摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能試驗、斷口分析、金相檢驗以及硬度試驗等方 法,分析 Q345D鋼板冷彎成型開裂的原因。結果表明:鋼板的化學成分、基體組織、力學性能均符 合技術要求;切割時在鋼板側面形成凹槽,凹槽處為馬氏體組織,塑性較差,在彎曲過程中該處產生 應力集中,這是 Q345D鋼板冷彎成型開裂的根本原因。
關鍵詞:冷彎成型;開裂;應力集中
中圖分類號:TG115 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0055-05
某批次厚板在冷彎壓制圓弧成型過程中產生一 例開裂,造成材料報廢。鋼板牌號為 Q345D-Z25, 正火狀態,厚度為60mm,寬度為400mm。為找出 Q345D鋼板開裂的原因,排除安全隱患,筆者通過 理化檢驗,分析了 Q345D鋼板開裂的原因,以避免 該類事故的再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂 Q345D鋼板長度約為840mm,彎曲開裂 后鋼板與水平方向之間的夾角約為30°,見圖1。
由 圖1可見,鋼板表面有明顯壓痕,這是鋼板表面與彎 芯接觸擠壓造成的,且壓痕正下方可見一條垂直于 軋制方向并貫穿板寬的裂紋。由圖2可見,裂紋兩 側存在凹槽,裂紋基本位于凹槽最低點處,進一步觀 察發現,凹槽沿板厚方向延伸,長度約為40mm(與 裂紋長度基本相同),與鋼板 A側相比,鋼板B側凹 槽較窄,板厚方向裂紋長約為45mm。
圖3為 Q345D鋼板沿裂口壓斷后的斷面形貌。 由圖3可見,斷面整體較為齊平,可見清晰放射狀條 紋,根據不同的形貌及特征,可將斷面大致分為以下 3個部分。
(1)裂紋源:結合放射區特征,可見放射線向板 A側表面匯聚,可知裂紋源位于 Q345D鋼板 A 側 近表面處,從凹槽底部開裂;凹槽表面較粗糙,呈條 紋狀,且斷口附近表面發生塊狀剝落,形成缺口,說 明該區域近表面較脆。
(2)擴展區(剪切唇、放射線紋路、擴展臺階): 擴展區面積較大,為斷口面積的80%,且整體較為 粗糙,可見明顯放射狀條紋;擴展區近表面處可見剪 切唇特征,鋼板近中心處可見明顯擴展臺階。
(3)人為撕裂區:該區域為斷口面積的20%,為 人為壓斷區域,可見輕微塑性變形。 綜上分析可見,Q345D鋼板冷彎擠壓處外表面 存在貫穿性裂紋(板寬方向),斷口呈脆性斷裂特征, 裂紋起源于鋼板側面,起裂處存在凹槽,裂紋的產生 可能與凹槽有關。
1.2 化學成分分析
從開裂Q345D鋼板上取樣,根據GB/T4336- 2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火 花放電原子發射光譜法》進行化學成分分析,檢測結 果見表1。
由表1可知,斷裂鋼板的化學成分符合 GB/T1591-2008《低合金高強度結構鋼》及質保書 中對 Q345D-Z25鋼的技術要求。
1.3 力學性能試驗
分別從開裂 Q345D鋼板上取拉伸試樣、沖擊試 樣、彎曲試樣和Z 向拉伸試樣,根據 GB/T228.1- 2010《金屬材料拉伸試驗標準》、GB/T229-2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T232- 2010《金屬材料 彎曲試驗方法》及 GB/T5313- 2010《厚度方向性能鋼板》進行力學性能試驗,結果 見表2~表5。由表2~表5可知,開裂Q345D鋼板 的力學性能均符合相關標準中對 Q345D-Z25鋼的 技術要求。
1.4 斷口分析
將斷口試樣清洗后,置于掃描電鏡下觀察。由 圖4a)~b)可知,裂紋起始于 A 側板厚方向凹槽底 部,凹槽底部可見多條平行于斷面的裂紋,進一步放 大觀察發現裂紋源附近呈韌窩形貌。由圖4c)~d) 可知,擴展區近裂紋源處可見明顯放射狀條紋,進一 步放大觀察發現,擴展區呈解理特征,遠離凹槽處鋼 板表面剪切唇處可見韌窩形貌,斷口中部擴展臺階 處可見韌窩形貌,臺階兩側均呈解理特征。由圖 4e)可知,人為撕裂區可見韌窩形貌。
1.5 金相檢驗
1.5.1 夾雜物檢驗
從開裂 Q345D鋼板裂紋源處截取縱截面試 樣,按 GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗方 法》進行制樣,隨后在光學顯微鏡下觀察。根據 GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的 測定標準評級圖顯微檢驗法》中的實際檢驗 A 法 和ISO4967-1998《鋼中非金屬夾雜物含量的測 定———標準評級圖譜顯微檢驗法》中的ISO 評級 圖進行評定,開裂 Q345D鋼板非金屬夾雜物的 評級結果見表6。由表6可知,Q345D鋼板的純 凈度較好。
1.5.2 顯微組織觀察
圖5為開裂 Q345D鋼板不同位置處拋光態和 腐蝕態的顯微組織形貌,采用4%(質量分數)硝酸 酒精溶液進行腐蝕。由圖5可知:Q345D鋼板近 心部的顯微組織為鐵素體+珠光體,裂紋源及表 面的組織為馬氏體+少量鐵素體;裂紋起始于凹 槽底部,經測量,凹槽深度約為1.2mm,且斷口下 方已有多處缺口,可見裂紋向鋼板內部擴展;鋼板 表面為切割后形成的硬化層,缺口處硬化層已脫 落,此外裂紋源未見明顯非金屬夾雜物聚集的情 況;硬化層處顯微組織是馬氏體+鐵素體,該類組 織為鋼材在高溫下以大于臨界冷卻速率的速率冷 卻后得到的,組織較硬且脆,在應力集中條件下極 易產生裂紋。
1.6 硬度檢驗
分別對開裂 Q345D鋼板裂紋源處、裂紋源附近 及鋼板心部進行維氏硬度試驗,結果見表7。由表7 可知,鋼板裂紋源處表面硬度約為481HV1,鋼板 內部硬度約為181HV1,表明裂紋源表面組織存在 異常,與鋼板心部組織有較為顯著的差別,這與顯微 組織觀察結果一致。
1.7 熱酸蝕試驗
在開裂 Q345D 鋼板上截取橫向試樣,經磨光 后,根據GB/T226-2015,使用體積比為1∶1工業 鹽酸與水的混合溶液進行熱酸蝕試驗,鋼板熱酸蝕后的宏觀形貌如圖6所示。與 GB/T1979-2001 《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》標準中的評級圖對 比,鋼板宏觀缺陷檢測結果為中心疏松1.0級,一般 疏松0.5級。
2 分析與討論
開裂 Q345D鋼板理化檢驗結果表明:其化學成 分、拉伸性能、沖擊性能、Z 向拉伸性能均符合 GB/ T1591-2008標準及質保書中對 Q345D-Z25鋼的 技術要求,非金屬夾雜物和基體組織也未見異常。 通過宏觀觀察發現,鋼板開裂起源于側邊凹槽 處,裂紋源及其附近表面的顯微組織為馬氏體+少量 鐵素體。斷裂鋼板為牌號為 Q345D-Z25的正火態鋼 板,正常顯微組織應為鐵素體+珠光體。鋼板心部硬 度約為181HV1,裂紋源處表面硬度為481HV1,硬 度相差較大,表明凹槽處的顯微組織異常。低碳鋼 (碳質量分數小于等于0.25%)的馬氏體主要為板條 狀,是通過將鋼加熱到奧氏體狀態后,以大于臨界冷 卻速度的冷速冷卻到相變點以下溫度得到的。馬氏 體具有高強度、高硬度、塑性較差等特點。
冷彎成型時,鋼板外凸面首先發生開裂,外凸面 尤其是彎芯正對面受拉應力,且應力較大,若存在凹 槽,必定會在該處產生明顯的應力集中,使得鋼板凸 面應力分布不均,局部應力過大,超過材料的屈服強 度,最終在應力集中最為明顯的凹槽底部發生開 裂[1-2]。
3 結論
(1)開裂 Q345D鋼板切割時在其 A 側面形成 凹槽,凹槽處為馬氏體組織,塑性較差,在彎曲過程 中該處產生應力集中,這是 Q345D鋼板冷彎成型開 裂的根本原因。
(2)建議軋鋼廠注意現場切割工具的工作狀 態,同時增強產品出廠的外觀檢查力度,防止鋼材表 面出現此類缺陷。
參考文獻:
[1] 郝少鋒,梁輝,季春生,等.Q345B寬帶鋼邊緣裂紋分 析[J].理化檢驗(物理分冊),2008,44(12):719-720, 723.
[2] 趙坤,趙乾.鋼板拉伸性能不合原因分析[J].寬厚板, 2009,15(1):40-42.