護(hù)欄板開裂問題分析與解決

王忠偉，路晨龍，薛 偉，溫國棟

（天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300352）

0 引言

波形防撞護(hù)欄板廣泛應(yīng)用于交通行業(yè)的圍擋、防護(hù)等部位，一般采用Q235B 碳素結(jié)構(gòu)熱軋帶鋼作為原料，經(jīng)冷加工壓型而成，如圖1 所示。加工工藝主要包括：熱軋帶鋼開卷、壓型、剪切、酸洗、鍍鋅等工序，亦可以使用酸洗帶鋼進(jìn)行生產(chǎn)。

熱軋帶鋼經(jīng)壓型、剪切后，發(fā)現(xiàn)成品護(hù)欄板剪切端部經(jīng)常出現(xiàn)大量裂紋，嚴(yán)重的甚至完全開裂。本文針對以上問題，通過對護(hù)欄板的化學(xué)成分、鋼中氣體含量、斷口顯微組織及形貌等進(jìn)行追溯分析，發(fā)現(xiàn)了護(hù)欄板端部開裂的主要原因，提出了解決措施，最終解決了護(hù)欄板端部開裂問題。

圖1 護(hù)欄板

1 開裂部位檢測分析

1.1 開裂部位宏觀形貌特征

在使用Q235B 熱軋帶鋼加工護(hù)欄板壓型過程中，護(hù)欄板剪切端部經(jīng)常發(fā)生開裂，有時開裂率高達(dá)80%。從宏觀形貌上來看，裂紋大小不一，最嚴(yán)重裂紋長度可達(dá)40 mm，裂紋均起源于護(hù)欄板壓型端部，平直的向波形護(hù)欄板內(nèi)部擴(kuò)展，如圖2 所示。部分較小裂紋未完全貫穿護(hù)欄板，宏觀形貌呈“V”字型，裂紋起源于彎曲端外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展，從護(hù)欄板壓型端部處的裂紋整體分布情況來看，裂紋重點集中分布于彎曲波形最高峰附近，如圖3 所示。

圖2 壓型端部

圖3 壓型端部側(cè)面

在生產(chǎn)護(hù)欄板前，確定峰高和峰距離的參數(shù)是波形護(hù)欄板的重要環(huán)節(jié)，將護(hù)欄板的側(cè)截面簡設(shè)為矩形，根據(jù)材料力學(xué)分析[1]，彎曲加工時，波形最高峰處作為跨度中點位于截面上彎矩最大處，在載荷逐漸增大時，必然在截面的上、下邊緣首先出現(xiàn)塑性變形，以后向該截面的兩側(cè)（包括上下兩側(cè)和左右兩側(cè)）擴(kuò)大，此時截面上最大正應(yīng)力在離中性軸最遠(yuǎn)的邊緣處（即護(hù)欄板波形最高峰處內(nèi)、外表面），護(hù)欄板彎曲外表面受拉應(yīng)力σc，內(nèi)表面受壓應(yīng)力σt，σc=σt；當(dāng)拉應(yīng)力σcmax超出該處的極限強(qiáng)度時，護(hù)欄板波形最高峰外表面位于離中性軸最遠(yuǎn)的邊緣處作為裂紋源開裂（如圖4 所示），形成圖3 中V型裂紋形貌。一般來說，彎曲加工時產(chǎn)生應(yīng)力較難達(dá)到材料的極限強(qiáng)度，因此需進(jìn)一步對裂紋處做檢驗分析以確定開裂原因。

圖4 護(hù)欄板內(nèi)（外）表面受壓（拉）力

1.2 化學(xué)成分分析

截取開裂護(hù)欄板試樣做兩處化學(xué)成分和氣體含量分析（見表1、表2）。從表1、表2 中可以看出，該護(hù)欄板化學(xué)成分、氣體含量均符合GB/T 700 中對Q235B 鋼化學(xué)成分、氣體含量的要求。但同時明顯看出其中氧含量較高，平均值超出120×10-6以上。

追溯護(hù)欄板用熱軋帶鋼原料氣體含量分析數(shù)據(jù)，表3 為18 爐次Q235B 鋼的氧、氮氣體含量。統(tǒng)計結(jié)果表明該18 爐次Q235B 鋼的氧含量波動較大，并且普遍較高，其中最高達(dá)145×10-6，最低為38×10-6，平均為91×10-6。

1.3 彎曲試驗分析

（1）于開裂護(hù)欄板壓型端部處做橫向冷彎試驗。由于端部受剪切影響，存在一定程度的加工硬化，塑性受到影響，試驗結(jié)果可見試樣以剪切端部為裂紋源發(fā)生開裂，如圖5 所示。

（2）去除端部剪切面截取相鄰試樣，在相同試驗條件下做冷彎試驗，試樣兩端未發(fā)生開裂，僅在試樣彎曲面發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋，如圖6 所示。

圖5 端部試樣冷彎試驗

圖6 相鄰試樣冷彎試驗

表1 開裂護(hù)欄板化學(xué)成分 /%

表2 開裂護(hù)欄板氣體含量

1.4 開裂部位微觀特征

1.4.1 金相顯微鏡分析

在端部開裂處垂直于帶鋼軋制方向制備金相試樣并進(jìn)行觀察，試樣壓型端部處發(fā)現(xiàn)顯微裂紋，裂紋以壓型端部作為裂紋源向基體內(nèi)部擴(kuò)展，顯微裂紋內(nèi)部發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物，如圖7 所示。同時可以看到試樣基體上非金屬夾雜物分布非常嚴(yán)重，部分夾雜物與基體連接處已受力開裂，如圖8 所示。由圖可見，C 類硅酸鹽夾雜物尤為嚴(yán)重。

試樣端部顯微組織為剪切變形后的鐵素體+少量珠光體，在試樣端部有多條顯微裂紋，裂紋由剪切端部開裂沿剪切加工形變方向擴(kuò)展，內(nèi)部充斥著夾雜物，如圖9 所示。

表3 抽檢爐次氣體含量數(shù)據(jù)

圖7 壓型端部非金屬夾雜物100×

圖8 試樣基體非金屬夾雜物500×

圖9 壓型端部縱向顯微組織500×

1.4.2 掃描電鏡和能譜儀分析

使用掃描電子顯微鏡和能譜儀進(jìn)行觀察分析，顯微裂紋內(nèi)部的非金屬夾雜物（如圖10 所示）組成主要包括復(fù)雜硅酸鹽類FeO·MnO·Al2O3·SiO2和鈣的鋁酸鹽類CaO·Al2O3化合物，非金屬夾雜物成分見圖11 和表4。

圖10 壓型端部非金屬夾雜物100x

圖11 夾雜物成分

另外觀察端部裂紋斷口形貌，可見斷口呈“木紋狀”，其紋理中分布著夾雜物、二次裂紋，如圖12所示。能譜分析夾雜物主要成分有FeO·MnO·Al2O3·SiO2，與端部裂紋處非金屬夾雜物組成相同，如圖13所示。

2 開裂成因分析

（1）非金屬夾雜物以第二相的形式分布于熱軋帶鋼基體中，性能與熱軋帶鋼有很大差異，不能與基體緊密結(jié)合，破壞了熱軋帶鋼的均勻性、連續(xù)性，尤其是橫向力學(xué)性能。熱軋帶鋼在壓型加工護(hù)欄板時發(fā)生塑性變形，常溫下硅酸鹽夾雜物呈脆性，F(xiàn)eO·MnO·Al2O3·SiO2夾雜物與其周圍金屬基體結(jié)合較弱，受力易形成顯微裂紋。

（2）在剪切時護(hù)欄板端部產(chǎn)生加工硬化，塑性進(jìn)一步降低，由非金屬夾雜物與基體顯微裂紋處產(chǎn)生裂紋源，沿冷加工組織變形方向擴(kuò)展發(fā)生開裂。同時有文獻(xiàn)證明[2]，非金屬夾雜物與帶鋼的橫向彎曲性能有明顯的對應(yīng)關(guān)系，在夾雜物含量高的情況下，帶鋼發(fā)生塑性變形，鋼基內(nèi)產(chǎn)生顯微孔隙和裂紋的幾率顯著高于純凈度高的鋼材，而其中的硅酸鹽類夾雜物尤為明顯。

終上所述，非金屬夾雜物是影響Q235B 熱軋帶鋼加工護(hù)欄板端部發(fā)生開裂的主要原因，剪切硬化加重了端部開裂的發(fā)生。

表4 非金屬夾雜物成分

表5 各工序中全氧含量、夾雜物數(shù)量

圖12 開裂處斷口形貌

圖13 夾雜物組成分析

3 解決問題的主要措施

（1）增加軟吹時間。此前已有作者針對煉鋼各工序中全氧含量與夾雜物數(shù)量方面做過相應(yīng)研究，通過該文獻(xiàn)中研究數(shù)據(jù)可以看出（見表5），通過LF精煉后，全氧含量和非金屬夾雜物數(shù)量顯著降低，在VD 處理過程中全氧含量進(jìn)一步減少，而在全氧含量減少的同時，非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸均有不同程度的降低[3]。

（2）降低C、Mn 含量，提高Al 含量。連鑄坯經(jīng)軋制成帶鋼后，非金屬夾雜物沿軋制方向變形分布，產(chǎn)生各向異性，對帶鋼的橫向彎曲性能影響最為嚴(yán)重。因此首要目標(biāo)是提高鋼的純凈度，降低全氧含量、減少非金屬夾雜物，以提高帶鋼塑性及橫向力學(xué)性能；與此同時，盡量降低熱軋帶鋼強(qiáng)度，以減少壓型后的加工硬化程度。

因此，對Q235B 熱軋帶鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了調(diào)整（見表6）。降低熱軋帶鋼C、Mn 含量，以提高帶鋼塑性；提高了Al 含量，以降低鋼中全氧含量。

（3）對Q235B 熱軋帶鋼的卷取溫度進(jìn)行了調(diào)整。適當(dāng)提高了熱軋帶鋼的卷取溫度，以降低熱軋帶鋼強(qiáng)度、提高其塑性。

4 效果驗證

表6 化學(xué)成分調(diào)整（平均值） /%

（1）通過采取上述調(diào)整措施，累計生產(chǎn)檢驗氣體含量92 爐，其氣體含量平均值見表7。由表7 可以看出，帶鋼氧含量明顯下降。

（2）采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗方法》中B 法對試樣進(jìn)行非金屬夾雜物級別評定，非金屬夾雜物數(shù)量明顯減少，帶鋼純凈度明顯得到改善（見表8）。

（3）通過降低C、Mn 含量、提高卷取溫度后，帶鋼力學(xué)性能（見表9）中抗拉強(qiáng)度平均值降低15 MPa，斷后伸長率上升2.5%，并且橫向彎曲試驗全部合格。由此可見，熱軋帶鋼力學(xué)性能方面已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)度降低、塑性提高的目的，工藝性能亦得到改善。后續(xù)跟蹤此批帶鋼加工護(hù)欄板過程，未再發(fā)現(xiàn)護(hù)欄板端部開裂問題。

表7 帶鋼氣體含量 /×10-6

表8 非金屬夾雜物評級（B 法，視場數(shù)=50）

表9 力學(xué)性能（平均值）

5 結(jié)語

通過對開裂護(hù)欄板端部材質(zhì)的化學(xué)成分、氣體含量、顯微組織、斷口形貌的分析和觀察，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的非金屬夾雜是導(dǎo)致護(hù)欄板在剪切加工硬化的作用下發(fā)生開裂的主要原因。通過降低C、Mn 含量、改善Al 脫氧效果、增加軟吹時間以及提高卷取溫度等措施，減少了非金屬夾雜物含量，改善了熱軋帶鋼的橫向彎曲性能，同時降低了熱軋帶鋼強(qiáng)度、提高了其塑性，有效解決護(hù)欄板端部剪切開裂問題。