摘要：对不同厚度规格中厚钢板用超声波探伤观察到的缺陷统计和分析表明：中厚钢板内部缺陷为钢板厚度中心区域珠光体带中的微裂纹。位于偏析区内宽度超过25 μm珠光体带中；裂纹源为珠光体带中MnS类型的塑性夹杂与钢基体的界面；裂纹的形成温度低于700℃，形成于轧后冷却或矫直阶段。铸坯中心线偏析是产生裂纹的内部条件，轧后冷却或矫直过程中的张应力是外部条件。

关键词：中厚钢板；超声波探伤；裂纹

     中厚钢板被广泛地应用于高层建筑、桥梁、海上石油平台、大型轮船等工程项目中，其内部质量直接关系着这些重大项目的安全性和可靠性。在中厚钢板内部质量判定方面，超声波探伤作为一种无损探伤技术被国内外各大中厚钢板生产企业普遍采用。

    但国内各大钢铁企业在中厚钢板生产中都不同程度地遇到了超声波探伤缺陷问题，这一问题困扰着中厚钢板质量的进一步提高和在大型项目中的进一步应用。目前，对中厚钢板探伤缺陷的针对性研究较少，且集中在冶炼和轧制工艺对合格率的影响方面，而对于钢板中何种缺陷能够引起超声波探伤不合这一方面的研究还未见报导，而这方面的研究能够为消除这种缺陷、提高探伤质量提供直接依据，本文结合首秦金属材料有限公司的生产实际从生产数据统计和钢板微观检验等方面对钢板中引起超声波探伤不合的内部缺陷进行了研究并分析了缺陷的成因。

1  中厚钢板生产工艺流程及探伤统计

    首秦金属材料有限公司中厚钢板生产采用转炉连铸流程，工艺流程为：100 t转炉一100 t LF炉一(1 600、1 800 ram)×220 ITlm板坯连铸机一轧钢加热炉一4辊轧机一水幕一矫直机一冷床。

    这一工艺下生产的有探伤要求的钢板(探伤板)由自动化超声波探伤仪进行探伤，一段时期内生产的低合金系列钢板的探伤合格率如下：16MnR钢89．6％、Q345B钢89．3％、Q345C钢85．0％、Q370qD钢79．4％，且超声波探伤仪显示探伤缺陷位置几乎全部出现于厚度方向的中心。对16MnR钢板的统计结果表明：超过99％的探伤缺陷出现在钢板厚度中心宽度为钢板厚度1／10的区域内。在探伤板中16MnR的产量占到探伤板总量的1／3，且探伤缺陷集中在厚度的中心，因此对16MnR热轧中厚钢板进行了解剖分析。

2探伤板解剖分析

    对16MnR探伤板的解剖分析涉及的钢板厚度为18、24、30、36、46 mm等多个规格，每个规格涉及多个冶炼炉号。分别在钢板的探伤合格位置和存在探伤缺陷的位置进行取样，从金相组织、微观缺陷、钢板厚度方向(Z向)拉伸试样断口等方面进行了分析研究。

2．1金相分析结果

    统计结果表明，对于存在超声波探伤缺陷的钢板(以下简称“探伤缺陷板”)，缺陷波集中出现于钢板厚度的中心区域，对探伤缺陷板的金相分析显示这一区域的金相组织与钢板其它区域的金相组织不同，如图1(a)、(b)所示。图1(a)为探伤缺陷板厚度中心的金相组织，图1(b)为探伤缺陷板厚度1／4处的金相组织，这一位置的金相组织代表了钢板厚度中心区域以外其它位置的组织形貌。两者相比较，均有带状组织存在，黑色珠光体条带明显，不同之处在于钢板厚度中心区域珠光体带的比例大，且珠光体带的宽度宽。

    探伤合格钢板厚度中心的金相组织与探伤缺陷板不同，如图1(c)、(d)所示。一方面探伤合格钢板厚度中心区域的珠光体比例与钢板厚度其它位置较为接近，另一方面珠光体带的宽度小于探伤缺陷钢板中心位置的珠光体带。

2．2微观缺陷分析结果

对微观缺陷的分析表明，对于探伤缺陷板，无论钢板的厚度如何，在钢板厚度中心的探伤缺陷位置均存在塑性夹杂和微裂纹，金相观察到的裂纹宽度在2μm以下，裂纹长度从几十微米到几百微米不等，光学显微镜下观察到的裂纹如图2(a)所示，   SEM照片如图2(b)所示。微裂纹均出现于珠光体组织中，并沿珠光体带的长轴方向扩展。

    而对于超声波探伤合格钢板，在钢板全厚度范围内未找到如图2所示的微裂纹，但存在塑性夹杂物，如图3(a)所示，夹杂物出现于珠光体组织中或者珠光体与铁素体的边界位置，夹杂物的能谱分析如图3(b)所示，为MnS类型塑性夹杂物，但夹杂物的数量少于探伤缺陷位置。

2．3 z向拉伸实验结果

    在超声波探伤缺陷位置取试样进行z向拉伸，试样的断面收缩率常小于10％，试样断口平齐，断裂前变形很小，且对于面缩率小于10％的试样，断裂位置均为钢板厚度一半的位置。SEM观察试样断口形貌如图4所示。在断口上的某些区域能够观察到典型的脆性断口，如图4(a)所示，且在断口的某些区域能够观察到大量的夹杂物，如图4(b)所示，图4(b)中[1]、[2]、[3]位置的能谱分析结果如表1所示。[1]、[2]位置为MnS类型夹杂物，[3]位置为夹杂物脱落后的钢基体。

    对于探伤合格钢板上所取的Z向拉伸试样，试样的断面收缩率多在15％以上，断口为韧窝状塑性断口，且断口上未见大颗粒夹杂物。

    解剖分析结果表明，在所有探伤不合格位置均可观察到珠光体组织中的微裂纹，而在缺陷板探伤合格位置或者探伤合格钢板中未观察到微裂纹。无论钢板的探伤结果如何，钢板中心位置均存在塑性MnS类型夹杂物。因此，引起探伤不合的缺陷为珠光体组织中的微裂纹，而MnS类型塑性夹杂物本身不引起探伤缺陷。

3分析与讨论

3．1  裂纹引发探伤缺陷的讨论

    超声波探伤仪的工作原理是通过探测超声波的反射波来判定钢板的内部缺陷。当超声波遇到裂纹表面时，裂纹表面为“钢空气”或“钢一真空”界面，以“钢一空气”界面为例，超声波的声压反射率如式(1)所示。

 式中，r为声压反射率；Z_air，为空气的声阻抗；Z_air为钢的声阻抗。对于“钢一真空”界面，真空中的声阻抗为O，因此反射率为-1。

    由此，当超声波从钢一侧到达裂纹表面时，超声波基本被完全反射，引起强烈的反射波，反射波被探伤仪探测到从而引起探伤不合。

    而超声波遇到与钢基体紧密接触的塑性夹杂时，在“钢一夹杂”界面上，由于夹杂物的声阻抗远大于空气或真空，所以与“钢一空气”、“钢一真空”界面相比，超声波在遇到“钢一夹杂”界面时，超声波反射率远低于“钢一空气”和“钢一真空”界面，在当前的超声

波探伤仪的分析精度下不能够探测到缺陷波，因此MnS类型的塑性夹杂本身不引起探伤缺陷。

3．2裂纹形成条件

    图1的金相组织显示，超声波探伤缺陷板中心区域的珠光体比例高，并且珠光体带宽度大，统计表明微裂纹多出现于宽度超过25μm的珠光体带中。珠光体是一种共析组织，其平衡碳质量分数为0．77％，珠光体比例高意味着原始组织中碳含量高，这表明原始铸坯中存在中心线偏析，使碳元素在铸坯中心富集；许多研究表明珠光体带的出现与钢中Mn的微观偏析有关，珠光体带为Mn元素的富集带，对应着铸坯组织中的树枝晶晶间，因此钢

板厚度中心出现宽度超过25μm的珠光体带意味着铸坯中较严重的Mn的微观偏析被保留到了热轧钢板中。因此铸坯的中心线偏析以及微观偏析没有很好的消除是产生探伤裂纹的内部条件。

    图2所示的微裂纹出现于钢板厚度中心区域的珠光体带中，可以看到，裂纹萌生于珠光体带中夹杂物和基体间的界面上，如图5所示。由于富Mn带对应铸坯组织中的树枝晶晶间，因此Mn、S元素富集，易形成MnS塑性夹杂，这与观察到的MnS类型塑性夹杂多出现于珠光体带中相吻合，中心偏析严重的区域，这类夹杂物的数量也多。对于夹杂物和钢基体的界面，一方面夹杂物与钢基体的界面结合能低，在张应力的作用下容易萌生裂纹，另一方面塑性夹杂物的尖端在应力作用下易产生应力集中引起开裂，因此是钢中微裂纹的裂纹源。夹杂物与钢基体问的裂纹进一步扩展便形成出现于珠光体组织中的裂纹，引起超声波探伤缺陷。因此，张应力是探伤裂纹形成的外部条件。

    在Z向拉伸条件下，这种微裂纹进一步扩展导致Z向试样的断裂，由于裂纹在珠光体组织中的扩展引起的塑性变形小，因此断口形貌呈如图4(a)所示的脆性断口形貌；另外，由于裂纹源出现于MnS类型的夹杂物界面上，因此断口中能够看到如图4(b)中[1]、[2]所示的MnS类型夹杂物和[3]所示的夹杂物脱落留下的空穴。

    因此，减弱铸坯的中心线偏析或者通过热扩散作用消除这种偏析的影响以及减小钢板轧后处理过程的内应力是减少微裂纹、提高探伤合格率的有效途径。

3．3裂纹的形成温度

    引起超声波探伤不合的裂纹出现于珠光体带中，某些裂纹出现于片层状珠光体组织中，如图6所示。珠光体转变为扩散型相变，通过晶核的长大完成从奥氏体向珠光体的转变，单个珠光体团内片层取向一致，且与初始晶核的取向一致。图6所示的裂纹两侧珠光体片层取向一致。由于珠光体晶核取向具有随机性，因此如果裂纹两侧的珠光体分别由各自的晶核长大形成时，珠光体片层取向一致且裂纹两侧的珠光体片层相互吻合的概率几乎为零，因此，图6所示的裂纹两侧的珠光体属于同一个珠光体团，由一个晶核长大而成。由此图中的裂纹是在珠光体片层形成之后形成的。

    珠光体的平衡转变温度为721℃，在连续冷却条件下珠光体转变温度更低，在热轧工艺条件下，珠光体转变温度为700～650℃。因此珠光体转变结束的温度要低于700℃。图6中的裂纹形成于珠光体转变之后，因此裂纹的形成温度低于700℃，对应中厚钢板的轧制过程，裂纹形成于轧后的冷却或者矫直过程中，在张应力的作用下在MnS塑性夹杂较多的珠光体带中形成微裂纹。

4  结论

    (1)对于18~46 mm厚度范围的中厚钢板，引起超声波探伤不合的内部缺陷为钢板中的微裂纹。

    (2)微裂纹出现于钢板厚度中心宽度超过25μm的珠光体带中，珠光体带中由于Mn、S偏析而形成的MnS类型塑性夹杂物与钢基体的界面是这种裂纹的裂纹源，铸坯的中心线偏析是产生裂纹的内部条件。

    (3)裂纹的形成温度低于700℃，形成于珠光体转变之后，轧后冷却或矫直过程中的张应力是裂纹形成的外部条件。