国内H型钢由方坯及异型坯两种坯型轧制生产，异型坯形状独特，连铸生产中表面温度极不均匀，应力、应变状况复杂. 在异型坯生产H型钢的过程中存在冶废，缺陷形式包括龟裂、裂纹、夹杂、掉肉、凹坑、结疤；同时存在技废，缺陷形式包括超差、波浪、压痕、弯曲、机伤、折叠、中废等质量问题. 采用连铸异型坯生产H型钢产品常出现裂纹缺陷, 寻找裂纹形成原因并制定有效的解决方案和措施是H型钢企业降低生产成本、提高市场竞争力的关键. H型钢成品中容易出现两种裂纹失效形式，即腹板裂纹和矫直裂纹. 当这两种线形裂纹发生位置都在腹板与翼板连接R角处或者靠近腹板一侧，即位置相同且裂纹形貌相似时，肉眼检查时难以区分裂纹种类，从成品上判断裂纹产生工序具有困难性. 本研究通过宏观微观相结合的方法判断H型钢腹板裂纹与矫直裂纹，确定裂纹成因，为实际工业生产鉴定裂纹产生工序提供依据，并采取有效手段进行控制^[1-4].

1.   检测

1.1   宏观形貌

从现场取回带有裂纹的两块型钢成品，其裂纹发生在腹板与翼板连接R角处且接近腹板一侧，裂纹呈直线型，贯穿整个型钢长度，裂纹沿轧制方向无分叉，无法确定裂纹源位置，如图1所示.

图  1  缺陷部位的宏观形貌

Figure  1.  Macro-morphologies of fractures

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1.2   取样

分别从1号试样和2号试样上带有裂纹最深的部位切取20 mm×20 mm块状试样，如图2所示. 在裂纹附近取金相、冲击及拉伸检验试样，同时在远离裂纹的试样基体部位上取冲击及拉伸试样. 采用压力机沿1号试样和2号试样上带有裂纹的地方压开，观察断口形貌.

图  2  取样位置

Figure  2.  Sampling position

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1.3   检验分析

1.3.1   金相检验

磨制1号和2号试样横向面，抛光后采用4%浓度（质量分数，全文同）的硝酸酒精腐蚀，通过光学显微镜对裂纹表面形态和裂纹周围的组织进行观察和分析，如图3所示.

图  3  缺陷部位的金相检验

Figure  3.  Metallographic test of defect site

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观察到1号试样缺陷的微观形貌具有以下特点：裂纹扩展路径为穿晶，裂纹有分叉，裂纹处及其附近的晶粒有粗化现象，裂纹两侧存在氧化和脱碳现象，脱碳的铁素体与裂纹垂直，裂纹附近有氧化圆点，如图3(a)所示. 观察到2号试样缺陷的微观形貌具有以下特点：裂纹扩展路径为穿晶，裂纹没有分叉，裂纹处及其附近的晶粒没有粗化现象，裂纹两侧无氧化和脱碳现象，裂纹周围为冷变形组织，正常组织为珠光体+铁素体，如图3(b)所示.

图  4  1号试样断口上的氧化圆点

Figure  4.  Oxidation dots on fracture surface of sample one

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1.3.2   扫描电镜分析

将1号试样用压力机沿裂纹方向压开，采用扫描电子显微镜观察压开后的1号试样断口，整个断口面形貌为解理特征，断口上的夹杂物经能谱分析主要成分为O、Si、Mn 元素，断口上的夹杂物形态如图4所示. 该夹杂物能谱分析如图5所示. 这类夹杂物非冶炼形成的内生夹杂及外来夹杂，是由于铸坯表面存在裂纹，铸坯后期加热及热轧过程中（950~1180 ℃）裂纹与空气中的氧气贯穿形成氧化脱碳现象，其中钢中的碳与氧形成气体，硅与氧形成氧化圆点，锰为钢中基体元素未参与反应. 由此可知，这类夹杂物就是由硅与氧形成的氧化圆点，1号试样断口面上氧化圆点成分的定量分析结果见表1. 2号试样微观断口形貌如图6所示. 断口为河流状解理特征，断口面上没有发现硅与氧形成的氧化圆点，断口无异常.

图  5  氧化圆点能谱分析

Figure  5.  Energy spectrum analysis of oxidation dots

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表  1  氧化圆点化学成分

Table  1.  Composition of oxidation dots

元素	质量分数/ %
CK	6.76
OK	30.65
SiK	12.03
MnK	29.22
FeK	21.34

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图  6  2号试样断口形貌

Figure  6.  Fracture morphology of sample

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2.   对比分析与讨论

2.1   两种缺陷产生的工序

结合金相与断口分析结果可知，1号试样裂纹产生于铸坯表面，属于连铸缺陷. 1号试样宏观裂纹表现为直线型裂纹，贯穿或断续分布于腹板与翼板连接处偏腹板一侧. 裂纹微观形貌表现为从试样表面向内部扩展，裂纹在横向面上有分叉，裂纹周围有氧化脱碳现象并伴有氧化圆点，采用扫描电子能谱分析，氧化圆点主要成分为O、Si、Mn 等元素. 微观裂纹特征说明该裂纹经历过高温加热过程，基体中碳元素与空气中氧贯穿形成脱碳，同时脱硅形成氧化圆点，即显微组织中观察到的氧化圆点及氧化脱碳，主要原因是缺陷钢坯在加热炉长时间高温加热造成的^[5-6].

由于铸坯表面的细小腹板裂纹在氧化皮的遮掩下肉眼不易观察，带有裂纹的铸坯经过加热及高温轧制后，细小的腹板裂纹被拉长恶化，裂纹暴露于钢材表面. 通过以上检测分析确定，发生在腹板与翼板连接R角处接近腹板一侧的1号试样的缺陷裂纹为腹板裂纹，产生于冶炼工序，排除轧钢工序.

2号试样缺陷裂纹为矫直裂纹，其产生于矫直工序. 2号矫直裂纹宏观上表现为腹板与翼板连接处偏腹板一侧，微观形貌为裂纹两侧无氧化脱碳现象，裂纹周围为冷变形组织. 这是因为腹板与翼板在轧钢过程中延伸不均匀产生拉应力，矫直过程中当材料极限强度无法抵抗外来拉应力时则会产生冷变形的矫直裂纹. 通过以上检测分析可知，裂纹周围的冷变形组织是在非高温下受到外力时产生的金属流变，裂纹在横向面上无分叉，2号试样的矫直裂纹产生于轧钢工序，排除冶炼工序.

2.2   两种缺陷控制工序及措施

1号试样为H型钢腹板裂纹，异型坯生产H型钢铸坯的过程中极易出现铸坯的腹板裂纹，异型坯表面纵裂纹的发生位置主要在腹板、腹板与R角交界和翼缘3个区域，含B、含Nb等微合金钢纵裂纹发生率高于普碳钢. 产生腹板裂纹的主要原因：包晶钢区域生产异型坯、锰硫比控制不合理、洁净度控制较差、拉速过高或过低、保护渣的使用与钢种不匹配、结晶器和扇形段对弧精度差等. 肉眼可见的铸坯腹板裂纹可人工挑出，但是被覆盖在氧化铁皮下的小细纹铸坯缺陷将被带至轧钢厂进行后续热轧生产，成品中将暴露出裂纹缺陷^[5-6]. 应对措施为：控制钢水质量（低S、P和钢水温度），保证脱硫率；选择合适的保护渣；保证结晶器的冷却效果及合适的二次冷却水；保证过热度与拉速的合理匹配；加密检查铸坯质量.

2号试样为H型钢矫直裂纹，H型钢在万能轧机中，当腿部与腰部的金属延伸比严重不平衡时，特别是腰部金属延伸大于腿部时，容易在成品上形成腹板中间厚两边薄的现象. 当厚度差较大时，腹板较薄时，一旦压力较大，因受力超过其极限而撕裂. 热轧H型钢在入库打包前进行矫直，矫直裂纹在该工序处产生，矫直裂纹发生在腹板与R 角交界处偏腹板一侧. H型钢的矫直机采用的是大变形矫直，通过辊环横向的撑力和纵向的压力，使H型钢产生规定的几何形状. 但是大变形矫直后H型钢有较大的残余应力，而且由于不同规格H型钢生产节奏的差异，H型钢下冷床的温度不同，使H型钢矫直后产生残余应力不同. 加之万能轧制过程中腿腰延伸比不平衡形成的腹板中间厚两边薄，造成矫直时和矫直后H型钢腹板两侧通条的压痕在R角产生微裂纹^[7-8]. 应对措施为保证合理的压下量及腿部与腰部的金属延伸比平衡.

3.   结　语

在热轧H型钢成品的腹板与翼板连接R角处接近腹板一侧会出现两种位置相同、形态相近的裂纹缺陷，即腹板裂纹和矫直裂纹. 腹板裂纹是热裂纹，其历经高温加热、轧制过程氧化锈蚀，裂纹表面形貌为直线型且颜色发黑；矫直裂纹是冷裂纹，矫直后由于后续工序的油污及成品库堆放，裂纹内渗入油污且氧化锈蚀，裂纹表面形貌为直线型且颜色呈金属光泽或颜色发黑，这与放置时间和氧化锈蚀程度有关. 当发生位置都在腹板与翼板连接R角处时，失效分析人员从成品上判断裂纹产生工序具有一定困难.

宏观上，如果肉眼可见裂纹处呈现金属光泽则判断为矫直裂纹. 如果裂纹呈黑色，氧化锈蚀严重则需要微观进一步分析. 裂纹扩展路径为穿晶，裂纹有分叉，裂纹处及其附近的晶粒有粗化现象，裂纹两侧存在氧化和脱碳现象，脱碳的铁素体与裂纹垂直，裂纹附近有氧化圆点，可判定为腹板裂纹；而裂纹扩展路径为穿晶，裂纹没有分叉，裂纹处及其附近的晶粒没有粗化现象，裂纹两侧无氧化和脱碳现象，裂纹周围为冷变形组织，则属于矫直裂纹.

判断出裂纹所属类别，在工业生产中可有效判定裂纹产生工序及提出控制措施，提高产品成材率，增加产品效益.