)、7萬(wàn)和4萬(wàn)周次，對(duì)比無(wú)缺陷試樣，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生陡降，說(shuō)明當(dāng)單個(gè)缺陷長(zhǎng)度超過(guò)40 mm時(shí)，對(duì)鋼板使用壽命造成影響。

通過(guò)對(duì)本次生產(chǎn)存在探傷缺陷的7張鋼板生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行追溯，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)夾雜類缺陷產(chǎn)生原因是連鑄末期拉坯速度從規(guī)定的1.3～1.5 m/min提升到1.8 m/min，拉坯速度過(guò)快使結(jié)晶器液面波動(dòng)，保護(hù)渣卷入鋼中。

2.2 裂紋缺陷對(duì)鋼板性能影響

鋼板低倍裂紋缺陷照片見(jiàn)圖4，鋼板酸浸試片的中心部位呈現(xiàn)腐蝕較深的暗色條紋，形成原因是鋼液凝固過(guò)程中，由于選分結(jié)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(duì)中心成分偏析部位進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)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(chǎn)生的原因是鋼板軋制時(shí)奧氏體晶粒被延伸拉長(zhǎng)，冷卻到略低于Ar3溫度時(shí)，沿被拉長(zhǎng)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(cè)富碳區(qū)則隨后轉(zhuǎn)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(xiàn)貝氏體，幾種組織形成過(guò)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(yīng)力，并且富碳區(qū)中幾種組織與貧碳區(qū)的鐵素體組織相比，塑性和韌性較差，導(dǎo)致裂紋缺陷的形成和發(fā)展。

圖4 裂紋缺陷低倍照片

圖5 中心缺陷鋼板組織

檢驗(yàn)單個(gè)缺陷長(zhǎng)度分別約為5 mm，15 mm，25 mm，40 mm，70 mm和＞80 mm試樣的力學(xué)性能和疲勞極限并與無(wú)缺陷試樣對(duì)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(nèi)，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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率未隨單個(gè)缺陷長(zhǎng)度的增加而下降，這四項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求且有一定富裕量。沖擊功隨著單個(gè)缺陷長(zhǎng)度的增加緩慢下降，但單個(gè)缺陷長(zhǎng)度大于80 mm時(shí)仍滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且有一定的富裕量。隨單個(gè)缺陷長(zhǎng)度增加發(fā)生明顯下降的是疲勞極限，無(wú)缺陷試樣的疲勞極限約29萬(wàn)周次，單個(gè)缺陷長(zhǎng)度為5 mm，15 mm和30 mm試樣的疲勞極限分別約為29萬(wàn)、23萬(wàn)和22萬(wàn)周次，對(duì)比無(wú)缺陷試樣未發(fā)生明顯下降，但單個(gè)缺陷長(zhǎng)度為40 mm，70 mm和＞80 mm試樣的疲勞極限分別約為10萬(wàn)、2萬(wàn)和3萬(wàn)周次，對(duì)比無(wú)缺陷試樣，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生陡降，說(shuō)明當(dāng)單個(gè)缺陷長(zhǎng)度超過(guò)40 mm時(shí)，對(duì)鋼板使用壽命造成影響。

通過(guò)對(duì)本次生產(chǎn)存在探傷裂紋缺陷鋼板生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行追溯，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生原因是連鑄坯末期輕壓下量從規(guī)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(yán)重，鑄坯緩冷或鋼板緩冷過(guò)程中偏析處組織轉(zhuǎn)變不均勻，會(huì)產(chǎn)生較大組織應(yīng)力，形成裂紋缺陷。

表3 力學(xué)性能和疲勞極限

3 應(yīng)對(duì)措施及效果

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，第一類缺陷對(duì)鋼的各項(xiàng)性能均有不利影響，尤其對(duì)延伸率、斷面收縮率和疲勞極限影響最大；第二類缺陷對(duì)鋼的沖擊功有不利影響，對(duì)疲勞極限影響最大。

針對(duì)夾雜類和裂紋類探傷缺陷產(chǎn)生原因及不同尺寸缺陷對(duì)鋼板性能影響，將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不允許存在指示長(zhǎng)度≥80 mm單個(gè)缺陷加嚴(yán)到25 mm，再嚴(yán)格按表4中的常規(guī)工藝參數(shù)進(jìn)行控制，并將連鑄每澆次最后2.5 m連鑄坯切除報(bào)廢。監(jiān)控了后續(xù)428塊連鑄坯軋制鋼板探傷情況，合格率由改進(jìn)前的98.3%提升到99.8%。

表4 工藝技術(shù)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

（1）夾雜類缺陷對(duì)鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、沖擊功和疲勞極限這六項(xiàng)性能指標(biāo)均有不利影響；裂紋類缺陷對(duì)鋼板沖擊功和疲勞極限這兩項(xiàng)性能指標(biāo)有不利影響。共同規(guī)律是單個(gè)缺陷長(zhǎng)度在25 mm以下時(shí)，各項(xiàng)性能均能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且有一定富裕量，當(dāng)單個(gè)缺陷長(zhǎng)度在40 mm左右時(shí)，鋼板的疲勞極限等指標(biāo)下降明顯，特別是單個(gè)缺陷長(zhǎng)度在70 mm左右時(shí)，鋼板的疲勞極限與無(wú)缺陷試樣相比下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

（2）為保證精品工程要求，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上加嚴(yán)了超聲波探傷內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定不允許存在指示長(zhǎng)度≥25 mm的單個(gè)缺陷。按照規(guī)定，嚴(yán)格控制后續(xù)生產(chǎn)工藝參數(shù)波動(dòng)，并將連鑄每澆次最后2.5 m連鑄坯切除報(bào)廢。后續(xù)連鑄坯軋制鋼板探傷合格率由改進(jìn)前的98.3%提升到99.8%。