Q355B鋼板截面磁粉探傷顯示磁痕的原因

王攀峰 李 明 康學(xué)勤

(1. 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 材料與物理學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

Q355鋼是低合金高強(qiáng)度工程結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的塑性、韌性、加工工藝性能和焊接性能等，被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、機(jī)械、鍋爐、船舶和汽車等領(lǐng)域[1]。近年來，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，對Q355B鋼板的需求量越來越大，對鋼板的質(zhì)量要求也越來越高，鋼板必須滿足規(guī)定級別的探傷要求[2]。國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)在Q355B鋼板的生產(chǎn)過程中通常采用超聲波探傷的方法檢測材料的缺陷[3]。

磁粉探傷適用于檢測鋼鐵等磁性材料的表面或近表面的缺陷，檢測過程中材料受到磁力的作用，缺陷部位泄漏的磁力會將散布在材料表面的磁粉吸住，形成磁痕。這種方法能有效快速地檢測鋼板的表面缺陷，且設(shè)備和操作簡單，便于大型工件的現(xiàn)場檢測，成本較低，重復(fù)性較好[4]，因此Q355B鋼板通常采用該方法進(jìn)行質(zhì)量檢驗。在對Q355B鋼板截面進(jìn)行磁粉探傷時發(fā)現(xiàn)部分10～20 mm厚的鋼板截面出現(xiàn)磁痕，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致鋼板在加工成工件的過程中出現(xiàn)開裂[5- 6]，產(chǎn)生質(zhì)量異議，并造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文采用金相檢驗、能譜分析及電子探針等對不同鋼廠生產(chǎn)的15～18 mm厚Q355B鋼板，在磁粉探傷時顯現(xiàn)磁痕的原因進(jìn)行了分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用Q355B鋼板的生產(chǎn)工藝為：鐵水脫硫扒渣→轉(zhuǎn)爐冶煉→鋼包精煉爐精煉→板坯連鑄→板坯加熱→熱軋→精整→入庫[2,7]。

1.2 試驗方法

采用UniMT- 12000A/D型熒光磁粉探傷機(jī)對Q355B鋼板截面進(jìn)行檢測，并對磁痕進(jìn)行記錄和分析，確定鋼板截面的磁痕位置，用線切割從顯現(xiàn)磁痕的部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和金相檢驗，以揭示磁痕產(chǎn)生的原因。

2 試驗結(jié)果

2.1 磁粉探傷結(jié)果

對出現(xiàn)磁痕的Q355B鋼板截面采用熒光濕法及復(fù)合磁化(周向電流3 500 A，縱向電流2 000 A)的方法對其再次檢測，以確認(rèn)磁痕形貌和位置。再次磁粉探傷時Q355B鋼板截面的磁痕形貌與首次磁粉探傷時所呈現(xiàn)的一致，如圖1所示。可以看出，鋼板A的截面磁痕松散不濃密，線條不清晰；鋼板B的截面磁痕松散不濃密、有一定寬度或呈帶狀，線條較清晰；鋼板C的截面磁痕濃密清晰，兩端有尖角，呈直線或曲線狀。用著色滲透法對鋼板A、B和C截面進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)這些鋼板截面并無宏觀裂紋。為了進(jìn)一步確定產(chǎn)生這些磁痕的原因，對鋼板進(jìn)行了成分分析和金相檢驗。

圖1 Q355B鋼板A(a)、B(b)和C(c)截面上的磁痕Fig.1 Magnetic particle patterns on sections of the Q355B steel plates A(a), B(b) and C(c)

2.2 化學(xué)成分分析

采用Bruker Q4型直讀光譜儀分析了鋼板的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，鋼板的化學(xué)成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的要求。鋼板A和B為同一家鋼廠生產(chǎn)，其Nb含量較高；鋼板C是另一家鋼廠的產(chǎn)品，其Nb含量較低[8]。

表1 Q355B鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the Q355B steel plates (mass fraction) %

2.3 金相檢驗

2.3.1 夾雜物

圖2為Q355B鋼板截面的夾雜物形貌?？梢钥吹?，鋼板A和B僅含有少量的點狀夾雜物；鋼板C中夾雜物較多、尺寸較大。根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》對3件鋼板的非金屬夾雜物進(jìn)行評級，結(jié)果如表2所示。由表2可知，鋼板C中A類夾雜物級別明顯高于鋼板A和B，3件鋼板中僅有少量B類和D類夾雜物，基本沒有C和DS類夾雜物。

圖2 Q355B鋼板A(a)、B(b)和C(c)中的夾雜物Fig.2 Inclusions in the Q355B steel plates A(a), B(b) and C(c)

表2 Q355B鋼板中非金屬夾雜物的評級Table 2 Evaluation of non- metallic inclusions in the Q355B steel plates 級

2.3.2 顯微組織

圖3～圖5為鋼板A、B和C截面磁痕部位的低倍和高倍組織?？梢钥闯觯摪錋截面磁痕部位的顯微組織為帶狀鐵素體、珠光體和貝氏體，帶狀形貌明顯，較連續(xù)； 低倍下貝氏體呈帶狀，高倍下貝氏體不連續(xù)。鋼板B截面磁痕部位的顯微組織為連續(xù)的帶狀鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體。鋼板C截面磁痕部位的顯微組織為帶狀鐵素體和珠光體，還有帶狀硫化錳(MnS)夾雜物。

圖3 鋼板A截面磁痕部位的顯微組織Fig.3 Microstructures in magnetic particle trace portion of section of the steel plate A

圖4 鋼板B截面磁痕部位的顯微組織Fig.4 Microstructures in magnetic particle trace portion of section of the steel plate B

圖5 鋼板C截面磁痕部位的顯微組織Fig.5 Microstructures in magnetic particle trace portion of section of the steel plate C

2.4 電子探針顯微分析和能譜分析

由鋼板截面磁痕部位的夾雜物和顯微組織可知，Q355B鋼板截面磁痕與材料的顯微組織和夾雜物分布有關(guān)。為了分析夾雜物和顯微組織對鋼板截面磁痕顯現(xiàn)的影響，采用電子探針顯微分析(electron probe micro-analysis, EPMA)法檢測了鋼板A和B截面中心組織的成分，采用能譜分析(energy dispersive spectroscope, EDS)檢測了鋼板C截面夾雜物的成分。圖6為鋼板A截面磁痕部位的EPMA圖，可以看出鐵素體、珠光體和貝氏體的界面不明顯，有貝氏體，Mn含量較高，C含量介于鐵素體和珠光體之間，P和S含量與其他部位基本相同，說明該鋼板存在一定程度的Mn偏析。

圖6 鋼板A截面磁痕部位的掃描電子顯微鏡形貌(a)以及碳(b)、硅(c)、磷(d)、硫(e)和錳(f)的分布圖Fig.6 Scanning electron micrograph(a) and distribution patterns of carbon(b), silicon(c), phosphorus(d), sulphur(e) and manganese(f) in magnetic particle trace portion of section of the steel plate A

圖7為鋼板B截面磁痕部位的EPMA圖，從圖中可以看出鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體的界面不明顯，有帶狀貝氏體和馬氏體，Mn和P含量較高，C含量介于鐵素體和珠光體之間，Si含量與其他部位基本相同，說明該鋼板有一定程度的Mn和P偏析。

圖8為鋼板C截面磁痕部位的EDS圖?？梢钥闯?，夾雜物呈片層狀，主要成分為Mn和S，結(jié)合其形貌可以推斷為MnS，材料中C分布均勻，夾雜物下方與基體材料間有空隙，界面明顯。

3 分析與討論

對Q355B鋼板截面的磁痕形貌、化學(xué)成分、夾雜物和顯微組織的檢測和分析表明，磁粉探傷過程中其截面顯示磁痕與夾雜物和帶狀組織有關(guān)。

鋼板A截面上有線性磁痕，但是磁痕非常細(xì)且不連續(xù)，實際操作過程中可判為無磁痕，其截面夾雜物尺寸較小，顯微組織為帶狀鐵素體、珠光體和貝氏體，磁痕部位有帶狀貝氏體，但寬度較小、長度較短且不連續(xù)；鋼板B截面有線性磁痕，磁痕較寬但不連續(xù)，夾雜物尺寸較小，顯微組織為帶狀鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體，磁痕部位有帶狀貝氏體和馬氏體，較寬、連續(xù)性較好且有一定的長度；鋼板C截面有線性磁痕，磁痕寬且連續(xù)，有帶狀夾雜物(MnS)，夾雜物尺寸較大，級別較高，磁痕位置和尺寸與夾雜物相對應(yīng)[9]。

圖9為Q355B鋼板組織和夾雜物的示意圖，表明鋼板顯微組織為鐵素體和帶狀珠光體時，磁粉探傷過程中磁力線能通過鐵素體和珠光體中的鐵素體，鋼板截面不會顯現(xiàn)磁痕。貝氏體、馬氏體和夾雜物(MnS)改變了材料的磁性，磁粉探傷過程中會有部分磁力線繞過帶狀貝氏體、馬氏體和夾雜物(MnS)泄漏到鋼板表面形成泄漏磁通，鋼板截面的磁粉被吸附到泄漏磁通，形成磁痕。鋼板A中貝氏體帶較窄較短且不連續(xù)，其截面上產(chǎn)生的磁痕細(xì)且不連續(xù)。鋼板B中貝氏體和馬氏體帶較寬且有一定的長度，其截面上的磁痕有一定寬度，由于貝氏體和馬氏體帶長度有限，磁痕并不連續(xù)。鋼板C中有一定量的MnS夾雜物，夾雜物與鋼基體間有裂紋，磁粉探傷過程中將產(chǎn)生沿MnS夾雜物分布的磁痕，磁痕的長度、寬度和連續(xù)性與MnS夾雜物的尺寸相關(guān)。鋼板C中由于MnS夾雜物尺寸較大，磁粉探傷過程中形成的磁痕濃密清晰，兩端有尖角，呈直線或曲線狀[10]。

圖9 Q355B鋼板中帶狀組織和夾雜物產(chǎn)生磁痕的示意圖Fig.9 Schematic diagram of magnetic particle trace resulting from banded structure and inclusions in the Q355B steel plate

由檢測結(jié)果可知，Q355B鋼板截面出現(xiàn)的磁痕是鋼中帶狀夾雜物(MnS)和帶狀組織(貝氏體和馬氏體)造成的。在Q355B鋼的冶煉過程中，鐵液中S可以無限溶解，但固態(tài)鐵中S的溶解度卻很低，所以隨著鐵液溫度的降低和鐵水的凝固，高溫溶解于鐵的S必定形成硫化物夾雜，在Fe- S二元系中析出的硫化物是FeS。在煉鋼溫度下，形成FeS和MnS的傾向是相同的，而室溫下MnS是更穩(wěn)定的夾雜物相[11- 12]。Q355B鋼中Mn含量較高，其夾雜物通常為MnS。MnS具有良好的高溫塑性，在鋼板軋制過程中易變形，沿軋制方向延展為大尺寸片層狀。MnS與鋼基體相比收縮系數(shù)大，在鋼板軋制后的冷卻過程中易在MnS夾雜物周圍產(chǎn)生裂紋。鋼中的P是極易產(chǎn)生偏析的元素，主要是由于鋼錠表面冷速較快，富集溶質(zhì)的液相還未長程擴(kuò)散便已凝固，從而凝固初期P的分布較為均勻。在鐵液凝固過程中，富集溶質(zhì)的液相有條件進(jìn)行長程擴(kuò)散，使鑄錠中心的P含量急劇升高，從而形成嚴(yán)重的中心偏析[5,13]。Q355B鋼板中心P和Mn含量的增加顯著縮小奧氏體區(qū)，雜質(zhì)元素在體心立方結(jié)構(gòu)的δ和α相中的溶解度低，而在面心立方的γ相中的溶解度高，因此縮小的γ相區(qū)雜質(zhì)元素更易富集[14]，有利于非金屬夾雜物、貝氏體和馬氏體的形成[15]。

以上分析表明，夾雜物(MnS)和帶狀組織(貝氏體和馬氏體)是Q355B鋼板截面出現(xiàn)連續(xù)和斷續(xù)磁痕的主要原因。建議在煉鋼過程中嚴(yán)格控制S含量，以控制夾雜物(MnS)含量和形態(tài)；調(diào)整連鑄冷卻速率，以消除Mn、S和P的偏析。

4 結(jié)論

(1)磁粉探傷過程中Q355B鋼板截面松散不濃密的磁痕是鋼板中帶狀貝氏體和馬氏體所致，濃密清晰的線狀磁痕是鋼板中一定尺寸的帶狀夾雜物(MnS)所致。

(2)帶狀夾雜物(MnS)與鋼基體間有裂紋，嚴(yán)格控制鋼液中S含量，減少軋制后鋼板中MnS的數(shù)量和尺寸，可減少和消除Q355B鋼板截面濃密清晰的線狀磁痕。

(3)降低Q355B鋼鑄錠中元素Mn和P的偏聚，從而減少軋制過程中帶狀顯微組織貝氏體和馬氏體的形成，可以減少和消除Q355B鋼板截面松散不濃密的磁痕。