近年來,我國基礎建設進入了蓬勃發展期,其中鋼結構在城市建筑中發揮著重要作用[1]。各鋼結構企業都在增加自身研發的投入,改良焊接技術,追求技術革新。因此,保證鋼產品的質量至關重要。 

某鋼結構安裝廠對S460M鋼進行了焊接工藝評定認證,在對某鋼材進行180°彎曲測試時,出現了斷裂情況（見圖1）。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了鋼材斷裂的原因,以避免該類問題再次發生。 

圖  1  斷裂試樣的宏觀形貌

1.   理化檢驗

1.1   化學成分分析

分別在試樣斷口附近的焊縫和母材處取樣,采用電感耦合等離子光譜儀和碳硫分析儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：母材和焊縫的化學成分非常接近,都符合EN 10025-4—2004 《熱機械軋制可焊接細晶粒結構鋼的交貨技術條件》對S460M鋼的要求。 

1.2   力學性能測試

在斷裂試樣上取橫向拉伸試樣,分別在斷裂試樣的焊縫和熱影響區處取沖擊試樣,在未斷裂試樣上取橫向拉伸試樣,分別在未斷裂試樣的焊縫和熱影響區處取沖擊試樣,按照EN 10025-4—2004的要求對試樣進行拉伸試驗及－20 ℃沖擊試驗,結果如表2所示。由表2可知：斷裂試樣熱影響區有一組試樣的沖擊吸收能量低于標準要求；在拉伸試驗后,未斷裂試樣均斷裂在母材處,且未斷裂試樣的抗拉強度均大于斷裂試樣。 

在斷裂試樣和未斷裂試樣的焊接接頭處取樣,對試樣進行維氏硬度測試,取樣位置如圖2所示,測試結果如表3所示。由表3可知：斷裂試樣和未斷裂試樣在母材處的硬度幾乎一致,而斷裂試樣和未斷裂試樣在焊縫和熱影響區處的硬度有較大差異。 

圖  2  維氏硬度測試取樣位置示意

1.3   金相檢驗

按照ISO 15614-1：2017 《金屬材料焊接工藝規范和鑒定 焊接工藝試驗 第1部分：鋼的電弧焊和氣焊與鎳及鎳合金的電弧焊》的要求,分別對斷裂試樣和未斷裂試樣進行腐蝕,腐蝕后試樣的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：腐蝕后斷裂試樣和未斷裂試樣熱影響區和焊縫處均未見氣孔、夾雜物和裂紋等缺陷。 

圖  3  腐蝕后斷裂試樣和未斷裂試樣的宏觀形貌

在斷裂試樣和未斷裂試樣母材和焊縫周圍切取試樣,用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：斷裂試樣和未斷裂試樣母材的組織都是鐵素體+珠光體,但是斷裂試樣熱影響區附近存在大量的馬氏體,馬氏體是奧氏體通過無擴散型相變轉變成的亞穩定相,馬氏體會使材料產生淬火應力,從而導致材料發生變形開裂。 

圖  4  斷裂試樣和未斷裂試樣的顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

斷裂試樣斷口處的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：試樣斷口處可見解理斷裂特征形貌,斷口附近可見夾雜物,斷口處可見明顯的河流狀紋路,呈脆性斷裂特征[2]。 

圖  5  斷裂試樣斷口處SEM形貌

利用能譜儀對斷口處的非金屬夾雜物進行分析,結果如圖6所示。由圖6可知：非金屬夾雜物的主要成分為氧化物。 

圖  6  斷口處非金屬夾雜物的能譜分析結果

2.   綜合分析

根據上述理化檢驗結果可知：彎曲試樣的斷裂原因是焊接保溫工藝參數控制不當,造成材料中出現大量馬氏體以及非金屬夾雜物。由于在焊接時伴隨著高熱量的輸入,因此在焊接完成后,一定要注意溫度的控制和保溫處理,溫度控制不當會使材料熱影響區附近產生馬氏體,導致熱影響區的硬度升高,韌性下降。非金屬夾雜物會降低鋼的塑性、韌性及疲勞極限。非金屬夾雜物會使鋼材形成熱加工纖維組織與帶狀組織,使材料具有各向異性,并降低材料的沖擊韌性[3]。夾雜物與金屬的彈性、塑性、熱膨脹系數等均存在差異,不同形態的夾雜物混雜在金屬內部,破壞了金屬的連續性和完整性,影響了加工零件的表面質量,縮短了加工工具的使用壽命。 

彎曲試樣斷口處存在大量的非金屬夾雜物,在進行母材檢驗的時候,未出現類似情況,因此推斷非金屬夾雜物是在焊接時外來引入的。通過與工廠技術人員進行確認,發現使用的焊劑顆粒度較大,但由于執行了小顆粒度焊劑的焊接工藝,因此部分焊劑沒有完全熔化,在焊縫及熱影響區周圍區域產生了大量非金屬夾雜物。 

3.   結論與建議

鋼材的焊接工藝控制不當,斷口周圍存在大量的氧化物夾雜,以及焊縫及熱影響區存在硬脆性馬氏體,破壞了金屬基體的連續性,這些因素最終導致彎曲試樣發生脆性斷裂。 

建議在鋼管焊接后增加保溫、控溫等措施,更換顆粒度細小的焊劑,以便焊劑能在焊接時均勻熔化,避免材料中出現非金屬夾雜物。

文章來源——材料與測試網