中厚板分層缺陷分析

1、近來老有人打電話來，問“什么是鋼板的分層（夾層）”，敬請大家看博文中厚板質(zhì)量工程師手稿： 分層是鋼板（坯）斷面出現(xiàn)局部的縫隙，使鋼板斷面形成局部層狀，是鋼材中的一種致命性缺陷，鋼板不得有分層，見圖1。分層亦稱夾層、離層，是鋼材的內(nèi)部缺陷。鋼錠內(nèi)的氣泡、大塊的非金屬夾雜物、未完全切除的殘余縮孔或發(fā)生折疊,均可能引起鋼材的分層，而不太合理的軋制壓下規(guī)程又可能使分層加劇。圖1 鋼板分層 圖2 厚板局部分層 圖3 焊接后鋼板分層 圖4 加工后發(fā)現(xiàn)分層 根據(jù)產(chǎn)生原因的不同，分層所表現(xiàn)的部位形態(tài)也不同，有的隱藏在鋼材內(nèi)部，內(nèi)表面與鋼材表面平行或基本平行；也有的延伸到鋼材表面,又在鋼材表面形成溝紋狀的表面缺

2、陷。概括起來有2種形式： 第1種為開口型分層。這種分層缺陷在鋼材的斷口上宏觀就可發(fā)現(xiàn)，一般在鋼廠和制造廠里基本上能被復(fù)檢出來。 第2種為封閉型分層。這種分層缺陷在鋼材的斷口中看不到，在制造廠內(nèi)如果不進行逐張鋼板100%超聲波探傷，亦難以發(fā)現(xiàn)，它是一種處于鋼板內(nèi)部的封閉型分層。這種分層缺陷從冶煉廠帶到制造廠，最后被加工制造成產(chǎn)品出廠。分層缺陷的存在使分層區(qū)鋼板承受載荷的有效厚度減少，降低了與分層同方向受載的承載能力。分層缺陷的邊線形狀尖銳，對應(yīng)力作用非常敏感，會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在運行過程中若有反復(fù)的加載、卸載、升溫、降溫，就會在應(yīng)力集中區(qū)形成很大的交變應(yīng)力,以致造成應(yīng)力疲勞。 一、開口型分層

3、某廠生產(chǎn)的板材分層是開口型分層，見圖1鋼板分層。從鋼板的表面就可以分辨出來。不需要做實驗，圖1是某鋼廠發(fā)運到中南某大型物流企業(yè)的板材照片，屬于鋼廠漏檢產(chǎn)品，經(jīng)銷商提出質(zhì)量異議后，鋼廠直接報廢了，經(jīng)銷商按廢鋼價銷售給廢鋼企業(yè)使用。 1、 分層形貌見圖1。資料顯示與鋼種關(guān)系不大。 2、 分層原因分析圖5是正常的鑄坯凝固過程縱向斷面示意圖。 圖5 正常情況下鑄坯凝固過程縱向斷面示意圖 圖6 異常情況下鑄坯凝固過程縱向斷面示意圖 從圖6可以看見，A、B兩點造成鑄坯搭橋，在C點形成縮孔，產(chǎn)生中心線裂紋或中心疏松，軋制后可能出現(xiàn)分層缺陷。 二、封閉型分層 1、分層形貌某廠生產(chǎn)的板材分層是封閉型分層，這種分

4、層從鋼板的表面分辨不出來。只能從拉伸斷口以及超聲波探傷才能發(fā)現(xiàn)。對D級船板進行生產(chǎn)檢驗時,發(fā)現(xiàn)其中多個批號的拉伸試樣斷口有分層,且對應(yīng)的力學(xué)性能延伸率明顯偏低。拉伸試樣分層見圖7，鋼板切割后低倍發(fā)現(xiàn)分層圖8。 圖7 拉伸試樣分層形貌 圖8 鋼板切面分層形貌試樣的拉伸斷口均有明顯的層狀斷裂特征,分層沿著試樣的寬度方向(鋼板的縱向)近似平行分布。層區(qū)的斷口顏色為灰白色和淺灰色相間分布, 分層區(qū)以外的斷口宏觀形貌與正常斷口相同。2、 分層原因探討 1）鋼板超聲波探傷：鋼板拉伸斷口出現(xiàn)分層鋼板，對其進行超聲波探傷檢查，探區(qū)的全面積內(nèi)均有高低不一的斷續(xù)的缺陷波顯示,估計缺陷性質(zhì)為非金屬夾雜物引起的分層現(xiàn)

5、象。 2） 低倍分析通過對試樣直接做厚度方向的低倍分析，發(fā)現(xiàn)在試樣厚度方向的1/2處都存在著明顯的黑線或黑帶，說明中心存在中心偏析。3） 鋼板化學(xué)成分分析在上述試樣的1/4厚度處各取一個點和中心分層處取一個點進行鋼材化學(xué)成分分析,以檢驗鋼材內(nèi)非金屬含量和是否存在偏析現(xiàn)象。鋼材的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。CSiMnPS中心分層處9.3261.15147.4上表面9251.09105.07下表面8.9241.08115.22從表1可以看出無論是基體處,還是有硫化物集聚的偏析區(qū),鋼材的化學(xué)成分均符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求,但是對于Mn、P、S含量來說,鋼板中還存在著不同程度的成分偏析現(xiàn)象,發(fā)生分層處的Mn

6、、P、S的含量均高于其他地方。 4） 金相分析：對斷口進行高倍分析，結(jié)果表明存在晶間裂紋，見下圖。爐號規(guī)格軋制方式夾雜物金相組織晶粒度50mm待溫900度A1.5+D1F+P，P呈現(xiàn)條帶狀分布6-6.5 圖9 金相組織 圖10 晶間裂紋進一步作微觀分析，試樣的金相組織為鐵素體加珠光體，晶粒度為66.5級，在試樣的整個橫截面上硫化物夾雜分布很均勻,但在分層附近有大量明顯呈細條狀的硫化物夾雜。級別為3級。用3%的硝酸酒精腐蝕試樣表面,再用放大倍數(shù)為100的顯微鏡觀察,從中可以看出沿板厚方向存在明顯晶間裂紋和片狀硫化物夾雜。試樣拉伸時在鐵素體帶上密集分布的硫化物處產(chǎn)生大量微裂紋，同時超長鐵素體帶的變

7、形又受到阻礙，導(dǎo)致該處在試樣拉斷之前裂紋已經(jīng)貫通,最終在斷口上形成分層。因此，拉伸試驗斷口出現(xiàn)分層的又一個原因是試樣中存在密集分布的硫化物和超長的帶狀組織。3、采取措施針對某鋼鐵公司目前的實際情況，分析認(rèn)為，由于產(chǎn)生分層缺陷的鋼板對應(yīng)的為消除鋼板分層缺陷，提高鋼板質(zhì)量，需從煉鋼和軋制兩個方面做工作。煉鋼鈣化處理：由于分層鋼板處硫化物夾雜主要呈細條狀分布，因此，通過在精煉完畢后，喂Ca-Fe線對鋼水進行鈣化處理，促使夾雜物變性上浮，是目前減少鋼板分層的最主要措施。當(dāng)鋼液中鈣鋁比達到0.09時，氧化鋁夾雜物多變性為12CaO7Al2O3或與其成分相近的低熔點物質(zhì),有利于降低5m夾雜物的數(shù)量比例，使

8、鋼中夾雜物球化率提高，有利于夾雜上浮。加強終點控制：爐前操作上提高轉(zhuǎn)爐終點碳含量,降低鋼中全和自由氧含量,提高鋼的清潔度。降低PS含量,減少偏析傾向化學(xué)分析表明，偏析處磷硫及夾雜成分較高。因此必須在轉(zhuǎn)爐吹煉時低溫脫P、高溫脫S，擋渣出鋼和LF爐造渣脫S，盡量降低PS含量，減少偏析。提高鋼水鎮(zhèn)定時間：提高鋼水鎮(zhèn)定時間，促使夾雜物上浮排除，因此必須在喂線后確保5min以上的軟吹氬時間。優(yōu)化LF爐造渣工藝：LF爐加埋弧渣和Al丸（粉）造渣脫氧，加大LF爐精煉石灰用量,提高爐渣吸附夾雜能力。VD真空處理：由于厚板壓縮比小，鋼坯的頭部疏松在軋制過程中難以焊合。除降低鋼液中夾雜物外，減少氣體含量至關(guān)重要。

9、由于鋼中的氮將會使鋼的宏觀組織疏松，甚至?xí)a(chǎn)生皮下氣泡和偏析。因此通過VD真空處理，降低鋼中氣體含量，有利于大幅度提高鋼水質(zhì)量。2）軋制優(yōu)化軋制規(guī)程，增加壓縮比，采用橫縱軋，盡可能的通過軋制消除一部分內(nèi)部缺陷。鋼板分層主要與鋼板軋制過程中在板厚方向上形成的非金屬夾雜物(主要是硫化物和氧化物)的形狀以及鋼板冶煉過程中硫、磷出現(xiàn)中心偏析有關(guān)。如果沿板厚方向非金屬夾雜物被壓成薄片,出現(xiàn)片狀雜質(zhì)引起鋼板的分層(夾層)現(xiàn)象,則會使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化,急劇降低向延伸性和塑性指標(biāo)。分層是鋼材的質(zhì)量問題,是不允許存在而實際又可能存在的缺陷,要消除鋼板中的分層缺陷,除了從煉鋼和軋制兩個方面做工作，

10、提高鋼材內(nèi)部質(zhì)量外，一個最有效的方法就是對鋼板逐張進行100%的超聲波探傷,將缺陷消除在最初階段。案例1：上海某鋼結(jié)構(gòu)公司鋼板分層質(zhì)量異議上海某鋼結(jié)構(gòu)公司向某鋼鐵公司產(chǎn)品的Q390E鋼板40mm規(guī)格提出分層異議，某廠技術(shù)人員、探傷人員抵達上海處理質(zhì)量異議。圖11 Q390E鋼板40mm鋼板鋼板超聲波檢查發(fā)現(xiàn)，鋼板有較多的缺陷，但底波沒有下降或消失，因此鋼板內(nèi)部夾雜物多、鋼板無分層。圖12 鋼板缺陷波高、底波探傷圖用戶對鋼板厚度方向進行磁粉檢查及滲透檢查，發(fā)現(xiàn)鋼板沿1/2厚度處有明顯的偏析線。經(jīng)與用戶進行技術(shù)交流，認(rèn)為：1、鋼板無分層；2、在鋼板1/2厚度處夾雜物多，有明顯偏析線；3、鋼板按國家

11、標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591、GB3274為合格鋼板。4、連鑄坯生產(chǎn)的中厚板不可避免的存在偏析線。圖13 滲透檢查有偏析線圖14 磁粉檢查有偏析線附：分層的動態(tài)波形圖15 夾層波形圖案例2 華中某鋼結(jié)構(gòu)分層質(zhì)量異議情況華中某鋼結(jié)構(gòu)廠加工印度一家發(fā)電廠用的鋼結(jié)構(gòu)。某鋼廠為該客戶提供了兩批鋼板，第一批為80mm厚的Q345B大約200多噸，該批鋼板全部為保探傷，使用過程中未出現(xiàn)任何問題；第二批為50mm、55mm和60mm三個厚度規(guī)格的Q345B大約500多噸，該批次鋼板無探傷要求。武漢華電公司將某鋼廠的鋼板從中間切開后，將四塊鋼板進行拼焊成四方形立柱，焊接完成后，有一根立柱的鋼板（現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)分層缺陷的鋼板

12、有1塊，由于客戶要求發(fā)現(xiàn)缺陷部分立柱全部報廢，故涉及5塊鋼板）在焊接后23天后發(fā)出巨響，后到現(xiàn)場確認(rèn)發(fā)現(xiàn)有分層現(xiàn)象（如下圖）。用探傷儀對焊接后的鋼板進行了探傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述缺陷基本都出現(xiàn)距離邊部大約60mm范圍內(nèi)，對鋼板其它部位進行探傷檢測，發(fā)現(xiàn)有一定缺陷，但遠沒有邊部范圍那么嚴(yán)重。還對部分未經(jīng)過加工處理的鋼板進行了探傷檢查，發(fā)現(xiàn)部分鋼板內(nèi)存在比較嚴(yán)重的缺陷。為了進一步確認(rèn)缺陷可能帶來的危害，焊接專家提出通過焊補方式來挽救已經(jīng)加工完成的鋼結(jié)構(gòu)件方案，但客戶不同意，華中某鋼結(jié)構(gòu)廠堅持要報廢，只能做報廢處理。 鋼廠查煉鋼生產(chǎn)過程，出現(xiàn)缺陷鋼板為08年8月19日生產(chǎn)的A爐。未經(jīng)過真空和微合金化處理

13、，鋼包爐直接上臺，其它過程都比較正常。軋制方式為熱軋。出廠前進行探傷。圖16 裂紋圖經(jīng)專家分析，與鋼水直接上臺有關(guān)，偏析比較嚴(yán)重。因此保探傷鋼板進VD或RH爐進行抽真空處理為好。圖17 分層鋼板圖案例3 船板拉伸斷口分析各類金屬拉伸斷口是各不相同的，即使是同一材料也會出現(xiàn)各種不同的斷口。雖然在各種材料試驗規(guī)范中，對拉伸斷口的評定沒有明文規(guī)定，但試樣的斷口進行評定，有助于評定材料的質(zhì)量及發(fā)現(xiàn)材料的特殊缺陷，如材料出的斷口分層、夾雜等，組織形態(tài)不均的內(nèi)部缺陷和表面缺陷，在檢驗或?qū)嵨锱卸ㄉ嫌兄匾獏⒖甲饔?。一般鋼板拉伸試樣出現(xiàn)分層多在20以上規(guī)格的中高合金鋼板，其分層的表現(xiàn)，有出現(xiàn)在斷口的，有出現(xiàn)在斷

14、口內(nèi)外的，有出現(xiàn)在端口外側(cè)的，有出現(xiàn)在端口外側(cè)頸縮區(qū)以內(nèi)或以外的等，分層有顯著，不顯著的，有一道的，也有多道的。一般將拉伸試樣的斷口分層分為斷口界面內(nèi)出現(xiàn)的分層、斷口側(cè)面出現(xiàn)的分層（或褶皺）、頸縮區(qū)域與接近頸縮區(qū)域的分層、斷口面內(nèi)出現(xiàn)的多條分層、貫穿斷口截面的分層、斷口截面異常組織中出現(xiàn)的分層等六類。某廠針對底船板出現(xiàn)拉伸斷口開裂的情況，選取了3個比較典型的異常斷口試樣和1個正常斷口試樣進行了金相、夾雜、氣體和酸洗低倍分析。中樣號鋼種斷口D36開裂A開裂A開裂A36正常1、斷口宏觀形貌及酸洗低倍從斷口裂紋的特點來看，主要在中心線位置形成“鋸齒”狀的斷裂口，有向基體內(nèi)部形成裂紋的趨勢。從表面酸洗

15、情況來看，在試樣厚度1/2處有比較明顯的偏析，斷口沿著偏析線向基體內(nèi)延伸。圖18 斷口情況2金相夾雜分析對試樣進行金相組織和夾雜物級別分析，金相組織均為鐵素體+珠光體。試樣內(nèi)部只有少量球狀夾雜物，夾雜物大小10微米左右；在拉伸變形位置發(fā)現(xiàn)試樣存在偏析組織。下圖所示： 圖19 正常斷口試樣拉伸變形處截面組織編號： 100X 3%硝酸酒精腐蝕夾雜物：D1 帶狀組織：1.5級 圖20 斷口開裂試樣拉伸變形處截面組織編號： 100X 3%硝酸酒精腐蝕夾雜物：D1、DS0.5 帶狀組織：1.5級 圖21 未變形處截面組織編號： 100X 3%硝酸酒精腐蝕夾雜物：D1、DS1.5 帶狀組織：0.5級3氣體

16、分析取1個斷口正常試樣和2個斷口開裂試樣進行氣體分析，號試樣是LF+RH的精煉處理，號試樣未經(jīng)過真空脫氣處理，從氧、氮的含量來看應(yīng)屬于正常范圍。中樣號鋼種工藝路線氧氮備注A36LF/RH6ppm35ppm斷口正常ALF8ppm49ppm斷口開裂ALF13ppm59ppm斷口開裂4、探傷檢驗對斷口開裂的4塊鋼板進行探傷檢查，有2塊鋼板存在線狀缺陷，其中1塊超標(biāo)。從下表可以看見，斷口開裂不一定探傷不合。鋼板號鋼種探傷結(jié)果備注Q345B正常斷口開裂Q345B正常斷口開裂D36線狀缺陷斷口開裂D36線狀缺陷超標(biāo)斷口開裂5結(jié)論從低倍酸洗和金相組織分析來看，鋼板內(nèi)部存在不同程度的偏析，特別是厚度1/2處偏析比較嚴(yán)重；從探傷結(jié)果來看鋼板內(nèi)部存在條狀缺陷，也說明鋼板內(nèi)部存在偏析帶或者內(nèi)部裂紋。一系列檢查結(jié)果表明：斷口開裂的原因主要是由于鋼板內(nèi)部存在偏析帶，特別是厚度1/2處偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致該處組織塑性不同，拉伸過程中易形成應(yīng)力集中，拉伸過程中形成裂紋源，宏觀形貌表現(xiàn)為