摘要:采用宏观观察、化学成分分析、力学性能试验、断口分析、金相检验以及硬度试验等方法,分析QD钢板冷弯成型开裂的原因。结果表明:钢板的化学成分、基体组织、力学性能均符合技术要求;切割时在钢板侧面形成凹槽,凹槽处为马氏体组织,塑性较差,在弯曲过程中该处产生应力集中,这是QD钢板冷弯成型开裂的根本原因。
关键词:冷弯成型;开裂;应力集中
中图分类号:TG文献标志码:B文章编号:-()11--05
某批次厚板在冷弯压制圆弧成型过程中产生一例开裂,造成材料报废。钢板牌号为QD-Z25,正火状态,厚度为60mm,宽度为mm。为找出QD钢板开裂的原因,排除安全隐患,笔者通过理化检验,分析了QD钢板开裂的原因,以避免该类事故的再次发生。
1理化检验
1.1宏观观察
开裂QD钢板长度约为mm,弯曲开裂后钢板与水平方向之间的夹角约为30°,见图1。
由图1可见,钢板表面有明显压痕,这是钢板表面与弯芯接触挤压造成的,且压痕正下方可见一条垂直于轧制方向并贯穿板宽的裂纹。由图2可见,裂纹两侧存在凹槽,裂纹基本位于凹槽最低点处,进一步观察发现,凹槽沿板厚方向延伸,长度约为40mm(与裂纹长度基本相同),与钢板A侧相比,钢板B侧凹槽较窄,板厚方向裂纹长约为45mm。
图3为QD钢板沿裂口压断后的断面形貌。由图3可见,断面整体较为齐平,可见清晰放射状条纹,根据不同的形貌及特征,可将断面大致分为以下3个部分。
(1)裂纹源:结合放射区特征,可见放射线向板A侧表面汇聚,可知裂纹源位于QD钢板A侧近表面处,从凹槽底部开裂;凹槽表面较粗糙,呈条纹状,且断口附近表面发生块状剥落,形成缺口,说明该区域近表面较脆。
(2)扩展区(剪切唇、放射线纹路、扩展台阶):扩展区面积较大,为断口面积的80%,且整体较为粗糙,可见明显放射状条纹;扩展区近表面处可见剪切唇特征,钢板近中心处可见明显扩展台阶。
(3)人为撕裂区:该区域为断口面积的20%,为人为压断区域,可见轻微塑性变形。综上分析可见,QD钢板冷弯挤压处外表面存在贯穿性裂纹(板宽方向),断口呈脆性断裂特征,裂纹起源于钢板侧面,起裂处存在凹槽,裂纹的产生可能与凹槽有关。
1.2化学成分分析
从开裂QD钢板上取样,根据GB/T-《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》进行化学成分分析,检测结果见表1。
由表1可知,断裂钢板的化学成分符合GB/T-《低合金高强度结构钢》及质保书中对QD-Z25钢的技术要求。
1.3力学性能试验
分别从开裂QD钢板上取拉伸试样、冲击试样、弯曲试样和Z向拉伸试样,根据GB/T.1-《金属材料拉伸试验标准》、GB/T-《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T-《金属材料弯曲试验方法》及GB/T-《厚度方向性能钢板》进行力学性能试验,结果见表2~表5。由表2~表5可知,开裂QD钢板的力学性能均符合相关标准中对QD-Z25钢的技术要求。
1.4断口分析
将断口试样清洗后,置于扫描电镜下观察。由图4a)~b)可知,裂纹起始于A侧板厚方向凹槽底部,凹槽底部可见多条平行于断面的裂纹,进一步放大观察发现裂纹源附近呈韧窝形貌。由图4c)~d)可知,扩展区近裂纹源处可见明显放射状条纹,进一步放大观察发现,扩展区呈解理特征,远离凹槽处钢板表面剪切唇处可见韧窝形貌,断口中部扩展台阶处可见韧窝形貌,台阶两侧均呈解理特征。由图4e)可知,人为撕裂区可见韧窝形貌。
1.5金相检验
1.5.1夹杂物检验
从开裂QD钢板裂纹源处截取纵截面试样,按GB/T-《金属显微组织检验方法》进行制样,随后在光学显微镜下观察。根据GB/T-《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》中的实际检验A法和ISO-《钢中非金属夹杂物含量的测定———标准评级图谱显微检验法》中的ISO评级图进行评定,开裂QD钢板非金属夹杂物的评级结果见表6。由表6可知,QD钢板的纯净度较好。
1.5.2显微组织观察
图5为开裂QD钢板不同位置处抛光态和腐蚀态的显微组织形貌,采用4%(质量分数)硝酸酒精溶液进行腐蚀。由图5可知:QD钢板近心部的显微组织为铁素体+珠光体,裂纹源及表面的组织为马氏体+少量铁素体;裂纹起始于凹槽底部,经测量,凹槽深度约为1.2mm,且断口下方已有多处缺口,可见裂纹向钢板内部扩展;钢板表面为切割后形成的硬化层,缺口处硬化层已脱落,此外裂纹源未见明显非金属夹杂物聚集的情况;硬化层处显微组织是马氏体+铁素体,该类组织为钢材在高温下以大于临界冷却速率的速率冷却后得到的,组织较硬且脆,在应力集中条件下极易产生裂纹。
1.6硬度检验
分别对开裂QD钢板裂纹源处、裂纹源附近及钢板心部进行维氏硬度试验,结果见表7。由表7可知,钢板裂纹源处表面硬度约为HV1,钢板内部硬度约为HV1,表明裂纹源表面组织存在异常,与钢板心部组织有较为显著的差别,这与显微组织观察结果一致。
1.7热酸蚀试验
在开裂QD钢板上截取横向试样,经磨光后,根据GB/T-,使用体积比为1∶1工业盐酸与水的混合溶液进行热酸蚀试验,钢板热酸蚀后的宏观形貌如图6所示。与GB/T-《结构钢低倍组织缺陷评级图》标准中的评级图对比,钢板宏观缺陷检测结果为中心疏松1.0级,一般疏松0.5级。
2分析与讨论
开裂QD钢板理化检验结果表明:其化学成分、拉伸性能、冲击性能、Z向拉伸性能均符合GB/T-标准及质保书中对QD-Z25钢的技术要求,非金属夹杂物和基体组织也未见异常。通过宏观观察发现,钢板开裂起源于侧边凹槽处,裂纹源及其附近表面的显微组织为马氏体+少量铁素体。断裂钢板为牌号为QD-Z25的正火态钢板,正常显微组织应为铁素体+珠光体。钢板心部硬度约为HV1,裂纹源处表面硬度为HV1,硬度相差较大,表明凹槽处的显微组织异常。低碳钢(碳质量分数小于等于0.25%)的马氏体主要为板条状,是通过将钢加热到奥氏体状态后,以大于临界冷却速度的冷速冷却到相变点以下温度得到的。马氏体具有高强度、高硬度、塑性较差等特点。
冷弯成型时,钢板外凸面首先发生开裂,外凸面尤其是弯芯正对面受拉应力,且应力较大,若存在凹槽,必定会在该处产生明显的应力集中,使得钢板凸面应力分布不均,局部应力过大,超过材料的屈服强度,最终在应力集中最为明显的凹槽底部发生开裂[1-2]。
3结论
(1)开裂QD钢板切割时在其A侧面形成凹槽,凹槽处为马氏体组织,塑性较差,在弯曲过程中该处产生应力集中,这是QD钢板冷弯成型开裂的根本原因。
(2)建议轧钢厂注意现场切割工具的工作状态,同时增强产品出厂的外观检查力度,防止钢材表面出现此类缺陷。
参考文献:
[1]郝少锋,梁辉,季春生,等.QB宽带钢边缘裂纹分析[J].理化检验(物理分册),,44(12):-,.
[2]赵坤,赵乾.钢板拉伸性能不合原因分析[J].宽厚板,,15(1):40-42.
文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册57卷11期(pp:55-59)