陳 瑋，朱叢茂，付勇濤

（武漢鋼鐵有限公司，湖北 武漢 430080）

1 前言

容器、橋梁、船舶等大型承壓結(jié)構(gòu)所采用的中厚板需要進(jìn)行探傷檢測(cè)，以評(píng)價(jià)內(nèi)部質(zhì)量。防止在承壓過(guò)程中，由于內(nèi)部缺陷而產(chǎn)生失效。合金結(jié)構(gòu)鋼10CrNi3MoV作為大型船舶承壓結(jié)構(gòu)用鋼，探傷合格是交貨的必要條件之一，然而該鋼經(jīng)常由于探傷不合而影響交付。

為了保障合金結(jié)構(gòu)鋼10CrNi3MoV的交貨周期，提高實(shí)際生產(chǎn)的性能合格率，有必要對(duì)該鋼的探傷不合原因進(jìn)行分析。魏立國(guó)等人對(duì)探傷進(jìn)行了研究［1-3］，均表明當(dāng)鋼板內(nèi)部存在較多的夾雜時(shí)，如P、S元素含量較高時(shí)，鋼板易出現(xiàn)探傷不合。但目前冶金質(zhì)量提升，即使10CrNi3MoV鋼在P、S含量均較低，夾雜物控制在較低水平時(shí)，也發(fā)生探傷不合，因此需要對(duì)該情況下的探傷不合原因進(jìn)行分析和研究。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼10CrNi3MoV化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)鋼轉(zhuǎn)爐冶煉經(jīng)連鑄澆鑄，澆鑄過(guò)熱度為15℃，連鑄扇形段電磁攪拌采用零段和2段電攪，電流為800 A。切割后的鑄坯經(jīng)加熱、4 300寬厚板軋機(jī)軋制成厚度為14 mm和28 mm鋼板。鋼板冷卻至室溫后進(jìn)行探傷，對(duì)探傷不合格部位進(jìn)行取樣。采用OLYMPUS GX71顯微鏡對(duì)探傷不合格部位顯微組織進(jìn)行觀察，并采用FEI QUANTA 400掃描電鏡進(jìn)行微區(qū)組織和成分分析。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 探傷不合部位顯微組織

試驗(yàn)鋼10CrNi3MoV探傷不合部位顯微組織如圖1和圖2所示，夾雜物如圖3所示。14 mm鋼板夾雜物評(píng)級(jí)為B1、D0.5，28 mm鋼板夾雜物評(píng)級(jí)為D1，夾雜物控制較好。探傷不合部位顯微組織由貝氏體+鐵素體+珠光體組成，組織存在明顯的偏析條帶。14 mm厚鋼板貝氏體區(qū)域存在長(zhǎng)度約40 μm的裂紋，28 mm厚鋼板的貝氏體與珠光體交界處存在裂紋，裂紋處于距鋼板表面板厚1/4處。

圖1 14 mm鋼板探傷不合鋼板顯微組織

圖2 28 mm鋼板探傷不合鋼板顯微組織

圖3 試驗(yàn)鋼10CrNi3MoV夾雜物

3.2 探傷不合部位微區(qū)成分

試驗(yàn)鋼10CrNi3MoV探傷不合部位掃描電鏡組織及微區(qū)成分如圖4～圖6所示。裂紋發(fā)生處溶質(zhì)原子Ni、Cr、Mn發(fā)生明顯聚集，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常成分。隨著與裂紋處距離的增加，溶質(zhì)原子有降低趨勢(shì)，但Mn的偏析明顯，在遠(yuǎn)離裂紋處的鐵素體組織區(qū)域Mn元素含量比近距離處的珠光體組織高。Ni、Mn元素能顯著降低A1［4］，穩(wěn)定過(guò)冷奧氏體，在該元素高的區(qū)域，珠光體轉(zhuǎn)變被推遲，含Ni、Mn元素低的區(qū)域，滲碳體率先形核，生成鐵素體和滲碳體的混合物，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致碳元素向Ni、Mn元素含量低的區(qū)域擴(kuò)散。由于Ni、Mn元素的偏析，導(dǎo)致碳元素的偏析更趨嚴(yán)重。

圖4 裂紋處組織及成分

圖5 遠(yuǎn)離裂紋處珠光體組織及成分

圖6 遠(yuǎn)離裂紋處鐵素體組織及成分

Ni、Mn含量高區(qū)域在距離表面更近處，由于冷卻更快形成貝氏體組織，冷速不足處形成鐵素體組織。14 mm鋼板由于板厚較薄，鋼板軋制過(guò)程溫降較大，組織形成較多的貝氏體；28 mm鋼板因板厚較厚，表面溫降和心部溫降存在一定差異，導(dǎo)致距離鋼板表面的合金含量高處的組織形成貝氏體，靠近心部形成鐵素體。

靠近表面處的貝氏體組織與珠光體組織相連，且由于合金元素Ni、Mn的偏析導(dǎo)致的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中，貝氏體區(qū)域向珠光體區(qū)域排碳，導(dǎo)致貝氏體和珠光體組織間存在碳含量的差異，附加上組織上差異，從而形成兩相間存在較大的組織應(yīng)力。當(dāng)受到外力作用時(shí)，極易應(yīng)力釋放而發(fā)生開(kāi)裂。

28 mm鋼板裂紋發(fā)生在距鋼板表面板厚約1/4處，此處合金元素聚集，比鋼板心部合金含量高，形成負(fù)偏析帶。連鑄坯由于成分過(guò)冷作用，在冷卻過(guò)程中，溶質(zhì)原子向凝固前端排出，最終形成鑄坯表面到心部的成分偏析。

為了改善這種中心偏析，采用電磁攪拌［5］。在連鑄坯二次冷卻區(qū)域，通過(guò)電磁攪拌增加磁場(chǎng)對(duì)鋼液的切割，使鋼液產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而使成分更趨均勻。如果電磁攪拌作用過(guò)大，反而導(dǎo)致該區(qū)域由于鋼液的過(guò)快流動(dòng)并伴隨凝固，形成空隙，以致在凝固的最后，由于輕壓下的作用，使最后凝固的鋼液被擠壓到柱狀晶空隙［6］。試驗(yàn)鋼28 mm厚鋼板表層約1/4處溶質(zhì)原子聚集，此處正是鑄坯表面已經(jīng)形成激冷層后，扇形段電磁攪拌作用的柱狀晶區(qū)域，溶質(zhì)原子在此處聚集說(shuō)明，電磁攪拌作用過(guò)大，同時(shí)由于鋼水過(guò)冷度低，柱狀晶區(qū)迅速形成，并在此區(qū)域內(nèi)形成空隙，最后凝固的鋼液在動(dòng)態(tài)輕壓下及鑄坯收縮的作用下，被擠入柱狀晶區(qū)空隙處，從而形成此區(qū)域溶質(zhì)成分高于心部的負(fù)偏析效應(yīng)。鋼液流動(dòng)過(guò)快在迅速冷卻過(guò)程中形成收縮空洞，在隨后的軋制過(guò)程中，成為微細(xì)裂紋。

綜上所述，為了消除此類裂紋引起的探傷不合，避免形成組織上的偏析和在柱狀晶區(qū)形成空隙是控制的關(guān)鍵所在，因此應(yīng)調(diào)整電磁攪拌的功率，減小鋼液流動(dòng)的速度，同時(shí)適度控制鋼水過(guò)熱度，不宜過(guò)高或過(guò)低，適當(dāng)增大二冷區(qū)冷卻速度［6］。

4 結(jié)論

4.1試驗(yàn)鋼10CrNi3MoV探傷不合的原因是內(nèi)部存在裂紋。探傷不合部位顯微組織由貝氏體+鐵素體+珠光體組成，組織存在明顯的偏析條帶。14 mm厚鋼板裂紋發(fā)生在貝氏體組織區(qū)域，28 mm厚鋼板的裂紋發(fā)生在貝氏體與珠光體交界處，裂紋處于距鋼板表面板厚1/4處。

4.2裂紋發(fā)生處溶質(zhì)原子Ni、Cr、Mn發(fā)生明顯聚集。隨著與裂紋處距離的增加，溶質(zhì)原子有降低趨勢(shì)，但Mn的偏析明顯，在遠(yuǎn)離裂紋處的鐵素體組織區(qū)域Mn元素含量比較近距離處的珠光體組織高。由于Ni、Mn元素的偏析，導(dǎo)致碳元素的偏析更趨嚴(yán)重，并形成組織上的貝氏體、珠光體和鐵素體偏析條帶，造成較大的組織內(nèi)應(yīng)力。

4.3溶質(zhì)原子在距鋼板表面約1/4處聚集的由電磁攪拌和輕壓下的共同作用引起，為了消除此類現(xiàn)象，應(yīng)降低電磁攪拌的功率，選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)熱度，增加二冷區(qū)冷卻速度。