浅析棒材表面裂纹特点及产生原因解读

浅析棒材表面裂纹特点及产生原因

引言：

表面裂纹是热轧棒材表面缺陷中最常见的一种,为清除这些缺陷,往往不得不花费大量的人力物力,有时还会严重影响企业的正常生产和经济效益。二轧车间自09年元月投产以来，生产的产品经常有表面裂纹的缺陷产生，8月中旬以后，表面裂纹尤其严重，不同钢种，不同规格，热送和冷装均出现裂纹，没有明显的规律，因表面裂纹压钢1400余吨，给轧钢精整工段的修磨工作带来巨大的压力。为此，轧钢部专门成立攻关小组，会同炼钢及质量部，对裂纹的产生原因进行了分析，取得了一些成效，但由于种种原因，没有达到预期的效果。结合对现场裂纹钢材一些数据的统计,参考国内相关专家的一些研究结果,提出了一些看法,希望能对解决二轧热轧棒材表面裂纹问题有所帮助。

1、裂纹的常见种类及特点：

1.1 裂纹分类

由于查不到棒材表面裂纹的准确分类，参照其他厂家的习惯，我们将表面裂纹

分为以下几类：

直型裂纹:指裂纹总长60%以上基本呈直线且偏角小于30度的裂纹。

曲型裂纹(不规则裂纹):除直型裂纹以外的裂纹。

长型裂纹:指裂纹长度大于等于300mm的表面裂纹。

短型裂纹:指裂纹长度小于300mm的表面裂纹。

宽型裂纹:指裂纹最大宽度大于等于1mm的表面裂纹。

窄型裂纹:指裂纹最大宽度小于1mm的表面裂纹。

深型裂纹:指裂纹深度大于0.4表面裂纹。

浅型裂纹:指裂纹深度小于0.4表面裂纹。

密型裂纹:指在圆周角小于等于30度所对应的圆周面上裂纹条数大于等于3条

的裂纹。

疏型裂纹:指在圆周角小于等于30度所对应的圆周面上裂纹条数小于3条的裂

纹。

由于二轧出现的裂纹对钢种没有特殊的针对性，为简化分析，主要针对45#钢进行统计分析，统计分析的批次其化学成分符合45#钢的标准要求。

1.2 二轧车间裂纹的特点：

我们对这些裂纹进行了仔细观察，总结了这些裂纹的表观特征：中间宽，两头细，呈凸透镜状，绝大多数裂纹长约10～30mm，中间宽约1～2mm，这些裂纹有单独出现的，大部分成簇状出现的，另外一部分是直长型，有通根长的，也有中间间断的出现，还有一部分就是密集不规则型。故在分析原因时我们分为以下几类：

①直长裂纹

②直、短、宽型裂纹

③密集不规则型裂纹

④发纹

2、形成表面裂纹的原因：

2.1 直长裂纹的形成原因

与轧制方向相同，呈直线或锯齿状，较长，有的甚至与轧面等长，连续或断续分布在轧材局部或全长，一般分布面不广，宏观为直长裂纹。金相高倍观察时发现，周边基体组织正常，部分裂纹处有脱碳现象，但脱碳层不深。裂纹槽底平直，裂纹源与裂纹末端形状差别不大，裂纹中或裂纹源处往往含有氧化铁（皮）夹杂。由此可见，细、直、长深型裂纹实质上就是折叠。在排除坯料表面的严重划伤的情况下，这种折叠现象是在轧制过程中由于出现耳子在翻转轧制压合形成的。

对于直长裂纹的成因，国内炼钢、轧钢专业的人员，已经形成共识，除非炼钢连铸后的运输过程中有严重的划伤，直长型裂纹大部分是轧制裂纹,其中直长深型裂纹实质是折迭裂纹、直长浅型大部分为拉丝裂纹。曾经在二轧车间发现的直长深的裂纹，经最后的确认，是由于连铸坯在连铸后运送过程中划伤的，这种情况其实是由于坯料检查检验过程出了问题，是生产组织和管理的问题，是完全可能避免的，所以本文排除这种情况。

2.2直、短、宽型裂纹的致因

这种裂纹呈短直线，与轧制方向同，两头尖，中间宽，分布无规律，分布面较广，裂纹较深。

在对直、短、宽型裂纹的金相观察时发现，这类裂纹与表面垂直，裂纹处有呈黑色蜂窝状气孔通道，周围基体有明显的脱碳现象，周围或尾部有氧化物夹杂的聚集。下面是二轧一年来收集的部分裂纹图片：

除9203210批外，其余裂纹大部分是属于直短宽型裂纹，为找出这类裂纹产生的原因，我们取样，到石钢做了高倍，裂纹深度分别为0.20、0.35、1.2mm，裂纹区域脱碳严重，裂纹内有氧化铁，裂纹附近存在大量高温氧化物颗粒。

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从裂纹区域脱碳严重这一现象证明，裂纹在加热前或加热初期就已经形成，在快速加热的条件下，连铸坯内外产生较大的温差而形成热应力，同时因发生组织转变而产生较大的组织应力，快速加热使连铸坯表面产生拉应力，当夹杂物在连铸坯表面或近表面，连铸坯表面拉应力使连铸坯在夹杂物或含有夹杂物的偏析带处产生微裂纹，并且在此处产生应力集中，在随后的较大的轧制应力的作用下，使已形成的微裂纹得以连接并扩展，导致圆钢表面产生纵向裂纹。由此看来，高温装炉或快速加热是形成

纵向裂纹的诱因，轧制时变形应力促进了裂纹的扩展，连铸坯上存在的偏析带及夹杂物才是裂纹产生的根本原因。为验证这一推断，我们收集了这类裂纹的批号的资料：

注：上表中黄底为出现裂纹的批次，青色为其相邻炉号。

将上表中不同批号在中包炉次占总炉次的百分比绘制如下图。

从图中看出，在共出现的10炉裂纹炉次中，第一炉有6炉，占总炉次的60%，最后一炉2炉，占总炉次的20%，其他占20%，所以认为因为中包第一炉钢水不洁净是导致上述裂纹的主要原因。

2.3密集不规则型裂纹的产生原因：

对密集不规则型裂纹的分析结果表明此种裂纹截面上的形貌极不规则。它们有的形态为折叠，但是裂纹处或末端折入的并非氧化铁皮，而是非金属夹杂，并有因此而形成的铁素体带，裂纹处或附近常伴有大块夹杂物，对密集不规则型裂纹的分析结果表明此种裂纹横截面上的形貌极不规则。它们有的形态为折迭,但是裂纹处或末端折入的并非氧化铁皮,而是非金属夹杂。裂纹处或附近常伴有大块夹杂物。其形成机理是多晶体金属,在外力作用下产生变形时,主要以滑移方式进行变形,其重要物点是各晶粒填充形状的相互制约性和相互协调性。若因某种原因使晶粒的充形不能相互协调或协调不好金属的变形抗力就大,有时塑性也变差。晶界、晶粒取向、杂质、第2相、晶粒的粗细等都影响晶粒充形的协调性。在多晶体中,当晶界的滑移面与作用力可能成45。时,这些晶粒成为软取向的晶粒。滑移面不与作用力呈45。的称为硬取向晶粒。在外力作用下软取向的晶粒可优先产生滑移变形。多晶体中不仅晶粒与晶粒间的变形程度不同,而且每个晶粒内部的变形也不相同。软三角取向晶粒的变形在晶界外便受压抑使用使变形减小,硬取向晶粒受牵挂使变形增加。两者在晶

界处变形必须保持一致。这样,在受压的软取向晶粒上受拉伸应力。与此对应,在压缩内力区产生压应力,拉伸应力区产生拉应力。这些应力和原来由外力引起的应力合起来便会在某区域集中更大的应力,变形越不协调应力集中越大。尤其是金属内含有杂质和第二相时,一方面杂质和第二相可阻碍滑移的进行;另一方面杂质偏聚的地方和硬的第二相会起到硬取向晶粒那样的作用,引起应力集中。夹杂物和第二相常集中在钢锭柱状晶彼此相遇(方形、矩形断面锭的等分角线外)以及柱状晶和等轴晶的交界处,这些地方最薄弱。带圆角的锭或圆锭柱状晶垂直周边排列,这时薄弱部位移到锭的中心部。由上述可知:由于轧材表面密集型裂纹处存在大块状夹杂物,故在晶界处产生微量元素和夹杂物的偏聚,使得某些元素(如S、P)在晶界的含量应高于钢中的平均含量。在高温轧制变形过程中晶体的滑移在晶界与夹杂物界面处受阻而产生应力集中及因多滑移时,滑移受相互穿插,造成晶界脆化和晶界的初始熔化。晶界的熔化温度低于晶内的熔化温度,且晶界强度低于晶内强度,所以在晶界处首先出现显微裂纹。这些显微裂纹因处于应力集中的晶界,如果它处的区域为拉应力区(如:加热产生的温度应力为拉应力的区域),则显微裂纹就会不断扩展,以致把无数小裂纹连接成宏观的表面裂纹。这类裂纹由于晶界的多方向性及夹杂物分布的多方向性,使得晶界显微裂纹方向不定,从而致使这类轧材表面裂纺的宏观形貌无规律性。由此可见要降低该类表面裂纹,提高钢液沌洁度,降低夹杂物含量是有效手段之一。

2.4 发纹的产生原因探讨:

发纹的形成原因主要有：钢坯加热时因温度应力（阴、阳面温差带来）形成的发纹、轧材冷却时温度应力和组织应力所产生的发纹、钢坯轧制时压量和限制宽展所形成的发纹以及钢坯氧化铁皮所造成的发纹,轧辊轧槽老化产生的发纹。

2.4.1 钢在加热过程中阴阳面温差与发纹的关系

钢坯在加热过程中(轧制前)产生的内应力,根据其形成的原因不同,有温度应力和组织应力。

(1)温度应力:在钢坯加热过程中,当钢坯温度介于0℃至500℃~550℃范围时,钢坯处于弹性状态,此时若钢坯出现温度梯度,则势必产生温度应力,如温度应力超过强度极限,便会造成钢坯破坏。当温度升高到500℃~550℃以上时,由于进入塑性状态,而变形抗力又较低,通过塑性变形,温度应力也就消失。钢坯在轧制加热0℃至500℃~550℃时,始终存在不同程度的阴阳面温差,从而使得钢坯在加热时产生温度

应力。其阳面温度高膨胀大,它的膨胀将受到阴面的约束,则引起的温度应力压应力(阳面);而阴面温度低,膨胀小,相反会受到阳面作用促做它膨胀,则产生的温度应力为拉应力(阴面),同理,钢坯加热时心部将产生拉就力。钢坯加热时阳面轴向、切向受压应力作用,阴面轴向、切向受拉应力作用。故阴面易产生裂纹,且裂纹暴露在空气中,裂口易氧化,在以后的加工中不能得以焊合而作为表面裂纹(发纹)保留在轧材上,这是造成轧材表面单侧发纹的原因之一。

（2)组织应力:在有相变的钢在加工过程中,由于相变前后组织的比容发生变化,以及钢料的表层与心部不同时发生相变,这样引起的内应力为组织应力,总的规律是:增大比容的转变区受压应力,减少比容的转变区受拉应力。组织应力也是三项应力,但切向应力最大。

在加热过程中，组织应力由于在高温状态下，一般均可消除，故发纹主要是由于温度应力引起的，且由于坯料越大，温度梯度越大，由于温度应力引起发纹的几率就越高，适当选取坯料的断面尺寸，是避免发纹的一个途径，在实际生产过程中，考虑到部份发纹通过后部精整工序轻微清理可以消除,而严重的裂纹只有报废,为追求经济效益,因此往往需在质量和成本中寻找一个平衡点，二轧车间经过一年的生产，大规模的由于温度应力引起的发纹还没有出现，故认为选取的300*300和350*450坯料比较合理。

2.4.2 轧材在冷却过程中内应力与发纹的关系

由于轧材冷却后期处于温度较低的弹性状态，因此冷却内应力危险性比加热内应力危险性大。

(1)温度应力

轧材在冷却初期，表层冷却快，体积收缩大；心部冷却慢，体积收缩小，由于表层的收缩受到心部阻碍。表层产生拉应力，心部引起压应力，这是可能产生表面裂纹，表面裂纹的特征是分布轧材的周身。随着继续冷却到后期，表层温度很低，体积收缩停止，而心部的收缩受到表层的制约，结果使温度应力变为表层压应力，心部为拉应力，此时易产生内裂。

(2)组织应力

随着温度的降低，表层由比容小的奥氏体转变为比容大的铁素体，所以表层受压应力，而心部受拉应力，由于此时钢料心部处于温度较高，处于良好的塑性变形

阶段，可通过塑性变形使内部拉应力得到缓解，故不易产生裂纹。随着轧材继续冷却，心部也开始发生塑性转变，这时的组织应力：心部是压应力，表层是拉应力，应力不断增大，直到相变结束。这是引起表面总纵向裂纹（与轧制方向相同）的重要原因。

(3)残余应力

轧材在轧制成形过程中，将其消除，由于变形不均加工硬化所引起的内应力，如未能及时得到再结晶软化消除，轧后便成为残余应力保留下来。

应力造成的裂纹，一般情况都会有一定的长度，且不会出现明显的张口，很细小。如下图

2.4.3 钢坯加热时表面氧化铁皮与发纹的关系

钢坯在加热到高温时，表层中的铁和炉气中的氧化性气体（如O2、CO2、H2O、SO2、等）发生化学反应，结果使钢坯表层变成氧化铁皮（即氧化皮）。轧制时，由于第一、二道次（未翻钢）钢坯表面上的氧化铁皮脱落后仍留在坯上表面而被压入，第三道次翻钢轧制后氧化铁皮掉下造成表面凹坑或麻点，在成品道次被拉长面形成发纹，此情况下所产生的发纹应是分布于轧材的单侧。类似的情况二轧已经出现过，钢材表面呈现密集的细微裂纹，很浅，经过打磨可以消除。因此，二轧高压水除鳞设备的完好是保证不出现发纹的首要条件。

2.4.5 孔型设计和轧制规程不当，可能产生发纹：

方坯在箱型孔型中轧制时,由于受到侧壁一定量的限制宽展,轧件在上下被压,向前延伸的变形过程中,表面将收缩而产生皱纹,再经以后各道次的变形成材,从而造成轧材表面有发纹,这种情形产生的发纹,在轧材上就是两面对称型发纹。非常有规律，如果压下量越大,限制宽展的程度越大,则发纹越严重。这种情况如果不是温度有很大的波动而造成宽展的波动，不会偶然出现，而是大批量的，其位置也比较

有规律。有的厂采用bk=(1.01—1.06)B，即来料宽度小于槽底宽，这样可保证不因为限制宽展出现裂纹，还可减少孔型的磨损，但这样容易引起轧件的倾斜和扭转，为保证轧件在孔型中的稳定，故多数厂家均选择bk=B-（0—6）mm，二轧车间开坯轧机一个孔型是多道次轧制，为保证轧件的稳定，来料宽均大于槽底，达涅利在设计工艺时侧壁斜度选择较大，应该也是基于此，经一年的实践，我们认为由于孔型和轧制规程不合理造成的发纹还基本上没有，这套轧制规程对于防止裂纹还是比较合理，但目前扭转仍是一个很突出的问题，对操作工的操作技能要求较高，这中间有一个较好的中间点，需要逐步进行摸索。

2.4.6 由于轧槽老化造成的裂纹：这种情况是最容易发现的，一般一旦轧材出现裂纹，轧钢工会首先检查轧辊的情况，只要标准掌握得当，不会出现大批量的裂纹。轧钢工在交接班和在班中会定期检查轧辊的表面情况。

总之，裂纹出现的成因是一个综合的因素，不同的钢种、不同的规格情况各有不同，对优特钢，生产的组织节奏、热装热送时工序的管理、成材车间生产节奏较快，钢材终轧温度较高，钢材在冷床上冷却不充分就被移送到其它地方堆垛空冷等等都会造成某些钢种表面的裂纹。这里，只是针对二轧车间各钢种普遍出现的现象分析。3、结论：

3.1直短宽型裂纹大部分是皮下汽泡、偏析和夹杂物造成的裂纹;直长型裂纹大部分是轧制裂纹,其中直长深型裂纹实质折迭裂纹、直长浅型大部分为拉丝裂纹,不规则裂纹多为夹杂裂纹。

3.2 发纹的形成原因主要有:钢坯加热时因温度应力(阴、阳面温差带来)形成的发纹、轧材冷却时温度应力和组织应力所产生的发纹、钢坯轧制时压下量和限制宽展所形成的发纹以及钢坯氧化铁皮所造成的发纹。在轧钢工序出现的裂纹，其位置大部分是有规律的。

3.3 合理的孔型或选择合适的坯料尺寸,能部分减少表面裂纹发生机率。要有效地减少表面裂纹、必须保证冶炼和浇注、坯料的质量外,也必须保持加热、轧制的质量。

3.4 应用有效的手段对坯料进行检验和实验，必要时应对坯料进行精整，对坯料的检验和实验应形成制度，持续进行。

参考引用文献：

1、期刊论文：闵凡起、赵秀岭、刘军 45#圆钢纵裂分析

2、张军：马钢连铸异型坯表面纵裂纹及清洁度研究

3、川长钢公司浅析20CrMnTi热轧棒材表面裂纹特点及产生原因

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

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8、读书要三到：心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。——陈寿

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12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿

17、学习永远不晚。——高尔基

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19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子

20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根