低合金鋼彎折開裂的分析與經濟性改善

劉珊珊，孫 乾，徐瑞亮，尹海元，張金波，吳秀軍

（1 山東鋼鐵股份有限公司營銷總公司，山東 濟南 271104；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104；3 山東魯碧建材有限公司，山東 濟南 271104）

1 前言

隨著經濟高速發展，低合金鋼被廣泛應用，在汽車、橋梁、船舶、建筑、機械、壓力容器等各行業發光發熱，推進工業化進程［1］，同時，現代工業對其拉伸、沖擊等力學性能及彎折、焊接等工藝性能要求越來越高。熱連軋鋼帶產品具有強度高、韌性好、易加工等優異的使用性能，廣泛應用于制管行業，其中，355 MPa 級別低合金鋼帶因其具備較高的性價比，應用最為廣泛。制管前需根據成品方管尺寸，對母材鋼帶進行縱剪分段，采用數控折彎機將分段鋼帶冷態下，利用制管設備將鋼帶折彎成型，在其鋼帶分剪、折彎時，因制造工藝、母材性能匹配等原因，常誘發系列問題，例如折彎開裂［2］。本文以某方管制造企業在對355 MPa 級別低合金鋼帶進行彎折制管加工過程中，出現的彎折導角開裂問題，采用金相組織觀察、掃描電鏡檢測等方法，探討了了其彎折開裂的原因，并提出優化措施。經與企業對接，按照其年產20 萬t 的制管產能計算，優化工藝后，每年可節省40余萬元質量賠付，有效提高了產品質量及其經濟性。

2 情況簡介

方管制造企業采用355 MPa 級別低合金鋼帶（規格11.75 mm×1 050 mm）進行彎折制管加工，母材鋼帶開卷后，沿鋼帶寬度方向縱剪，均勻切分為三段，對每段鋼帶分別進行彎折，其一邊段鋼帶下料后，經90°垂直彎折，導角處出現裂紋，外側裂紋長約19.7 mm，內側深約8.9 mm，由鋼帶外側端部開裂，裂紋內有一定銹蝕，鋼帶表面出現一定氧化鐵皮，剪切邊部質量較差，存在有毛刺等異物。

所述制管用355 MPa 級別低合金鋼帶生產工藝流程包括：鐵水預處理→頂底復吹轉爐冶煉→LF精煉→板坯連鑄→鑄坯加熱→控制軋制→控制冷卻→卷取→檢驗→入庫。其化學成分、力學性能指標執行GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》標準要求。

3 試樣制備及檢驗

采用DK77系列線切割機床在鋼帶母材及彎折開裂處分割取樣，采用鋼研納克SparkCCD 7000 直讀光譜儀對試樣進行化學成分檢驗；應用UTM-2460 萬能拉伸試驗機與JB-W450CYZ 全自動沖擊試驗機對其進行拉伸與沖擊等力學性能檢驗；利用無水乙醇對斷口超聲波清洗，采用YJ-1000研究級正置明暗場透反射金相顯微鏡對其顯微組織、夾雜物進行觀察；采用HB-3000B布氏硬度計進行硬度檢驗；采用FEIQUANTA400掃描電鏡進行微觀組織及夾雜物觀察，配合Quantax75TM系列專用EDS能譜儀進行夾雜物成分確定。

3.1 成分分析

試樣經打磨、洗滌，進行化學成分檢驗，結果如表1 所示。從表1 可知，母材及彎折開裂處化學成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》標準要求。

表1 化學成分（質量分數） %

3.2 力學性能

為明確母材性能與彎折開裂出現的關聯性，于開卷后彎折開裂的原始鋼帶靠近頭部、尾部以及中間部位分別取橫向拉伸樣、縱向沖擊試樣各3 塊。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》及GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，進行力學性能檢驗，結果統計于表2。由表2 可知，該鋼帶各部位力學性能均達到GB/T 1591—2018標準要求。

表2 力學性能

3.3 硬度檢驗

參照GB/T 231［2］.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗》，在彎折開裂鋼帶兩側各取一塊試樣（規格45 mm×55 mm），修磨除銹后進行布氏硬度檢驗。試驗參數：D=10 mm，P=3 000 kgf，T=20 s，試樣依次測定10 個數據點，結果匯總于圖1（單位HBW）。由圖1 可知，裂紋樣硬度波動較大，布氏硬度值分布區間為151～166 HBW，這主要是因為貝氏體的存在，強化了局部組織硬度。母材樣布氏硬度值分布區間為148～18 HBW，硬度檢測無明顯異常。

圖1 硬度試樣取樣分布圖

3.4 夾雜物與金相分析

采用線切割將裂紋鋼帶進行分段切割，于母材基體及彎折開裂處各取一個金相樣（規格為10 mm×20 mm），經酒精超聲波清洗除污，采用180～800 目砂紙依次打磨，2.5 μm金剛石拋光劑拋光，超聲清洗、吹干后，對試樣通體進行夾雜物觀察，如圖2所示。

圖2 裂紋試樣夾雜物

非金屬夾雜物破壞鋼基體組織連續性，夾雜物形態、數量、尺寸及分布情況影響母材塑韌性。異常夾雜物的存在，將導致局部應力集中。在彎折受理時，極易誘發彎折開裂。由圖2 可知，鋼帶夾雜物相對極少，母材純凈度較高，對母材基體及彎折開裂處兩個試樣通體掃描觀察，僅發現長度約在15～50 μm范圍內的A類MnS夾雜物，以及個別直徑約5～10 μm范圍內的DS 類球狀顆粒夾雜物。結合冶煉工藝，夾雜物總量控制在1.5 級以內，夾雜物含量并不是造成彎折開裂的主因。

采用4%硝酸酒精溶液對試樣腐蝕后，進行金相組織觀察，參照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》等要求，進行組織分析與晶粒度評定，匯于表3。

表3 金相組織

由表3可知，母材基體與彎裂處的金相組織及晶粒度，均符合GB/T 1591—2018標準要求，其組織形貌分別如圖3、圖4所示。裂紋樣1/4處晶粒約10級，組織以鐵素體+珠光體為主，含有少量貝氏體，存在出現較窄的偏析帶；貝氏體對基體韌性有一定影響，當鋼帶精軋終軋溫度過高，并且水冷強度較大，卷取溫度低時，易出現該類組織，盡管彎裂處發現貝氏體組織，但其含量較少，彎折性能影響有限；再者，裂紋兩端未發現明顯脫碳及Si、Mn 氧化物析出，可排除鑄坯原始裂紋的可能。母材金相組織晶粒約9.5 級，組織為鐵素體+珠光體，未發現異常組織。

圖3 裂紋樣1/4厚度處金相組織

圖4 母材樣1/4厚度處金相組織

3.4 裂紋處掃描電鏡與元素能譜分析

采用掃描電子顯微鏡對裂紋處進行微觀觀察，判斷其是否存在夾雜物、析出物等可能影響基體連續性的異物，并通過EDS能譜，對其種類、含量進行定性分析，結果見圖5。

圖5 裂紋斷口處掃描電鏡與能譜元素圖

圖5 可知，選擇500、100 μm兩尺度視場下對斷口進行觀察，深色為Fe-C基體，譜圖1、譜圖3對其基體打能譜點，主要為Fe、C、Mn、Si、O、Ti 等元素，符合成分要求，淺色區域為可能存在的異常組織。譜圖2、譜圖4所示，除Fe、C、Mn、Si、O、Ti等基本元素外，還包含Ca、Al、Na、Mg、S 等元素，Si-Ca-Al來自鋼帶冶煉精煉過程的脫氧產物，帶入極少K等殘余元素，同時，裂紋縫隙存在一定氧化，縫隙內部及邊界出現點狀氧化物。結合金相及夾雜物分析，認為夾雜物尺寸、數量總量較少，符合標準要求，殘余夾雜物對鋼基體連續性割裂效果不明顯，不是造成彎折開裂的主要原因。

4 彎裂原因分析與討論

低合金鋼帶可能出現的彎折斷裂的常見原因，可能來自母材本身冶煉質量不高，存在割裂基體的大形脆性夾雜物，或者鑄坯表面存在氣泡、邊角裂紋等缺陷；抑或者控軋控冷工藝波動大，鋼帶產品終端組織出現異常，導致性能不合。但經上述對廣域彎裂鋼帶的成分、性能、硬度、組織、斷口分析，認為母材組織存在少許問題，但不至于誘發大尺寸彎裂現場，是該類失效的次要原因。此外，鋼帶的分剪質量及彎折工藝作為制管成型的關鍵，其工藝質量合理性、穩定性對鋼帶成型質量起到決定性作用，結合文獻查閱，對常見的該類低合金鋼帶可能誘發彎裂的常見原因，匯總如下。

（1）冶煉是鋼水純凈度、成分調節控制的關鍵環節，是鋼材性能保障的基礎。如果鋼液存在較高硫、磷、砷等易誘發裂紋元素，冶煉成分異常，極易誘發心部偏析，并且當有害元素處于分布不均、形態異常時，更易導致基體塑、韌性瞬時性下降，誘發鋼材在外加載荷作用時，出現彎曲開裂［2-3］。

（2）鋼液精煉是通過鋼包底吹氬氣攪拌加速鋼-渣之間的物質傳遞，促進脫氧、脫硫反應的進行，加速夾雜物上浮，并能起到調節鋼水溫度與成分的均勻的作用；當冶煉時鋼液未走精煉或精煉時間較短時，其中有害組織或夾雜物，未能及時排除。鑄坯軋制成材后，因夾雜物對鋼基體連續性割裂效果明顯，導致母材塑性、韌性、彎曲性能的驟降；當彎曲直徑很小也極易造成鋼帶角部開裂［2-4］。

（3）鋼帶加工前，先要進行開卷。當開卷過程承受過大的拉力、彎矩或剪切力，超過其母材本身極限應力，尤其是現場拉矯力控制不當，功率不穩，拉速波動大，又或者正常大載荷拉矯時，突然停機等突發狀況，極易導致突發性脆性斷裂［5-6］。

（4）鋼帶成型過程中，如遇到切邊剪銹蝕、鈍化、磨損或者剪切頻率、速度控制不穩定等情況，使得鋼帶分剪切邊質量極差，出現切邊裂紋、毛刺、尖角、缺口等極易造成應力集中的凹槽或缺陷點。當進行外部受載時，應力沿缺陷處分梯度延展，最終斷裂，甚至形成事故［7］。

（5）鋼帶已分剪加工成材后，在其服役時，受載面存在規律或不規律循環載荷，接觸面長期摩擦、點蝕。當接近疲勞破壞極限時，極易出現疲勞點蝕下的突發性脆斷［8］。

（6）鋼帶彎曲時，彎芯直徑對彎曲部位可能引起開裂也有一定作用，需保證彎芯直徑與彎曲方向的合理匹配，能有效避免彎曲斷裂失效［9］。

（7）因鋼帶性能與軋制方向有關。平行于軋制方向，生產上稱為縱向；垂直于軋制方向，即為橫向。因其組織形態不同，其縱向、橫向性能差異較大。一般而言，縱向塑性指標優于橫向。當折彎方向垂直于軋制方向彎曲時，彎曲性能要優于橫向彎曲，能有效發揮彎曲性能，不易開裂［10］。

綜上所述，結合對彎裂鋼帶的成分、硬度、力學性能及金相組織、夾雜物分析等檢測，認為鋼帶的彎折開裂是各類細微缺陷、應力集中的綜合誘導下，在大載荷沖壓時造成的應力開裂。具體分析：彎裂鋼帶邊部邊緣常存在細小毛刺，切邊質量差，已形成大尺寸切削毛刺、表面銹蝕等易造成應力集中的缺陷點；在剪切后，彎曲時折彎半徑過小，易形成應力集中造成折裂，外層金屬變形程度已大于變形極限是誘發彎折開裂主要原因。再者彎裂鋼帶規格偏厚（規格11.75 mm×1 050 mm），并且心部存在珠光體偏析，組織中包含韌性較差的粒狀貝氏體，強度偏高；同時，鋼帶倉儲環境較潮濕，表面質量較差，存在較重的氧化鐵皮，一系列問題加劇了開裂風險。

5 措施與經濟性改善

在實際生產中，鋼廠原料鋼帶供應必須做好低合金鋼帶的冶煉控制，嚴控P、S等裂紋誘發系數高的元素含量，減少內生夾雜產生機制，連鑄環節可開啟電磁攪拌，有效控制鑄坯心部質量，合理調控鑄坯偏析；優化冷卻工藝，可適當降低終軋溫度，提高卷取溫度，保證鋼帶上下表面組織性能均勻性，減少韌性較差的貝氏體含量。同時，下游鋼帶分剪成型廠，鋼帶縱剪分條時，選用性能較好、硬度較高的優質鋒利刀具，定期做好設備維護及刀具保養、更換，杜絕切邊缺口、拉絲、大尺寸毛刺的出現；分條后鋼帶進行彎折成型時，做好鋼帶表面及切邊處的精度處理，清理掉可能存在的毛刺、鐵銹等可能帶來應力集中隱患的缺陷，根據鋼帶厚度規格及強度級別，選擇合理的彎折圓角半徑，匹配合理的成型工藝，使折彎成型時鋼材內部流動阻力盡可能減小，可有效避免該類低合金鋼帶彎折開裂的實際問題。

經與制管成型廠對接，該公司年產20萬t彎折管件。根據以往數據統計，因該類彎折故障引起停機造成的異議賠付約合100元/t（包括下線換帶、修磨以及用戶抱怨及訂單交付期保供不及時問題的綜合賠付），停機故障率約5%，每年造成經濟性損失高達100萬元。經優化工藝后，故障停機率降至＜1%，每年可節省80余萬元質量賠付，有效提高了企業產品質量，提升了客戶滿意度。

6 結論

針對某制管企業應用355 MPa 級別低合金鋼帶彎折加工時，出現的彎折開裂問題。經多角度試驗分析，鋼帶的成分、性能、組織、晶粒度等指標均滿足要求。經綜合分析，認為鋼帶剪切質量差，存在銹蝕及毛刺等邊部缺陷，同時彎折彎半徑過小，在邊部缺陷處形成應力集中，外層金屬變形程度超過變形極限是導致彎裂的主原。鋼帶心部存在珠光體偏析與表面存在氧化鐵皮，并帶有塑韌性較差的貝氏體組織，各類因素綜合加劇了彎裂的可能。

通過上游鋼廠嚴控有害元素及夾雜物含量，配合電磁攪拌工藝，保證鑄坯心部質量；做好軋制控制，保證組織均勻性；下游成型廠做好鋼帶分剪及切邊質量，合理選定彎角半徑，可有效避免該類問題。經統計，優化工藝后故障停機率由過去的5%降至＜1%，按制管廠年產20萬t計算，每年可節省80 余萬元的異議賠付，有效提高了企業產品美譽度。