Q345D鋼板冷彎成型開裂的原因

曾慶林, 王嘉暢, 賈璐菲, 錢 錕, 韓 波

(上海寶冶工程技術(shù)有限公司, 上海 200941)

某批次厚板在冷彎壓制圓弧成型過程中產(chǎn)生一例開裂，造成材料報(bào)廢。鋼板牌號(hào)為Q345D-Z25，正火狀態(tài)，厚度為60 mm，寬度為400 mm。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(yàn)，分析了Q345D鋼板開裂的原因，以避免該類事故的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開裂Q345D鋼板長(zhǎng)度約為840 mm，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(cè)存在凹槽，裂紋基本位于凹槽最低點(diǎn)處，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，凹槽沿板厚方向延伸，長(zhǎng)度約為40 mm(與裂紋長(zhǎng)度基本相同)，與鋼板A側(cè)相比，鋼板B側(cè)凹槽較窄，板厚方向裂紋長(zhǎng)約為45 mm。

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(jù)不同的形貌及特征，可將斷面大致分為以下3個(gè)部分。

圖3 開裂Q345D鋼板斷口的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of cracked Q345D steel plate

(1) 裂紋源：結(jié)合放射區(qū)特征，可見放射線向板A側(cè)表面匯聚，可知裂紋源位于Q345D鋼板A側(cè)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(fā)生塊狀剝落，形成缺口，說明該區(qū)域近表面較脆。

(2) 擴(kuò)展區(qū)(剪切唇、放射線紋路、擴(kuò)展臺(tái)階)：擴(kuò)展區(qū)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(kuò)展區(qū)近表面處可見剪切唇特征，鋼板近中心處可見明顯擴(kuò)展臺(tái)階。

(3) 人為撕裂區(qū)：該區(qū)域?yàn)閿嗫诿娣e的20%，為人為壓斷區(qū)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(cè)面，起裂處存在凹槽，裂紋的產(chǎn)生可能與凹槽有關(guān)。

1.2 化學(xué)成分分析

從開裂Q345D鋼板上取樣，根據(jù)GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法》進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知，斷裂鋼板的化學(xué)成分符合GB/T 1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》及質(zhì)保書中對(duì)Q345D-Z25鋼的技術(shù)要求。

表1 開裂Q345D鋼板的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of cracked Q345D steel plate %

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

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(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》、GB/T 232-2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》及GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表2～表5。由表2～表5可知，開裂Q345D鋼板的力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Q345D-Z25鋼的技術(shù)要求。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tensile test results

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Impact test results

表4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Bending test results

表5 Z向拉伸伸長(zhǎng)率試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Z direction tensile percentage elongation test results

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(cè)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(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)裂紋源附近呈韌窩形貌。由圖4c)～d)可知，擴(kuò)展區(qū)近裂紋源處可見明顯放射狀條紋，進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)展區(qū)呈解理特征，遠(yuǎn)離凹槽處鋼板表面剪切唇處可見韌窩形貌，斷口中部擴(kuò)展臺(tái)階處可見韌窩形貌，臺(tái)階兩側(cè)均呈解理特征。由圖4e)可知，人為撕裂區(qū)可見韌窩形貌。

圖4 開裂Q345D鋼板斷口不同區(qū)域的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of different areas of fracture of cracked Q345D steel plate:a) crack groove bottom, low magnification; b) crack groove bottom, high magnification; c) extended area, low magnification;d) extended area, high magnification; e) artificial tear zone

1.5 金相檢驗(yàn)

1.5.1 夾雜物檢驗(yàn)

從開裂Q345D鋼板裂紋源處截取縱截面試樣，按GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行制樣，隨后在光學(xué)顯微鏡下觀察。根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中的實(shí)際檢驗(yàn)A法和ISO 4967-1998《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖譜顯微檢驗(yàn)法》中的ISO評(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)定，開裂Q345D鋼板非金屬夾雜物的評(píng)級(jí)結(jié)果見表6。由表6可知，Q345D鋼板的純凈度較好。

表6 開裂Q345D鋼板非金屬夾雜物的評(píng)級(jí)結(jié)果Tab.6 Non-metallic inclusion rating results of cracked Q345D steel plate

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(tài)和腐蝕態(tài)的顯微組織形貌，采用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)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(jīng)測(cè)量，凹槽深度約為1.2 mm，且斷口下方已有多處缺口，可見裂紋向鋼板內(nèi)部擴(kuò)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(yīng)力集中條件下極易產(chǎn)生裂紋。

圖5 開裂Q345D鋼板不同位置處拋光態(tài)和腐蝕態(tài)的顯微組織Fig.5 Polished and corroded microstructure of cracked Q345D steel plate at different positions:a) core, polished state; b) crakc source, polished state; c) crack source, corroded state; d) groove bottom, polished state;e) groove bottom, corroded state; f) groove, corroded state

圖6 開裂Q345D鋼板熱酸蝕后的宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of cracked Q345D steel plate after hot acid etching

1.6 硬度檢驗(yàn)

分別對(duì)開裂Q345D鋼板裂紋源處、裂紋源附近及鋼板心部進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表7。由表7可知，鋼板裂紋源處表面硬度約為481 HV1，鋼板內(nèi)部硬度約為181 HV1，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(jié)果一致。

1.7 熱酸蝕試驗(yàn)

在開裂Q345D鋼板上截取橫向試樣，經(jīng)磨光后，根據(jù)GB/T 226-2015，使用體積比為1…1工業(yè)鹽酸與水的混合溶液進(jìn)行熱酸蝕試驗(yàn)，鋼板熱酸蝕后的宏觀形貌如圖6所示。與GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)級(jí)圖對(duì)比，鋼板宏觀缺陷檢測(cè)結(jié)果為中心疏松1.0級(jí)，一般疏松0.5級(jí)。

表7 硬度測(cè)試結(jié)果Tab.7 Hardness test results

2 分析與討論

開裂Q345D鋼板理化檢驗(yàn)結(jié)果表明：其化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能、Z向拉伸性能均符合GB/T 1591-2008標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)保書中對(duì)Q345D-Z25鋼的技術(shù)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(fā)現(xiàn)，鋼板開裂起源于側(cè)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(hào)為Q345D-Z25的正火態(tài)鋼板，正常顯微組織應(yīng)為鐵素體+珠光體。鋼板心部硬度約為181 HV1，裂紋源處表面硬度為481 HV1，硬度相差較大，表明凹槽處的顯微組織異常。低碳鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(tài)后，以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻到相變點(diǎn)以下溫度得到的。馬氏體具有高強(qiáng)度、高硬度、塑性較差等特點(diǎn)。

冷彎成型時(shí)，鋼板外凸面首先發(fā)生開裂，外凸面尤其是彎芯正對(duì)面受拉應(yīng)力，且應(yīng)力較大，若存在凹槽，必定會(huì)在該處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，使得鋼板凸面應(yīng)力分布不均，局部應(yīng)力過大，超過材料的屈服強(qiáng)度，最終在應(yīng)力集中最為明顯的凹槽底部發(fā)生開裂[1-2]。

3 結(jié)論

(1) 開裂Q345D鋼板切割時(shí)在其A側(cè)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(chǎn)生應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)切割工具的工作狀態(tài)，同時(shí)增強(qiáng)產(chǎn)品出廠的外觀檢查力度，防止鋼材表面出現(xiàn)此類缺陷。