包晶钢中裂纹的研究

武汉科技大学本科毕业设计PAGEPAGEII摘要近年来，包晶钢的应用越来越广泛。然而，表面裂纹是包晶钢的主要缺陷之一，对其表面质量影响很大，严重影响产品的合格率。因此，观察裂纹形态及组织并分析其产生原因是非常有意义的。本文的实验材料为15CrMo包晶钢连铸坯，剥皮2mm，无探伤裂纹，然后进行连轧。选取连轧10道次后的直径为100mm棒材，编号为1#；选取12道次后的直径为75mm的棒材，编号为2#。本文采用金相检验，扫描电子显微镜和化学成分分析等方法对棒材的表面裂纹进行了观察分析，了解了表面裂纹的形态及组织特征，并根据实验结果对裂纹形成原因进行了分析。结果表明，1#试样裂纹内C、O含量高，Ca、Si和Al的氧化物夹渣较多，还有少量Mg的化合物，而且裂纹周围有大量的Si和MnS等夹杂物；2#试样裂纹内C含量较高，主要为Al、Si和Ca的氧化物夹渣富集，并且有大量Mg的化合物，裂纹内还有少量的As、Cu、Ni等元素。裂纹周围有Si夹渣，大量的Si、Ca及Al的氧化物等夹杂物和MnS夹杂。结合实验结果分析可知：1#试样表面裂纹产生的主要原因是由于浇注过程中结晶器保护渣的流动性恶化，结晶器内钢水液面波动大，钢水的流动不合理，浸入式水口插入结晶器深度不够等因素使保护渣卷入到坯壳中形成Al和Si氧化物夹渣富集于钢坯表层下面。夹渣形成以后，在连轧过程中，夹杂物逐渐露出钢材表面，在应力作用下沿夹渣富集处形成裂纹。2#试样表面裂纹周围存在脱碳现象，说明表面裂纹主要是在均热炉中均热时因为温度不均匀导致局部过热而产生的，并且在随后的轧制过程中不断扩展。针对表面裂纹的产生原因，提出了以下减少表面裂纹的措施：选用合适的保护渣、采用电磁制动技术、控制钢水的过热度、选择大容量的中间包等。关键字：表面裂纹；结晶器；保护渣；夹杂物………….000000000000000000000000000000000000000000AbstrctInrecentyears,applicationofperitecticsteelhasbeenmoreextensive.However,surfacecrackisoneofthemajordefect,whichhasgreatimpactonthequalityofthesurfaceandseriouslyaffectsthepassingrateofproductsseriously.Soit’sverymeaningfultoobservethemorphologiesandthemirco-structureofthesurfacecracksandinvestigateincausesofthesurfacecracks.Thetestmaterialsaretwoperitecticsteelbars(15CrMo),whichareafterrollinginthispaper,bothofthelengthare250mm,diametersare100mmand75mm.Theformerisnumbered1#andthelatterisnumbered2#.Thepresentpaperhasanalyzedthesurfacecracksofthebarsbymircroscopictest,electiondiffractionspectrometer(EDS)andchemicalcompositionanalysisoftheinclusions,themorphologiesandthemirco-structurecharactersofthesurfacecrackshavebeenknown.Accordingtotheresultsofcracks,thecausesofthesurfacecracksareanalyzed.TheresultsshowsthattherearehighcontentofC,O;moreoxideinclusionsofCa,SiandAlandasmallamountofMgcompoundsinthecrackofthefirstsample(1#).Besides,aroundthecracktherearealargenumberofotherinclusionssuchasSiandMnS.TherearehighcontentofCinthecrackofthesecondsample(2#).Furthermore,oxideslagsofAl,SiandCaenrichinthecrackandalargenumberofMgcompoundsinthecrack,asmallnumberofAs,Cu,Niandotherelementsarealsofoundinthecrack.ThereareinclusionofSi,alargenumbermoreoxideslagsofCa,SiandinclusionsofAlandMnSaroundthecrack.Combiningtheexperimentalresults,thepapershowsthatthecausesofthesurfacecracksofthefirstsample(1#)isthatthemoldwallisinvolvedintheblankshell,formsoxideslagsofAl,SiandCaandenrichbelowthesurfacebilletbecauseofsomefactors,whicharethedeteriorationofthemobilityofmoldpowderintheprocessofcasting,thelargefluctuationsofthesurfaceofmoltensteelinmoldflux,theunreasonableflowofmoltensteel,theinappropriatedepthofsubmergednozzleetc.Aftertheformationofslag,inclusionsaregraduallyexposedinthesurfaceofsteelduringtheprocessofrolling,andformcracksalongtheslagenrichmentunderthestress.Thedecarbonizationphenomenonisfoundaroundthesurfacecrackofthesecondsample(2#).Thisshowsthatsurfacecracksaremainlyformedwhenthebarsareheateduniformlyinuniform-heatingfurnace.Forthecausesofsurfacecracks,somemeasuresareproposedasthefollowingsoastoreducethesurfacecracks:selecttheappropriatemoldflux,usethetechnologyofelectromagneticbraking,controltheoverheatingofmoltensteelandselectthelargetankmiddle-capacityetc.Keywords：Surfacecrack；Moldwall；Moldflux；Inclusions目录1文献综述 11.1本课题的主要研究意义及研究内容 11.1.1本课题的研究意义 11.1.2本课题的研究内容 11.2包晶钢的简介 11.2.1包晶钢的定义 11.2.2包晶钢的凝固特点 21.3棒材缺陷的研究现状 31.3.1棒材缺陷的种类 31.3.2棒材缺陷形成的根源 31.4包晶钢棒材表面裂纹的研究 41.4.1表面裂纹的形成机理 41.4.2表面裂纹的影响因素 41.4.3减少铸坯表面微裂纹的措施 82实验研究方法 92.1实验材料 92.2实验设备 92.3实验过程 102.3.1宏观检验 102.3.2微观检验 102.3.3现场工艺了解 113实验结果与讨论 123.1宏观形貌特征 123.2微观形貌特征 123.2.11#试样裂纹SEM分析 123.2.22#试样裂纹SEM分析 173.3试样的金相组织 203.4讨论与分析 214结论 24参考文献 25致谢 271文献综述1.1本课题的主要研究意义及研究内容1.1.1本课题的研究意义近年来，包晶钢的应用越来越广泛。然而，由于偏析和严重的体积收缩形成的表面裂纹是钢中最为常见又比较严重的缺陷之一，对其表面质量影响很大。表面裂纹严重的导致钢材报废，表面裂纹不严重的也需要剥皮，导致工作量增大，并且造成能源的浪费。所以对包晶钢棒材表面裂纹的研究是非常有意义的。1.1.2本课题的研究内容本文通过对包晶钢棒材进行取样、制样、宏观观察、扫描电镜及能谱分析和裂纹尖端组织观察等过程，结合实验结果分析表面裂纹产生的原因并提出相应措施。1.2包晶钢的简介1.2.1包晶钢的定义包晶钢是含碳量约为0.09%～0.17%，在凝固过程中会发生包晶发应，并且伴随这一转变还出现较大的体积变化和线收缩的钢种。此钢种容易发生结晶器漏钢事故和铸坯表面质量缺陷，是连铸较难浇铸的钢种[1]。由于包晶钢的含碳量很低，属于典型的中碳钢，而且发生包晶反应的温度较高，反应速度（实际上是碳的扩散速度）相当慢，化学成分较难达到均匀，所以容易产生偏析，而且很难消除，材料易发生断裂。1.2.2包晶钢的凝固特点在中碳钢的凝固过程中，包晶反应是发生的一系列相变中的其中一个相变。与包晶反应有联系的比体积变化可导致裂纹的形成与宏观偏析。钢液的凝固过程相图见图1.1：图1.1钢液凝固过程相图在Fe-C相图中，1495℃时发生包晶反应：δFe(g)+L(l)→γFe(g)。在此反应中，δFe(ωC=0.10%)、γFe(ωC=0.18%)和L(ωC=0.53%)三相共存。包晶钢的凝固正好处于包晶区，其凝固过程为：包晶反应区域的钢水浇入结晶器后，当靠近结晶器壁的钢液的温度降到液相线温度时，首先从液体中结晶出固体δFe，并以枝晶形式长大；当液体温度低于1495℃时，发生包晶反应δFe+L→γFe，围绕δFe枝晶形成γFe包层，构成δFe+L→γFe的三相界面；温度继续降低，γFe相通过碳原子在相界面上扩散长大，不断消耗δFe相和液相，直到全部变成在Fe-C相图中，碳含量在0.09%～0.53%区间的碳钢都会发生包晶反应，只是当碳含量大于0.18%后，由于液相较少，包晶反应造成的收缩也较小。通常碳钢包晶区碳含量为0.09%～0.18%，收缩量最大时包晶点的碳含量为0.15%左右[2]。包晶凝固的特点主要归纳为[3]：⑴液态无限互溶，固态有限互溶；⑵γ在δ中的分配系数小于1；⑶两条液相线按同一方向倾斜；⑷在温度略低于TP以下时，成分为C的液体与成分为A的δ相产生包晶反应，形成成分为B的γ相，即：LC+δA→γB1.3棒材缺陷的研究现状1.3.1棒材缺陷的种类棒材通常是采用轧制、挤压或锻造工艺制成的半成品。棒材中的缺陷主要分为表面缺陷和内部缺陷两种，如图1.2所示，内部缺陷主要是由铸锭和坯料内的缺陷在轧制等工艺过程中延展而成的，主要是位于中心部位的缩孔和夹杂物，以及变形过程中因这些缺陷而产生的裂纹等。表面缺陷主要是裂纹和折叠。棒材的多数缺陷都沿纵轴延展，当轧制变形量较大时，缺陷也会变得更长些[4]。市场上对无表面缺陷和无内在缺陷的棒材和线材的需求量很高。图1.2棒材主要缺陷1.3.2棒材缺陷形成的根源不同的钢种在浇注和轧制过程中的表现完全不同。对由连铸(CC坯)和传统的浇注(模注)所生产的材料经常会有缺陷。这些缺陷可能包括坯料表面下的结晶器保护渣、夹渣或偏析等[5]。后者可能会产生低熔点相，在轧制过程中会部分熔化，导致结疤和横向角裂。当进行不合适的冷却时则常常会产生纵向表面裂纹。在轧制过程中，不合适的尺寸弯曲、扭曲的或菱形的坯料可能造成诸如扭曲之类的严重缺陷。所以，为了生产优质产品，在轧制以前通常要对坯料的表面进行研磨。1.4包晶钢棒材表面裂纹的研究1.4.1表面裂纹的形成机理包晶钢棒材表面裂纹的形成主要可以归结为钢自身的高温力学性能、凝固冶金行为这两个方面的原因。不少研究者[6,7,8,9]通过大量的试验和理论分析提出了如下所述的裂纹形成机理：⑴力学观点。①临界应力：以凝固过程中坯壳所承受的应力来判断裂纹的形成。如应力超过了固相线温度附近临界强度值时就会产生裂纹。②临界应变：当固液界面固相的变形量超过临界应变值时就产生裂纹。⑵冶金学观点。①晶界脆化理论：在凝固前沿大约液相分率为10％富集溶质的液体薄膜（如硫化物）包围树枝晶，降低了固相线温度附近钢的延性和强度，当外力作用时裂纹就沿着晶界发生，致使凝固前沿产生裂纹。②柱状晶区的切口效应：凝固前沿的柱状晶生长的根部，相当于一个切口，产生应力集中而导致裂纹。③硫化物脆性：硫化物沿晶界分布形成Ⅱ类硫化物，引起晶间脆性，成为裂纹优先扩展的地方。④质点沉淀理论：铸坯在冷却凝固过程中，AlN等质点在奥氏体晶界沉淀，增加了晶界脆性，增加了裂纹的敏感性。⑤偏析理论：任何事物的发生、发展都是由内因和外因共同作用的结果，裂纹的形成也不例外。纵裂纹无论外观有何差别，在裂纹形成前都存在着局部偏析，这种偏析总是在铸坯表面沿树枝晶表面主轴扩展。偏析包括C、Mn、P、S的富集。纵裂开口部位总是沿偏析厚度和长度方向扩展。⑥非金属夹杂物理论：钢中各类夹杂物含量的增加，加强了钢的裂纹的敏感性。而夹杂物来源途径主要有两种，即外来夹杂和内生夹杂。其原因包括：脱氧产物、渣卷入、耐材熔损及氧化产物等。成分组成主要为Al2O3,复合产物和硫化物。在钢水洁净度一定的情况下，夹杂物的数量和分布主要取决于铸机类型、拉速、浇注温度及中间结构等。1.4.2表面裂纹的影响因素影响连铸坯表面纵裂纹的形成和发展的因素很多，但这些因素一般可分为化学成分和工艺因素两方面。1.4.2化学成分对包晶钢纵裂的影响是通过影响其高温力学性能实现的，一般改善钢的高温力学性能(特别是第Ⅰ脆性区性能)的元素对防止纵裂都有有益作用,而恶化高温力学性能的元素促使表面纵向裂纹的增加。.1碳含量的影响碳是钢中最基本的元素，对组织性能影响最大，其对钢的凝固收缩、结晶器导出热量等都有影响，对钢的热裂倾向性影响很大[10]。碳含量为0.09％～0.15％时，钢水在凝固过程中发生包晶反应，在发生δFe(g)+L(l)→γFe(g)相变时，在相变过程中线收缩量增加3.8％的体积收缩，产生较大的收缩应力，铸坯与结晶器壁之间产生较大的空隙，空隙处传热速率降低，局部凝固迟缓，造成坯壳厚度不均匀，应力下裂纹在凝固壳薄弱处产生。所以碳含量在包晶区内，铸坯纵裂纹发生率高(见表1.1)。为保证某些钢的性能指标，不能完全通过降低或提高C含量来避开包晶区，因而重要的是准确控制影响结晶的初生坯壳生长的工艺因素，来防止裂纹的产生。表1.1钢水中的碳含量与纵裂影响调查表[11][C]成分/％纵裂出现的概率/％纵裂程度0.03～0.071.0轻微0.07～0.1630.0严重.2硫含量对包晶钢表面纵裂有很大的影响，在碳含量不变的情况下，硫含量增加则纵裂的可能性增加。这是由于硫在钢中的溶解度极小，与铁生成化合形成低熔点的热脆性共晶体,并在晶界析出所致，硫偏析降低了比表面能,析出物与基体的结合力因硫的偏析而下降，促进了晶界滑移。硫引起的晶界脆化与钢的Mn/S有很大关系，当钢中Mn/S<40时，发生严重脆化现象。钢水中硫和磷是影响钢的裂纹敏感性的重要元素。磷、硫在δ-Fe中的溶解度及扩散系数要比在γ-Fe中大得多，在相变时有可能产生晶界富集[12]，而且使钢的塑性下降而变脆。此外，提高钢中锰硫比，可以减少纵裂纹发生率，一般[Mn]/[S]<100时，纵裂纹发生率较高。资料显示[13]，当S含量在0.015％以上时铸坯的裂纹敏感性随S含量的增加而增加，裂纹指数升高。这是因为硫使钢的延伸率显著降低的缘故，图1.3为S含量与裂纹发生率的关系图。图1.3S含量与裂纹发生率的关系.3酸溶铝的含量以及Ca/Als比率可能是影响铸坯质量的又一项关键因素。钢中Al2O3的质量分数若太大，当钢水注入到结晶器以后，钢中Al2O3上浮到钢液面，被液态保护渣吸收溶解，促成保护渣粘度迅速增加，使坯壳表面渣膜减薄，厚度不均，以致结晶器内的传热和润滑也不均匀，从而造成铸坯的纵裂。.另外，与纵裂有关的元素还有Al、As、Nb、V、Ti等。铝对钢液纯净度有影响，与水口堵塞关系很大，影响结晶器内钢液流场分布的稳定性，从而影响凝固坯壳的均匀性。Al、As、Nb、V、Ti、B都会形成沉淀质点，在微细的裂纹源上析出，促进裂纹的扩展。.2拉速的波动和增大都会导致铸坯表面纵裂的产生，拉速增大导致凝固初期结晶器钢水凝固推迟和坯壳表面平均温度升高，在结晶器内生成的坯壳越薄,坯壳不均匀性就越严重。拉速越低,铸坯在冷却区受到的冷却强度越大,使铸坯易产生表面裂纹和内裂。而拉速变化导致负滑脱时间变化而产生纵裂,保证负滑脱时间不变，则拉速变化对表面纵裂理解的影响可以得到控制。1.4.2钢水在结晶器内凝固过程中释放的热量有钢水过热、凝固潜热和坯壳显热，浇注温度高则钢水过热大，导致钢水凝固推迟、坯壳厚度减薄且坯壳平均温度升高[l4]，在应力不变的情况下，由于坯壳温度向钢的第工脆性区移动，则纵裂倾向加重。.3结晶器外表温度过低，液面波动过大，冷却强度不够，锥度不合理，连铸保护渣的厚度过大，黏度、熔点、熔化速度、碱度等不合理等均会导致表面裂纹的形成。包晶钢由于初生凝固坯壳生长不均匀，在冷却水量控制方面要求进行弱冷，以增强坯壳变形能力，需采用提高保护渣碱度和适当减少结晶器冷却水量的措施来控制结晶器内冷却强度[15]。在结晶器传热过程中,结晶器壁和坯壳间的渣膜对传热系数的控制起着重要作用。不同冶金性能的保护渣其控制传热的能力不同。低的粘度便于保护渣流入坯壳和结晶器壁之间,快速形成保护渣膜。导热性一般是通过控制保护渣的碱度来获得,碱度大于1.0的保护渣,凝固后形成晶体,导热性差,相应结晶器的热流密度低[16]。所以用降低液渣层的粘度的方法来满足润滑防止纵裂及拉漏，同时使保护渣具有适当的凝固温度和结晶温度以增加烧结层和粉渣层的比例减缓传热，抑制表面裂纹的产生。日本和歌山钢厂研究得出，采用发热型保护渣进行浇铸，可以改善保护渣的熔化性能，减轻纵裂纹[17]。结晶器进出水温差、进水温度及进水流量对纵裂也存在影响，减小结晶器内冷却水流量或提高进出水温差，可以使导热减小，由此可以减小表面纵裂。.4液面波动大,阻碍液渣均匀流入，导致坯壳凝固不均匀，引起表面纵裂；液面波动大，钢水溢过渣圈，液渣流入空隙后形成厚的渣膜，导致坯壳厚度不均匀,引起表面纵裂。浸入式水口的插入深度过浅,使液面波动大,将阻碍液渣均匀流入结晶器与坯壳之间的空隙,液渣导致坯壳凝固不均匀,引起表面纵裂纹。浸入式水口插入过深,纵裂指数增加。英国钢铁公司研究表明[18]，水口浸入深度对坯表面缺陷有明显影响，因为浸入式水口插入过深,从两个侧孔出来的钢水带到弯月面上的热量不足,结晶器上部钢水温度偏低，使保护渣不能均匀熔化，夹杂物冲入结晶器较深，上浮路径长导致上浮困难，容易形成非金属夹杂物，另外保护渣熔化不足，液渣层过薄，流入不均匀，在坯壳较薄弱处产生微细纵裂纹。浸入式水口的插入深度过浅，钢流可以将液渣裹入凝固前沿，形成非金属夹杂物，从而导致表面裂纹的产生。.5钢水过热度的影响中间包钢水过热度过高或过低对板坯表面纵裂均有不利影响,过热度高,钢水温度高,生成的坯壳薄且热应力大,易产生表面裂纹;过热度低,使保护渣溶化不良,导致弯月面冷却不均匀,也易产生表面裂纹。.6脱氧产物、渣卷入、耐材熔损及氧化产物等非金属夹杂物钢包渣中的FeO和MnO使钢水中的[O]总增加，致使钢水中产生大量的大型夹杂物主要为钙铝酸盐、钙硅酸盐、硅锰酸盐、硅铝酸盐和硫化物等，还有大量的氧化物夹杂。钢包渣带入结晶器，不仅恶化钢的纯度还可能导致表面裂纹的产生。这是因为带入的钢包渣使结晶器保护渣中的CaO/SiO2升高，Al2O3含量升高，因而恶化保护渣的润滑性。冷钢水的热浮性小，容易将乳化的渣粒带入结晶器内，形成非金属夹杂物，增加了裂纹敏感性[19].连铸机其它状况对纵裂也存在影响，结晶器浸入式水口堵塞或安装的原因，使钢液出现偏流，两边坯壳厚度不均匀会造成纵裂的产生；结晶器与出结晶器后铸坯支撑系统对弧不良也会造成铸坯纵裂的产生；对弧不良使铸坯承受额外的应力，在坯壳强度不变的情况下，应力增加使在结晶器内产生的微纵裂易于扩展和延伸。1.4.3减少铸坯表面微裂纹的措施为了改善铸坯质量，减少铸坯的表面裂纹,采取的有效措施主要概括为以下几点：提高钢水洁净度，减少钢中内生和外来夹杂物数量。减少钢中夹杂物主要措施包括：无渣出钢、钢包精练、Ca处理、高性能优质耐材、合理的结晶器保护渣、中包结构及容量、水口倾角及深度、合理浇铸温度等。控制钢中[c]、[s]、[p]的含量，尽量使[c]最好避开包晶钢范围（0.09％～0.17％），[s]、[p]控制在0.035％以下。②采用凝固温度高而黏度低的保护渣[20]。结晶器保护渣性能与铸坯纵裂密切相关。这是因为凝固温度高的保护渣有助于减少通过结晶器的热流；低黏度的保护渣可提供足够的润滑，所以对减少表面裂纹很有效。③采用结晶器电磁制动。在拉速提高情况下，由于从水口中流出的钢流速度提高，使结晶器内的液面波动加剧，从而易使铸坯产生卷入保护渣、夹杂物等。而结晶器电磁制动可以将结晶器液面起伏控制在很小的范围内[21,22]。④采用大容量中间包此方法可以延长夹杂物的上浮时间，提高钢的清洁度，有利于生产质量较好的钢种。多数连铸机应用了中间包热周转技术，以降低耐材消耗：如日本神户制钢加古川厂就采用了大容量中间包[23]。⑤采用合适的浸入式水口的插入深度插入深度既要兼顾减少纵裂纹又要减少裹渣,最佳插入深度为100～140mm，其中30mm是插入钢液的最小深度(防止裹渣)，另一个30mm是保护渣层的最大深度，第三个30mm是考虑到钢液面波动，最后10mm是考虑两侧孔出来的钢流有时会发生偏流，即有一个侧孔出来的钢流大于另一个,因而在该侧容易卷渣。⑥合理的连铸工艺参数。合理的控制连铸工艺参数，其中包括采用拉速、冷却制度及对中及包水口倾角等。此外，适当降低钢水的过热度,实现低过热度浇注，适当调整冷却制度，选用合适的振动频率、振幅和负滑脱时间的结晶器可以有效得减少表面裂纹的产生。2实验研究方法2.1实验材料本文的实验材料为15CrMo包晶钢连铸坯，剥皮2mm，无探伤裂纹，然后进行连轧。选取连轧10道次后的直径为100mm棒材，编号为1#；选取12道次后的直径为75mm的棒材，编号为2#。2.2实验设备①抛光设备金相试样抛光机，仪器型号：PG-1；转速：900r/min；抛光直径200mm。②金相分析设备（见图2.1）武汉科技大学金相实验室ZEISS金相显微镜，仪器型号：Axioplan2。金相显微镜，仪器型号：XJP-2C型。武汉科技大学第二金相实验室多功能金相显微镜。大型金相显微镜，仪器型号：UN2。多功能金相显微镜③扫描电镜及能谱分析（见图2.2）场发射扫描电子显微镜（SEM），仪器型号：Nova400Nano。电子背散射衍射仪，仪器型号：HKL。X射线能谱仪，仪器型号：Le35度PentaFETX-3等。2.2扫描电子显微镜组合图④其它设备立式砂轮机，仪器型号：S3ST-250；转速：2800r/min；砂轮线速度：40m/s；功率：1.1kw。手提式砂轮机，仪器型号：S3ST-225。线切割机，仪器型号：DKM400。2.3实验过程2.3.1宏观检验ф100钢材表面有一层厚厚的氧化铁，而表面微裂纹形成在铸坯表面,形状细小,常常隐藏在这层氧化铁皮下,肉眼无法观察到,所以要用手提式砂轮将表面打磨处理光洁后，通过目视及用放大镜观察表面裂纹，在裂纹位置取样，标记为1#。ф75钢材表面不需经过上述处理，肉眼观察不到裂纹，而是直接用着色渗透探伤剂检验包晶钢棒材试样的表面缺陷，在探伤出的裂纹位置取样，标记为2#。2.3.2微观检验试样的制备.1取样用切割机在包晶钢棒材表面探伤出裂纹的地方截断横向切割取样。.2磨样先粗磨后手工细磨，即将切割好的试样沿含表面裂纹且垂直于表面裂纹的面用立式砂轮机打磨，将不规则的面打磨成平面。粗磨后将试样和手洗干净，以防将粗沙粒带到细磨的砂纸上，造成深磨痕。然后再用砂纸按由粗到细即从小到大（180、400、600、800、1000、1200、1500）的顺序进行磨样。.3抛光细磨后的试样冲洗后，将置于抛光机圆盘上抛光，直至试样磨面呈平整、光亮、无痕的镜面。抛光结束后立即冲洗试样，用酒精擦洗，热风吹干，置于100×下金相显微镜下观察，此时能看到明显的裂纹形貌，要求无明显划痕残留。扫描电镜及能谱分析将抛光好的试样置于扫描电子显微镜下进行观察，了解裂纹的局部微观形貌，并且拍照观察。再用电子能谱仪对裂纹内部及裂纹周边的夹杂物进行定量成分分析，记录数据。金相组织分析将试样用4％的硝酸酒精溶液腐蚀，再用酒精棉球擦洗，然后用吹风机吹干，最后用多功能显微镜观察裂纹尖端及裂纹旁的组织并拍照记录数据。2.3.3现场工艺了解参观棒材生产现场，了解连铸连轧全过程并分析裂纹产生的工艺原因。3实验结果与讨论3.1宏观形貌特征ф100钢材（1#试样）表面用手提式砂轮机打磨处理光洁后，通过目视及用放大镜观察可以发现明显的表面纵向裂纹。ф75钢材（2#试样）表面不需经过上述处理，肉眼观察不到裂纹，而是直接用着色渗透探伤剂检验，并在探出裂纹处用笔圈出。1#试样的裂纹宏观形貌如图3.1所示：图3.11#试样的裂纹宏观形貌由图可见，裂纹长度约30mm，沿轴线方向分布，与拉拔方向一致。3.2微观形貌特征3.2.11#试样裂纹SEM分析图3.21#试样裂纹全貌（×500）由图3.2可知，1#试样裂纹深度约300μm，从棒材边缘向心部扩展，且呈开口状,头部较宽,尾部尖锐，裂纹走向与钢材表面大致呈45°。裂纹破碎，断断续续，有部分好区，说明裂纹有多处裂纹源。此外，靠近棒材边缘处夹杂物富集区较多而且分布比较密，靠近中心处夹杂物富集区较少而且分布比较稀疏，说明该裂纹主要是因为少量脱氧产物和保护渣一起卷入坯壳中形成夹杂物，这些夹杂物夹渣分布于钢坯表层下面，在此后的连轧过程中，随着棒材直径逐渐减小，棒材边缘夹杂物分布逐渐密集，在应力作用下夹杂物富集产生表面裂纹。图3.3裂纹末端由图3.3可得：裂纹末端C、O含量较高，还有少量的Al、Si和K。该图说明裂纹末端含有Al2O3、Si和K2O等。图3.4裂纹中部（位置如图3.2中1所示）由图3.4可知：裂纹中部地区C、O含量较高，还有少量的Ca和Mg，说明裂纹中部含有较多的CaO和MgO夹渣较多，MgO主要是耐火材料脱落于钢水中连铸形成的夹杂物。图3.51#试样裂纹中下部（位置如图3.2中1所示）图3.61#试样裂纹中下部左方（位置如图3.5中1所示）由图3.6可知：1#试样裂纹中下部左方有大量的夹杂物存在，其中最长的长条棒槌状夹杂物中含有大量的S和少量的Mn，说明该夹杂物主要为MnS，还有少量的FeS。图3.71#试样裂纹下部左方（位置如图3.6附近）由图3.7可知：在1#试样裂纹中下部左方的大量夹杂物中，较短的长条棒槌状夹杂物中所含的S、Mn量大相径庭，说明此处主要是MnS。图3.81#试样裂纹下部左方（位置如图3.7附近）由图3.8可知：在1#试样裂纹中下部左方的大量夹杂物中，靠右上方的圆形夹杂物中O、Si含量较高，即此处夹杂物为SiO2。图3.91#试样裂纹下部（位置如图3.5中2所示）由图3.9可知：1#试样裂纹下部有大量间断的黑色空洞，在空洞内含有大量的C、O和少量的Ca，即该处主要为CaO夹渣。图3.101#试样裂纹下部旁边（位置如图3.5中2所示）由图3.10可知：该处的圆形黑色空洞中含有大量的Si，此处主要是大量的Si夹渣。图3.111#试样裂纹右部由图3.11可知：1#试样裂纹右部分布着稀少的散状的黑色小颗粒。经能谱仪分析确认为Si夹渣。图3.121#试样裂纹右部（位置如图3.11中1所示）由图3.12可知：1#试样裂纹右部的长形夹杂物中O、Si、C含量较高，还有少量的Al元素，即此处主要为Al2O3和Si夹渣。3.2.22#试样裂纹SEM分析图3.132#试样裂纹全貌（×1000）由图3.13可知：2#试样裂纹深度约400μm，也是从棒材边缘向心部扩展，裂纹走向与钢材表面大致垂直。裂纹中间有两处夹杂物富集区，这些裂纹夹杂物富集区产生扩展的裂纹源扩展连接形成了一条大裂纹。裂纹周围夹杂物较多较密，右边在棒材边缘还萌生了数条小裂纹。图3.14裂纹中上部（位置如图3.13中2所示）由图3.14可知：裂纹中上部C含量较高，还有少量的O、As、Ni、Cu等元素，即主要为Al、Si和Ca的氧化物夹渣富集于此。图3.152#试样裂纹中部（位置如图3.13中3所示）由图3.15可知：2#试样裂纹中部的黑色孔洞里O、C含量很高，另外还有较高含量的Mg、Al和Ca元素，还有少量的Si。经过分析，此处夹杂物富集区主要富集了大量的MgO、Al2O3、CaO和SiO2等夹杂物。图3.162#试样裂纹及周边（×1000）由图3.16可知：2#试样裂纹周边还有一条短小的直裂纹，周边分布着大量的散装的，大小不一的黑色夹杂物。图3.172#试样裂纹左边（位置如图3.16的1所示）图3.182#试样裂纹左边（位置如图3.16的1所示）由图3.17、3.18可知：2#试样裂纹左边主要是大量的散装分布的长条形的硅铁夹杂物和圆形的CaCO3夹杂物。图3.192#试样裂纹右部（位置如图3.16中2所示）图3.20（位置如图3.19中的1所示）由图3.19、3.20可知：2#试样裂纹右部含有大量的MnS和CaO夹杂物和少量的Al2O3和SiO2等夹杂物。3.3试样的金相组织将两种钢样磨制抛光，经4％浓度的硝酸酒精溶液腐蚀后在NU2型金相显微镜下观察组织并拍照，其金相组织照片如下图所示：图3.211#试样（×100）图3.221#试样（×400）图3.232#试样（×200）图3.242#试样（×500）通过观察组织图可知：1#试样裂纹呈开口状，头部较宽，尾部尖锐，裂纹深度大约为0.3mm（图3.21）裂纹旁是珠光体和铁素体且钢件外表面无明显脱碳现象（图3.212#试样裂纹深度约为0.4mm（图3.23），裂纹旁有明显的脱碳现象（图3.23，3.24），这是因为裂纹与钢材表面曾经同时处于钢材轧制前的高温氧化气氛中进行加热，在此环境中，与高温氧化气氛直接接触的钢材外表面上的碳被氧化，使钢材表面产生脱碳层，据此可判断棒材2#试样的裂纹在轧制前已经存在而非轧制过程产生,即由连铸坯上已存裂纹传承下来。此外，从图中还可以看出，两条裂纹都是穿晶形成的（图3.22，3.243.4讨论与分析将1#和2#试样两种试样的宏观形貌对比可见：2#试样裂纹的深度比1#试样裂纹大，而且裂纹周边及远离裂纹的棒材边缘区域夹杂物与夹杂物富集区较多而且较密，2#试样裂纹内的夹杂物富集区比1#试样裂纹夹杂物富集区大且密，在轧制过程中更易扩展连接形成一条整体的大裂纹。此外，2#试样萌生的裂纹条数比1#试样萌生的裂纹多。可见，在轧制过程中，随着轧制道数的增加，随着棒材直径的变小，夹杂物不断露出表面，使靠近棒材边缘地区夹杂物变多而且密度变大，在应力作用下夹杂物更易富集产生表面裂纹，而且表面裂纹扩展的程度也变大。综合分析1#试样裂纹的扫描电镜和能谱图可得：1#试样裂纹内C、O含量较高，主要是CaO、MgO和Al2O3等氧化物夹渣富集于裂纹内部。裂纹周边主要是长条纺锤状的MnS和大的圆形夹杂物中含有大量的Si、O和Al，说明该夹杂物主要为MnS和圆形的SiO2夹杂，还有少量的Al2O3，横截面上分布着大面积的散状的Si。综合分析2#试样裂纹的扫描电镜和能谱图可得：2#试样裂纹内主要是CaO、MgO和Al2O3等氧化物夹渣富集于裂纹内部。裂纹周边主要是长条纺锤状的MnS，Al、Si、Ca的氧化物等夹杂物，还有大量的圆形的散状分布的Si。将1#和2#试样两种试样的扫描电镜和能谱图对比可见：两条裂纹内部及周边地区夹杂物成分大致形似，裂纹中均含有很高C的含量，这里较高的C的含量来源有两个：①主要是为了降低熔点，在结晶器保护渣中加入了较多的石墨或炭黑，随保护渣一起被卷入到坯壳中形成夹杂物；②少量是由于中间包中少量的耐火材料层，在钢液的浸蚀和反复冲刷下剥落到钢液中随保护渣一起卷入坯壳中形成的。这两种试样的裂纹周边含有大量的Si夹渣，这是由于炼钢过程中，钢液进行脱氧时，加入的硅铁过多，没有完全与氧反应，因而在钢液中生成一定数量的夹杂物。两种试样都还有一定量的MgO，这也是由于中间包中少量的耐火材料层，在钢液的浸蚀和反复冲刷下剥落到钢液中随保护渣一起卷入坯壳中形成的。此外，1#和2#试样裂纹旁边含有大量的分散分布的MnS非金属夹杂物，MnS是钢中典型的夹杂物，由于分散较散很少有集中现象，所以，对裂纹的形成影响也不大。略有区别的是2#试样裂纹内部还含有微量的As、Ni、Cu、P等元素，因为其含量比较少，所以对裂纹的形成影响不大。从1#试样和2#试样的裂纹尖端组织图中可见，两条裂纹都是由穿晶形成的，组织都是铁素体和珠光体。1#试样裂纹旁无明显脱碳现象而2#试样的裂纹旁略有轻微脱碳现象，说明2#试样在加热炉中均热时加热温度略有不均匀导致局部过热，一定程度上促进了裂纹的扩展。根据文献[24]，钢的氧化和脱碳是同时进行的，钢材表面的裂纹中氧化、周围产生的脱碳是钢坯在加热过程中产生的。裂纹中存在轻微氧化和脱碳，这是钢材表面裂纹来源于钢坯，在轧制过程中扩展产生的。因为脱碳的形成要满足两个基本条件：①脱碳要有较高的温度（700～800℃以上）；②要有足够的时间，碳原子由内向外发生扩散，与空气中的氧形成CO或CO2气体跑掉，导致裂纹周围脱碳。根据前面的能谱检测结果可以断定2#试样的表面纵裂纹来源于连铸坯。但脱碳程度较轻，所以，这不是裂纹形成的主要原因，只是在某种程度上起到促进裂纹扩展的作用而已综合比较1#试样和2#试样的实验结果并且结合现场工艺了解可以得出表面裂纹产生的主要原因是由于少量的脱氧产物和MnS夹杂物等由于某些工艺因素不合理，使其随钢水一起流入结晶器中，在结晶器中由于结晶器保护渣性能不合理或钢水流动性不良等问题导致保护渣随钢水卷入坯壳中形成CaO、Al2O3和SiO2等氧化物夹渣，这些夹杂物不规则得分布于钢坯中。夹渣形成以后，在随后的轧制过程中，随着棒材直径的逐渐减小，这些氧化物夹渣逐渐露出钢材表面，所以，在靠近棒材边缘地区氧化物夹渣的密度增加并且在应力作用下更加容易富集形成表面裂纹。使少量的脱氧产物和MnS夹杂物等流入结晶器中的某些工艺因素主要有两条：①中间包钢水的过热度。当钢水过热度过高时，会限制拉速，而且钢水温度较高，生成的坯壳薄且热应力大。此外，还加重了耐火材料的浸蚀，使钢中夹杂物增加，以上众多因素均易导致表面裂纹的产生。当钢水过热度过低时，使保护渣熔化不良，导致弯月面冷却不均匀，影响钢水中的夹杂物上浮，容易夹渣形成表面裂纹。②中间包的容量。中间包容量不够，夹杂物没有足够的时间和空间上浮，使钢水中夹杂物的含量增加，降低了钢水的纯净度。影响结晶器中卷渣的原因主要包括：①保护渣的熔化温度。当熔化温度过高时，不利于保护渣的熔化，形成的液渣层过薄，流入结晶器与铸坯之间的液体保护渣减少，保护渣的润滑性能减弱，易导致坯壳与结晶器壁之间的粘结。当熔化温度过低时，保护渣的熔化速度加快，液渣层增加，流入结晶器与铸坯之间的液体保护渣增加，保护渣膜增厚，结晶器内的热传输增大，将导致横向热梯度增加，使初生凝固坯壳传热不均，容易导致表面裂纹的产生。②保护渣的黏度。保护渣的黏度太高，保护渣流动性不好，形成的渣膜厚度不均匀。保护渣的黏度太低时，形成的保护渣膜厚度较薄。两种情况均会得到较高的结晶器热流，使坯壳厚度不均匀。其不均匀性会造成传热和摩擦力的不同，导致表面裂纹的产生。③保护渣的熔化速度。保护渣的熔化速度过快时，粉渣层不易保持，使热流损失增大，液渣面易结壳，可能导致夹渣。保护渣的熔化速度过慢时，形成的液渣层过薄，钢水流入不均匀，容易在坯壳薄弱处产生表面裂纹。④保护渣的碱度。低的保护渣碱度，可以改善保护渣的润滑条件和传热条件。⑤水口浸入深度。水口浸入深度过深，从两个侧孔出来的钢水带到弯月面上的热量不足，结晶器上部钢水温度偏低，使保护渣不能均匀熔化，夹杂物冲入结晶器较深，上浮路径变长导致上浮困难，容易形成非金属夹杂物。水口浸入深度过浅，钢流可以将液渣裹入凝固前沿，形成非金属夹杂物。所以，水口浸入深度过深或过浅，都容易导致夹杂物增加，从而导致表面裂纹的产生。根据表面裂纹产生的原因，可以提出以下几条措施：①控制中间包钢水的过热度。②选择合理性能的结晶器保护渣。③选用合适的水口浸入深度。4结论1.表面裂纹产生的主要原因是由Al和Si氧化物夹渣分布于钢坯的表层下面，在轧制过程中由于应力作用使Al2O3和SiO2等夹杂物在棒材表面集中富集而产生表面裂纹。2.钢中的夹杂物主要是结晶器中的保护渣卷入钢液中所造成的。3.轧制道次越多，夹杂物密度越大，越容易富集形成表面裂纹。参考文献[1]汪洪峰、姜加和等.包晶钢连铸板坯表面质量的控制.冶金丛刊.2004（2）.[2]胡志刚、马春林等.CSP薄板坯连铸包晶反应区域的研究[J].钢铁研究学报.2006，18（7）.[3]D、A波特.金属和合金的相变.冶金工业出版社，1988：234.[4]马恒儒等.超声检测《.国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》.机械出版社.2005,7：189-190[5]余蓉译等.线材在轧制中的表面裂纹.上海钢研.2005（1）.[6]冶金报社·连续铸钢500问[M]·北京:冶金工业出版社,1994.[7]AngelaJablonka,KlausHarste,KlausSchwerdtfeger.ThermechanicalPropertiesofIronandIron-CarbonAlloys:DensityandThermalcontract