大壁厚Q345B 鋼板彎曲開裂原因分析及對策

劉振偉， 鮑雪君， 馬立新， 楊 烽， 許海龍

（1. 江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 江蘇 江陰214400；2. 中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司， 天津300457）

0 前 言

Q345B 鋼材由于具有良好的綜合力學性能、焊接性能和低溫沖擊韌性， 被廣泛應用于大型機械、 煤礦機械、 高層建筑和石油化工等行業(yè)。 為了提高板材的利用率、 降低成本， 對板材實施計算機優(yōu)化下料， 使板材利用率提高到95%左右，但是對下料后的鋼板進行彎曲壓制成型時， 經(jīng)常發(fā)現(xiàn)鋼板彎曲部位出現(xiàn)裂紋或者斷裂現(xiàn)象， 造成批量構(gòu)件報廢， 給制造廠家?guī)磔^大的經(jīng)濟損失[1]。 火焰切割又稱氣割， 是一種廣泛應用于鋼鐵加工行業(yè)中的粗加工技術(shù)， 運用此技術(shù)可以切割厚度為3～150 mm 以上的鋼板。 以往對火焰切割的研究多著重于火焰切割的切割質(zhì)量[2-3]、 切割工藝[4]以及對工件產(chǎn)生的熱變形和熱應力[5-7]上， 針對大壁厚Q345B 鋼板火焰切割工藝對折彎性能的影響研究較少。 本研究借助掃描電鏡、金相顯微鏡和維氏硬度儀等分析手段， 結(jié)合生產(chǎn)實際中遇到的彎曲開裂問題， 開展了Q345B鋼板彎曲開裂原因分析和研究工作， 從火焰切割工藝存在的實際問題出發(fā)， 提出了工藝優(yōu)化改進措施。

1 渣罐卷筒開裂失效分析

某公司制造渣罐用板厚80 mm 的Q345B 鋼板， 在卷筒折彎過程中發(fā)生開裂。 渣罐加工流程如下： 鋼板下料切成扇形 （采用火切方法開坡口） →折彎→對接焊→罐底焊接和附件焊接， 主要工藝過程如圖1 所示。

圖1 渣罐制造主要工藝過程

卷筒后發(fā)現(xiàn)了長度約500 mm、 平行于彎芯軸的貫穿裂紋， 坡口加工采用的是火焰切割的方式， 坡口為單V 形坡口， 角度60°。

1.1 宏觀分析

在開裂部位取樣， 如圖2 所示， 火切坡口面上能夠清晰的觀察到火切溝槽， 這是氣割的紋路， 這些火切溝槽在卷筒產(chǎn)生的拉伸應力作用下， 為裂紋啟裂提供應力集中點。

圖2 渣罐開裂處火切坡口形貌

沿著裂紋面剖開， 以充分觀察裂紋走向， 進而判斷裂紋源位置。 圖3 所示為開裂位置裂紋剖面形貌， 從圖3 可以看出， 裂紋源在坡口外表面上， 沿著坡口位置向縱深方向擴展。 經(jīng)受力分析發(fā)現(xiàn)， 卷筒彎曲過程中， 外表面承受最大拉伸應力， 裂紋源位置與最大拉伸應力點對應， 同時也與火切溝槽最深位置對應。

圖3 開裂位置裂紋剖面形貌

1.2 化學分析

Q345B 渣罐母材成分見表1， 從化學成分上看， 該鋼以Mn 強化為主， 同時加入了微量的Ni、 Cr 和Mo， 成分無異常。

表1 Q345B 鋼渣罐母材化學成分 %

1.3 斷口掃描分析

在掃描電鏡下觀察斷口開裂形式及裂紋源形貌， 如圖4 所示， 觀察裂紋源上是否存在大顆粒夾雜物等缺陷。 掃描電鏡放大20 倍確認裂紋源位置與宏觀觀察位置一致 （圖4 （a） 紅色圈出位置）， 處于火切面受力最大點。 在裂紋源處未發(fā)現(xiàn)夾雜物等其他缺陷， 裂紋面呈解理斷裂， 如圖4 （ b） 所示， 表現(xiàn)出脆性特征。

圖4 渣罐裂紋源位置及形貌

1.4 組織分析

取裂紋源處試樣， 經(jīng)磨拋后采用3%硝酸酒精酸蝕， 在金相顯微鏡下觀察裂紋源組織， 觀察結(jié)果如圖5 所示。 在坡口表層可見約0.3 mm 的熔化層， 該層宏觀上類似焊縫形貌， 是由火切燒熔后的金屬凝固而成， 在坡口表層發(fā)現(xiàn)大量的魏氏體組織和板條馬氏體組織 （見圖5 （a））， 魏氏體組織脆性較大， 在拉伸應力作用下極易開裂。 火切近表面切硬層 （距離表層約0.5 mm 位置） 組織為板條馬氏體組織， 這是由于鋼板未預熱， 厚度為80 mm 的Q345B 鋼板火切后自淬火迅速轉(zhuǎn)變成馬氏體組織 （見圖5 （b）），零件在淬火冷卻時， 表層先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，隨后芯部體積發(fā)生膨脹， 在表層產(chǎn)生拉應力，冷卻速度越快， 表層受到的拉應力則越大[8-11]。其他區(qū)域為珠光體+鐵素體組織 （見圖5 （c）），火切前表面組織也為珠光體+鐵素體組織 （見圖5 （d））。

圖5 渣罐裂紋源附近金相組織

1.5 顯微硬度分析

采用鋸切的方法垂直并靠近火切面取硬度樣， 檢測坡口表面因火切引起的硬度變化， 取樣位置及打點位置如圖6 所示。 硬度打點順序： 從火切面打點， 每間隔0.6 mm 打一個硬度點， 連續(xù)打三條硬度線， 每條硬度線打17 個點。 測試后與未火切樣品硬度進行對比， 對比結(jié)果如圖7所示。

圖6 硬度取樣位置及打點位置

圖7 火焰切割前后硬度分布情況對比

從圖7 硬度分布來看， 坡口面深度約3 mm出現(xiàn)硬化， 且硬化深度不均勻， 局部硬化深度達到3.5 mm， 切硬層深度與淬硬組織深度相互印證。

1.6 原因分析

（1） 在火焰切割坡口上存在2～3 mm 切硬組織， 裂紋面呈解理斷裂， 以板條馬氏體為主， 同時在最表層發(fā)現(xiàn)大量魏氏體組織， 此為開裂的主要內(nèi)因。

（2） 裂紋源位于火焰切割坡口表層， 并在彎曲應力最大位置（火切溝槽最深位置） 啟裂， 繼續(xù)彎曲過程中擴展。 啟裂和擴展是一個復雜的過程， 首先啟裂會選擇魏氏體嚴重區(qū)域， 馬氏體轉(zhuǎn)變后在切割表面殘留較大的組織內(nèi)應力（壓縮應力）， 同時切割表面溝槽也為裂紋啟裂創(chuàng)造了有利條件。

2 火切坡口工藝優(yōu)化

火切前未預熱和火切后未進行表面處理的80 mm 厚Q345B 鋼板， 在卷筒彎曲過程中開裂風險極高， 需要優(yōu)化現(xiàn)有火切坡口工藝。 以下對比常溫、 預熱50 ℃、 預熱100 ℃和預熱125 ℃的四種切割狀態(tài)彎曲試樣， 試樣尺寸500 mm×80 mm×25 mm， 待彎曲試樣如圖8 所示。 彎曲試驗機彎芯直徑75 mm， 彎曲角度180°， 彎曲后試樣表面情況如圖9 所示。

圖8 待彎曲試樣

對比圖9 不難發(fā)現(xiàn)， 本次試驗中采取100 ℃和125 ℃預熱后， 火切坡口彎曲試樣拉伸面均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋， 說明預熱可以有效避免彎曲開裂。 但在其他彎曲試驗中出現(xiàn)了圖9 （e） 預熱溫度125 ℃仍然開裂情況， 仔細觀察火切面發(fā)現(xiàn)： 該樣品火切表面質(zhì)量差， 火切面上溝槽嚴重， 開裂部位剛好處于溝槽嚴重的位置。 分析認為， 溝槽嚴重部位應力集中嚴重， 在較大的彎曲拉伸應力作用下首先開裂； 因此， 建議采取火切前預熱和火切后打磨等措施， 可以有效降低彎曲開裂風險。

圖9 彎曲試驗后試樣表面情況

3 結(jié) 論

（1） 在火焰切割坡口上存在約2～3 mm 切硬組織， 以板條馬氏體為主， 同時在表層發(fā)現(xiàn)大量魏氏體組織， 為開裂的主要內(nèi)因。

（2） 裂紋源存在于火焰切割坡口表層上， 并在彎曲應力最大位置 （火切溝槽最深位置） 啟裂， 在彎曲過程中發(fā)生裂紋擴展。

（3） 為了避免火切后彎曲開裂， 應在火切前進行100 ℃及以上預熱， 同時對坡口表面火切溝槽較深部位打磨后再進行卷筒操作， 可有效避免因火切工藝不當造成的彎曲開裂問題。