Q355B钢板截面磁粉探伤显示磁痕的原因

王攀峰 李 明 康学勤

(1. 南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035； 2. 中国矿业大学 材料与物理学院，江苏 徐州 221008)

Q355钢是低合金高强度工程结构钢，具有良好的塑性、韧性、加工工艺性能和焊接性能等，被广泛应用于桥梁、建筑、机械、锅炉、船舶和汽车等领域[1]。近年来，随着基础建设的发展，对Q355B钢板的需求量越来越大，对钢板的质量要求也越来越高，钢板必须满足规定级别的探伤要求[2]。国内各大钢铁企业在Q355B钢板的生产过程中通常采用超声波探伤的方法检测材料的缺陷[3]。

磁粉探伤适用于检测钢铁等磁性材料的表面或近表面的缺陷，检测过程中材料受到磁力的作用，缺陷部位泄漏的磁力会将散布在材料表面的磁粉吸住，形成磁痕。这种方法能有效快速地检测钢板的表面缺陷，且设备和操作简单，便于大型工件的现场检测，成本较低，重复性较好[4]，因此Q355B钢板通常采用该方法进行质量检验。在对Q355B钢板截面进行磁粉探伤时发现部分10～20 mm厚的钢板截面出现磁痕，严重时甚至导致钢板在加工成工件的过程中出现开裂[5- 6]，产生质量异议，并造成较大的经济损失。本文采用金相检验、能谱分析及电子探针等对不同钢厂生产的15～18 mm厚Q355B钢板，在磁粉探伤时显现磁痕的原因进行了分析。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用Q355B钢板的生产工艺为：铁水脱硫扒渣→转炉冶炼→钢包精炼炉精炼→板坯连铸→板坯加热→热轧→精整→入库[2,7]。

1.2 试验方法

采用UniMT- 12000A/D型荧光磁粉探伤机对Q355B钢板截面进行检测，并对磁痕进行记录和分析，确定钢板截面的磁痕位置，用线切割从显现磁痕的部位取样进行化学成分分析和金相检验，以揭示磁痕产生的原因。

2 试验结果

2.1 磁粉探伤结果

对出现磁痕的Q355B钢板截面采用荧光湿法及复合磁化(周向电流3 500 A，纵向电流2 000 A)的方法对其再次检测，以确认磁痕形貌和位置。再次磁粉探伤时Q355B钢板截面的磁痕形貌与首次磁粉探伤时所呈现的一致，如图1所示。可以看出，钢板A的截面磁痕松散不浓密，线条不清晰；钢板B的截面磁痕松散不浓密、有一定宽度或呈带状，线条较清晰；钢板C的截面磁痕浓密清晰，两端有尖角，呈直线或曲线状。用着色渗透法对钢板A、B和C截面进行检测，发现这些钢板截面并无宏观裂纹。为了进一步确定产生这些磁痕的原因，对钢板进行了成分分析和金相检验。

图1 Q355B钢板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 化学成分分析

采用Bruker Q4型直读光谱仪分析了钢板的化学成分，结果如表1所示。可以看出，钢板的化学成分符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》的要求。钢板A和B为同一家钢厂生产，其Nb含量较高；钢板C是另一家钢厂的产品，其Nb含量较低[8]。

表1 Q355B钢板的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the Q355B steel plates (mass fraction) %

2.3 金相检验

2.3.1 夹杂物

图2为Q355B钢板截面的夹杂物形貌。可以看到，钢板A和B仅含有少量的点状夹杂物；钢板C中夹杂物较多、尺寸较大。根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对3件钢板的非金属夹杂物进行评级，结果如表2所示。由表2可知，钢板C中A类夹杂物级别明显高于钢板A和B，3件钢板中仅有少量B类和D类夹杂物，基本没有C和DS类夹杂物。

图2 Q355B钢板A(a)、B(b)和C(c)中的夹杂物Fig.2 Inclusions in the Q355B steel plates A(a), B(b) and C(c)

表2 Q355B钢板中非金属夹杂物的评级Table 2 Evaluation of non- metallic inclusions in the Q355B steel plates 级

2.3.2 显微组织

图3～图5为钢板A、B和C截面磁痕部位的低倍和高倍组织。可以看出，钢板A截面磁痕部位的显微组织为带状铁素体、珠光体和贝氏体，带状形貌明显，较连续； 低倍下贝氏体呈带状，高倍下贝氏体不连续。钢板B截面磁痕部位的显微组织为连续的带状铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。钢板C截面磁痕部位的显微组织为带状铁素体和珠光体，还有带状硫化锰(MnS)夹杂物。

图3 钢板A截面磁痕部位的显微组织Fig.3 Microstructures in magnetic particle trace portion of section of the steel plate A

图4 钢板B截面磁痕部位的显微组织Fig.4 Microstructures in magnetic particle trace portion of section of the steel plate B

图5 钢板C截面磁痕部位的显微组织Fig.5 Microstructures in magnetic particle trace portion of section of the steel plate C

2.4 电子探针显微分析和能谱分析

由钢板截面磁痕部位的夹杂物和显微组织可知，Q355B钢板截面磁痕与材料的显微组织和夹杂物分布有关。为了分析夹杂物和显微组织对钢板截面磁痕显现的影响，采用电子探针显微分析(electron probe micro-analysis, EPMA)法检测了钢板A和B截面中心组织的成分，采用能谱分析(energy dispersive spectroscope, EDS)检测了钢板C截面夹杂物的成分。图6为钢板A截面磁痕部位的EPMA图，可以看出铁素体、珠光体和贝氏体的界面不明显，有贝氏体，Mn含量较高，C含量介于铁素体和珠光体之间，P和S含量与其他部位基本相同，说明该钢板存在一定程度的Mn偏析。

图6 钢板A截面磁痕部位的扫描电子显微镜形貌(a)以及碳(b)、硅(c)、磷(d)、硫(e)和锰(f)的分布图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

图7为钢板B截面磁痕部位的EPMA图，从图中可以看出铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的界面不明显，有带状贝氏体和马氏体，Mn和P含量较高，C含量介于铁素体和珠光体之间，Si含量与其他部位基本相同，说明该钢板有一定程度的Mn和P偏析。

图8为钢板C截面磁痕部位的EDS图。可以看出，夹杂物呈片层状，主要成分为Mn和S，结合其形貌可以推断为MnS，材料中C分布均匀，夹杂物下方与基体材料间有空隙，界面明显。

3 分析与讨论

对Q355B钢板截面的磁痕形貌、化学成分、夹杂物和显微组织的检测和分析表明，磁粉探伤过程中其截面显示磁痕与夹杂物和带状组织有关。

钢板A截面上有线性磁痕，但是磁痕非常细且不连续，实际操作过程中可判为无磁痕，其截面夹杂物尺寸较小，显微组织为带状铁素体、珠光体和贝氏体，磁痕部位有带状贝氏体，但宽度较小、长度较短且不连续；钢板B截面有线性磁痕，磁痕较宽但不连续，夹杂物尺寸较小，显微组织为带状铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体，磁痕部位有带状贝氏体和马氏体，较宽、连续性较好且有一定的长度；钢板C截面有线性磁痕，磁痕宽且连续，有带状夹杂物(MnS)，夹杂物尺寸较大，级别较高，磁痕位置和尺寸与夹杂物相对应[9]。

图9为Q355B钢板组织和夹杂物的示意图，表明钢板显微组织为铁素体和带状珠光体时，磁粉探伤过程中磁力线能通过铁素体和珠光体中的铁素体，钢板截面不会显现磁痕。贝氏体、马氏体和夹杂物(MnS)改变了材料的磁性，磁粉探伤过程中会有部分磁力线绕过带状贝氏体、马氏体和夹杂物(MnS)泄漏到钢板表面形成泄漏磁通，钢板截面的磁粉被吸附到泄漏磁通，形成磁痕。钢板A中贝氏体带较窄较短且不连续，其截面上产生的磁痕细且不连续。钢板B中贝氏体和马氏体带较宽且有一定的长度，其截面上的磁痕有一定宽度，由于贝氏体和马氏体带长度有限，磁痕并不连续。钢板C中有一定量的MnS夹杂物，夹杂物与钢基体间有裂纹，磁粉探伤过程中将产生沿MnS夹杂物分布的磁痕，磁痕的长度、宽度和连续性与MnS夹杂物的尺寸相关。钢板C中由于MnS夹杂物尺寸较大，磁粉探伤过程中形成的磁痕浓密清晰，两端有尖角，呈直线或曲线状[10]。

图9 Q355B钢板中带状组织和夹杂物产生磁痕的示意图Fig.9 Schematic diagram of magnetic particle trace resulting from banded structure and inclusions in the Q355B steel plate

由检测结果可知，Q355B钢板截面出现的磁痕是钢中带状夹杂物(MnS)和带状组织(贝氏体和马氏体)造成的。在Q355B钢的冶炼过程中，铁液中S可以无限溶解，但固态铁中S的溶解度却很低，所以随着铁液温度的降低和铁水的凝固，高温溶解于铁的S必定形成硫化物夹杂，在Fe- S二元系中析出的硫化物是FeS。在炼钢温度下，形成FeS和MnS的倾向是相同的，而室温下MnS是更稳定的夹杂物相[11- 12]。Q355B钢中Mn含量较高，其夹杂物通常为MnS。MnS具有良好的高温塑性，在钢板轧制过程中易变形，沿轧制方向延展为大尺寸片层状。MnS与钢基体相比收缩系数大，在钢板轧制后的冷却过程中易在MnS夹杂物周围产生裂纹。钢中的P是极易产生偏析的元素，主要是由于钢锭表面冷速较快，富集溶质的液相还未长程扩散便已凝固，从而凝固初期P的分布较为均匀。在铁液凝固过程中，富集溶质的液相有条件进行长程扩散，使铸锭中心的P含量急剧升高，从而形成严重的中心偏析[5,13]。Q355B钢板中心P和Mn含量的增加显著缩小奥氏体区，杂质元素在体心立方结构的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，因此缩小的γ相区杂质元素更易富集[14]，有利于非金属夹杂物、贝氏体和马氏体的形成[15]。

以上分析表明，夹杂物(MnS)和带状组织(贝氏体和马氏体)是Q355B钢板截面出现连续和断续磁痕的主要原因。建议在炼钢过程中严格控制S含量，以控制夹杂物(MnS)含量和形态；调整连铸冷却速率，以消除Mn、S和P的偏析。

4 结论

(1)磁粉探伤过程中Q355B钢板截面松散不浓密的磁痕是钢板中带状贝氏体和马氏体所致，浓密清晰的线状磁痕是钢板中一定尺寸的带状夹杂物(MnS)所致。

(2)带状夹杂物(MnS)与钢基体间有裂纹，严格控制钢液中S含量，减少轧制后钢板中MnS的数量和尺寸，可减少和消除Q355B钢板截面浓密清晰的线状磁痕。

(3)降低Q355B钢铸锭中元素Mn和P的偏聚，从而减少轧制过程中带状显微组织贝氏体和马氏体的形成，可以减少和消除Q355B钢板截面松散不浓密的磁痕。