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超声波探伤缺陷的原因与解决措施
2025-01-2323

    UT探伤发现部分钢材存在内部裂纹。经扫描电镜确认，有显微沟槽，结合UT不合钢材定位取样，确定为氢损伤的白点缺陷。通过对炼钢生产的原辅材料进行干燥，并对轧钢冷却工艺进行改进，解决了该钢种的白点问题。
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前言 

  30Mn2作为一种中碳含锰钢，经过调质处理后具有良好的力学性能， 是钢管和机械零部件的主要材料。寿光巨能特钢采用转炉→精炼→连铸（ 260ｍｍｘ300ｍｍ ）→加热→轧制（Φ95ｍｍ )→冷却的工艺路线生产30Mn2钢，在进行UT抽检过程中发现存在内部缺陷。本着发现问题，解决问题，确保产品质量的原则，对缺陷组织进行分析。
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缺陷定位取样分析

2.1 低倍检验
   根据UT探伤进行定位取样，并进行低倍检验，低倍发现缺陷处存在几条细小的裂纹，从表观现象看可能为白点缺陷。为确认是否为白点缺陷，将试样存放24h后重新观察。经过观察，除锈蚀严重外未发现明显变化。
2.2  断口检验
   对缺陷进行断口检验，发现存在部分白亮区域，与标准的白点图片比对有明显不同，见图1。


     GB/T1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》中对白点的定义是：
    一般是在酸浸试片除边缘区域外的部分表现为锯齿形的细小发纹，呈放射状、同心圆形或不规则形态分布。在纵向断口上依其位向不同呈圆形或椭圆形亮点或细小裂纹。经过与标准图片对比，存在一定的差距，不能完全断定为白点缺陷。
2.3 扫描电镜分析
    因该断口中间部位存在多处明显的缺陷，呈现白亮或黑暗的条状形态， 长度为几毫米不等。为判断缺陷性质，进行扫描电镜分析。
    如图2所示，对各扫描区域进行编号。分别为1号(两个正方形标注的区域，呈黑色区域) 、2 号(两个圆圈标注的区域，目视观察为亮区) 、3号( 三角区域，正常断口区）。

     对各编号区域进行形貌观察及能谱测试。
2.3.1  用能谱仪进行成分分析
   图3为区域1成分测定结果，通过能谱能够清晰看到区域1含有大量的氧化物，见图4。


    区域2(如图5所示)与区域3相近，与区域1相比没有氧化物，其余成分相近， 具体能谱分析情况，如图6所示。


2.3.2  电镜扫描情况
    区域2所得形貌像如图7所示，图中箭头指处为需要测试的带状亮区（ 在扫描电镜下为较暗的区域）。对图7中亮区依次进行放大，可以看到该区域断口，有的周围有些微孔，有的存在显微沟槽等混合特征（见图８） 。


    对区域1进行依次放大，观察其形貌可以看到，除了存在大量氧化物外，其形貌与区域2中类似存在微气孔和显微沟槽，可以推测区域1与区域2是相同的断裂性质，只是区域1开裂后裂纹暴露在空气中，受到氧化和腐蚀，所以呈现出黑色或黄褐色，见图9。


    对区域3形貌进行依次放大，可以正常的断裂断口形貌，与区域1及区域2有一定区别，见图10。


2.3.3 小结
     根据上述检验情况，白点经常与孔洞（包括显微缩孔）伴随出现。显微沟槽的底部和两壁比较光滑，有的地方如沙丘一样，是金属凝固时疏松空隙的自由表面及枝晶露头，在钢轧制后疏松被拉长但未被全部焊合，不是在断裂过程中产生的断裂面（一个疏松空隙的两个相匹配的断裂面，它们都有一个凹下去的显微沟槽，合拢起来就是一个空隙） 。
     由于气孔被局部轧合，残留的空隙中的气体压力增高，增大进一步轧合的阻力。鉴于未被轧合的空隙有锐角边缘及缝隙，而氢可能使钢变脆，因此，在钢冷却后，在氢气的压力及组织应力的双重作用下，氢脆裂纹可能优先在此形成。
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解决措施

3.1 现场调查
    根据电镜结果，对该探伤不合的30Mn2进行生产调查，发现出现UT不合的炉号都是钢材冷却时顶部的炉号，同时UT不合的部位都是钢材的两端。
3.2 原因分析
    氢在铁中的溶解度随压力和温度的增加而增加，在7铁中的溶解度高于在α 铁和δ铁中的溶解度。因此乳制结束后的冷却过程中，由奥氏体转变为铁素体和珠光体时，钢中氢的溶解度急剧下降，过饱和度增加，若冷却速度较快，不给予充分向外扩散的机会，则大部分氢将继续以原子或离子状态过饱和地留存在固溶体中，在200℃以下时，氢的扩散速度减慢，过饱和的氢只能向附近的微隙中扩散，并很快结合成分子，这样继续下去，在微隙中将聚集大量的氢分子而产生巨大的压力。这种压力和微隙附近金属因冷却和相变及其他原因形成的局部不均匀的三向应力相结合，就将以微隙为核心，使之发生穿晶脆裂，形成白点。
3.3  解决措施
    根据白点的形成原因，从两个方面解决问题：一是对炼钢生产过程各环节的原辅材料进行干燥，减少氢的带入，对于雨季等潮湿天气，采用增加VD真空脱气的方式去除钢水中过饱和的氢；二是对轧钢的冷却工艺进行改进，由原来的空冷改为入坑缓冷，延长250℃以上的保温时间，保证氢原子有足够的扩散时间，降低因空冷导致垛位两端和顶部冷却速度过快导致的白点危害。通过采取以上措施，30Mn2中碳含锰钢白点缺陷得到有效控制。


来源：热加工论坛

编辑：朱光明  校对：孙超  审核：吕东显 
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