扫描电镜在不锈钢产品缺陷分析研究中的应用

王宏霞 马正伟 张正法

(山东泰山钢铁集团新材料研究所，山东 271100)

扫描电子显微镜具有可以直接观察较大试样、放大倍数范围宽和景深大等特点。随着科学技术的不断进步，扫描电子显微镜(SEM)的装置和质量有了较大的改进，分辨率和放大倍数也越来越高，功能越来越齐全，操作更加简单、方便。

采用扫描电子显微镜与其它分析测试技术相结合的办法，可以研究钢铁材料的生产工艺、微观结构、物相组成与其性能的关系，寻找改进材质的途径。

1 冷轧板表面破皮原因

410S 热轧黑皮钢带酸洗后在冷轧过程中有较严重的破皮缺陷。如图1(a)是410S 冷轧板表面破皮试样的宏观形貌。板厚1.2 mm，破皮部位的凹坑底部呈黑色，沿轧制方向条带状分布，用四氯化碳擦洗后绝大部分的黑色物质被除去，露出银白色的金属光泽，见图1(b)。

图1 开裂试样宏观形貌Figure 1 Macroscopical appearance of specimen with crack

扫描电镜下对图2 破皮部位和正常基体进行能谱微区成分分析，结果见表1。

通过扫描电镜观察，试样破皮部位呈破碎状，微区能谱分析发现，破皮部位与正常基体的主要区别在于含有较高的氧含量。因此可以确认，凹坑底部物质主要是高温氧化铁皮。而高温氧化铁皮是由于酸洗不彻底残存在热轧板上的，冷轧过程中氧化铁皮压入导致冷轧板表面产生破皮缺陷。

2 板坯表面缺陷分析

430 不锈钢板坯修磨时发现表面有块状缺陷，经浅修磨无法去除，取样对其进行金相和扫描电镜能谱分析。

图2 破皮试样表面能谱分析Figure 2 Energy spectrum analysis on surface of chipping specimen

表1 能谱分析结果(质量分数，%)Table 1 Energy spectrum analysis results(mass fraction，%)

根据缺陷在金相显微镜下的颜色不同(图3)，可将缺陷处物质分为三种类型，即黑色疏松孔洞、灰色的夹渣和白色物质，经测量其深度约为4.5 mm;缺陷在扫描电镜下呈晶体颗粒状，见图4。

图3 金相显微镜下形貌Figure 3 Appearance under metallographic microscope

图4 扫描电镜下形貌Figure 4 Appearance under scanning electron microscope

对图5 各区域进行能谱分析，分析结果见表2。由能谱分析可知浅灰色物质(金相观察为白色)主要元素是Fe，并有少量的Cr，说明此区域为铁颗粒;其余部位能谱分析主要元素为O、Si、Ca、F、Na、Fe、Cr，由此可知板坯表面缺陷是浇注时结晶器内产生的保护渣夹渣。

3 热轧板分剪开裂原因

410S 热轧黑皮卷在分切时局部出现沿剪切边中心开裂的分层现象，如图6 所示。裂纹深度约为10 mm，断续开裂，总长度约为450 mm。

图5 缺陷靠近表面能谱分析图Figure 5 Energy spectrum analysis picture of defects near surface

表2 图5 能谱分析结果(质量分数，%)Table 2 Energy spectrum analysis results of the figure 5(mass fraction，%)

图6 开裂试样宏观形貌Figure 6 Macroscopical appearance of specimen with crack

扫描电镜下观察开裂分层试样的断口，断口上主要分为两部分:断续的脆性解理区和非断口特征区(图7)。其中非断口特征区占整个断口表面的绝大部分，且有压合的痕迹，推测是原来热轧板上的裂纹未焊合区;脆性解理区为断续的焊合区，占整个断口表面的小部分。由以上分析可知材料原始缺陷导致热轧板剪切时断续焊合区域发生脆性开裂。

4 焊管弯裂原因分析

410S 冷轧钢带焊接后加工成摩托车排气管，在弯曲时局部出现开裂现象(图8)，经宏观分析认为焊缝是裂源，对开裂部位的试样进行金相和扫描电镜分析。

腐蚀后焊缝处晶粒粗大，组织为铁素体和马氏体，马氏体主要沿晶界析出(图9)，

图7 分层试样断口电镜形貌Figure 7 Appearance of layered specimen fracture by scanning electron microscope

图8 开裂试样宏观形貌Figure 8 Macroscopical appearance of specimen with crack

图9 焊缝开裂处组织Figure 9 Structure of weld crack

利用扫描电镜对断口试样进行分析，断口在电镜下的形貌见图10(a)，进一步放大后焊缝处断口沿箭头所指方向依次如图10(b)、(c)、(d)所示，图10(b)为脆性的准解理断口，图10(c)为解理断口，图10(d)为塑性断口。

金相分析焊缝处组织为晶粒粗大的铁素体和马氏体，马氏体主要分布在晶界;扫描电镜断口分析焊缝处断口主要为脆性断口。由以上分析可知，其中马氏体和粗大的铁素体晶粒会显著降低材料的塑性和韧性，弯曲时发生开裂。

图10 焊缝断口电镜形貌Figure 10 Appearance of weld fracture by scanning electron microscope

5 总结

以上所述仅仅是扫描电子显微镜在不锈钢产品缺陷研究中应用的几个方面。结合具体研究方向可以比较深入地研究各种金属材料的微观结构与工艺条件及性能的关系。扫描电子显微镜分析功能的多样化和智能化，将为金属新材料、新工艺的探索和研究起到重要作用。

［1］李硕.扫描电镜(SEM)在失效分析中的应用［J］.工业科技.2005，34(3):41.