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(qǐng)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(jìn)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(duì)應(yīng)力作用非常敏感，會(huì)引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在運(yùn)行過程中若有反復(fù)的加載、卸載、升溫、降溫，就會(huì)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(shí)驗(yàn)，圖1是某鋼廠發(fā)運(yùn)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(bào)廢了，經(jīng)銷商按廢鋼價(jià)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(diǎn)造成鑄坯搭橋，在C點(diǎn)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(duì)D級(jí)船板進(jìn)行生產(chǎn)檢驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)其中多個(gè)批號(hào)的拉伸試樣斷口有分層,且對(duì)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(duì)其進(jìn)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(jì)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(duì)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(gè)點(diǎn)和中心分層處取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行鋼材化學(xué)成分分析,以檢驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,但是對(duì)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(duì)斷口進(jìn)行高倍分析，結(jié)果表明存在晶間裂紋，見下圖。爐號(hào)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(jìn)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(jí)，在試樣的整個(gè)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(xì)條狀的硫化物夾雜。級(jí)別為3級(jí)。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(shí)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(shí)超長(zhǎng)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(yàn)斷口出現(xiàn)分層的又一個(gè)原因是試樣中存在密集分布的硫化物和超長(zhǎng)的帶狀組織。3、采取措施針對(duì)某鋼鐵公司目前的實(shí)際情況，分析認(rèn)為，由于產(chǎn)生分層缺陷的鋼板對(duì)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(gè)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(xì)條狀分布，因此，通過在精煉完畢后，喂Ca-Fe線對(duì)鋼水進(jìn)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(dá)到0.09時(shí)，氧化鋁夾雜物多變性為12CaO7Al2O3或與其成分相近的低熔點(diǎn)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(qiáng)終點(diǎn)控制：爐前操作上提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)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(shí)低溫脫P(yáng)、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(shí)間：提高鋼水鎮(zhèn)定時(shí)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(shí)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(huì)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(huì)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(shí)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(gè)方面做工作，

10、提高鋼材內(nèi)部質(zhì)量外，一個(gè)最有效的方法就是對(duì)鋼板逐張進(jìn)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(dá)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(duì)鋼板厚度方向進(jìn)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(jìn)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(guó)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(dòng)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(gè)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(jìn)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(chǎng)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(bào)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(chǎng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)有分層現(xiàn)象（如下圖）。用探傷儀對(duì)焊接后的鋼板進(jìn)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(duì)鋼板其它部位進(jìn)行探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有一定缺陷，但遠(yuǎn)沒有邊部范圍那么嚴(yán)重。還對(duì)部分未經(jīng)過加工處理的鋼板進(jìn)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(jìn)一步確認(rèn)缺陷可能帶來的危害，焊接專家提出通過焊補(bǔ)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(jiān)持要報(bào)廢，只能做報(bào)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(tái)，其它過程都比較正常。軋制方式為熱軋。出廠前進(jìn)行探傷。圖16 裂紋圖經(jīng)專家分析，與鋼水直接上臺(tái)有關(guān)，偏析比較嚴(yán)重。因此保探傷鋼板進(jìn)VD或RH爐進(jìn)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(huì)出現(xiàn)各種不同的斷口。雖然在各種材料試驗(yàn)規(guī)范中，對(duì)拉伸斷口的評(píng)定沒有明文規(guī)定，但試樣的斷口進(jìn)行評(píng)定，有助于評(píng)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(yàn)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(duì)底船板出現(xiàn)拉伸斷口開裂的情況，選取了3個(gè)比較典型的異常斷口試樣和1個(gè)正常斷口試樣進(jìn)行了金相、夾雜、氣體和酸洗低倍分析。中樣號(hào)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(diǎn)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(shì)。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(duì)試樣進(jìn)行金相組織和夾雜物級(jí)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?yuàn)A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(hào)： 100X 3%硝酸酒精腐蝕夾雜物：D1 帶狀組織：1.5級(jí) 圖20 斷口開裂試樣拉伸變形處截面組織編號(hào)： 100X 3%硝酸酒精腐蝕夾雜物：D1、DS0.5 帶狀組織：1.5級(jí) 圖21 未變形處截面組織編號(hào)： 100X 3%硝酸酒精腐蝕夾雜物：D1、DS1.5 帶狀組織：0.5級(jí)3氣體

16、分析取1個(gè)斷口正常試樣和2個(gè)斷口開裂試樣進(jìn)行氣體分析，號(hào)試樣是LF+RH的精煉處理，號(hào)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(hào)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(yàn)對(duì)斷口開裂的4塊鋼板進(jìn)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(hào)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