谷國(guó)華

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 271100)

Q235B 熱軋板是焊管制造的基礎(chǔ)材料。某焊管制造公司使用12 mm 厚度的Q235B 熱軋中板縱剪分條生產(chǎn)160 方管，在焊管成型過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的橫向開裂。嚴(yán)重時(shí)，從1.5 m 的空中自由落體時(shí)就發(fā)生斷裂，數(shù)量多，批次多，持續(xù)多年，一直沒有得到有效的解決。很多文獻(xiàn)描述的低應(yīng)力脆斷一般是與低溫聯(lián)系在一起，而這種在常溫狀態(tài)下焊管母材發(fā)生的低應(yīng)力脆斷目前還沒有文獻(xiàn)做直接的描述。為了查明常溫下發(fā)生低應(yīng)力脆斷的原因，找到適宜的改進(jìn)措施，對(duì)發(fā)生橫斷的焊管進(jìn)行了取樣檢驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)方法

對(duì)焊管開裂缺陷進(jìn)行宏觀分析;對(duì)缺陷試樣進(jìn)行O、N 含量檢測(cè)分析;從開裂管體上截取典型部位試樣進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測(cè);對(duì)拉伸斷口、沖擊斷口樣進(jìn)行電鏡能譜微區(qū)分析;通過一組熱處理試驗(yàn)，進(jìn)一步明確開裂與材質(zhì)的關(guān)系以及材質(zhì)產(chǎn)生缺陷的原因。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀特征

焊管橫裂(圖1)發(fā)生在焊管基體上，裂紋經(jīng)過焊縫和焊縫熱影響區(qū)，多集中在焊縫的一側(cè)，見圖1(a)，在焊接之前，角部成型過程中，就出現(xiàn)開裂。裂紋有的很嚴(yán)重，穿越角部，有的較小，只在剪切面附近有橫裂。斷裂斷口平齊，無明顯塑性變形。裂口細(xì)節(jié)形貌見圖1(b)。

圖1 焊管橫裂件宏觀形貌Figure 1 Macro appearance of welded pipe with transverse crack

表1 熱軋鋼帶的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of hot rolling steel strip(mass fraction，%)

表2 熱軋鋼板的機(jī)械性能Table 2 Mechanical property of hot rolling steel plate

2.2 化學(xué)成分和力學(xué)性能

從橫裂件上截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析(表1)，橫裂焊管的化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700—2006 中Q235B 鋼種的要求，其中，P 含量偏上限，P 是冷脆元素，偏高的P 含量增加鋼材的脆性。力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果顯示延伸率和沖擊功不合格(表2)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB/T700—2006 的標(biāo)準(zhǔn)要求，延伸率和沖擊功不合格對(duì)焊管成型不利。

2.3 金相分析

鋼板橫截面上、下厚度1/6 處的金相組織主要是粒狀貝氏體(圖2)，貝氏體屬于快冷組織。鋼板橫截面中心區(qū)的金相組織主要是鐵素體和珠光體(見圖3)，在板中心區(qū)域還存在夾雜物偏聚的條帶，珠光體為片層間距約1 μm 的粗片狀珠光體。斷裂部位的金相組織狀態(tài)與未開裂基體的金相組織分布相同，在開裂附近沒有發(fā)現(xiàn)氧化。在低碳鋼中，粒狀貝氏體的韌性穩(wěn)定性較差，而珠光體的片層較粗，在變形過程中容易從其薄弱環(huán)節(jié)處萌生裂紋，使鐵素體發(fā)生快速解理斷裂。

2.4 斷口分析

焊管開裂的斷口屬于應(yīng)力脆斷。拉伸試驗(yàn)顯示，鋼板在拉伸過程中無明顯屈服，拉伸斷裂部位有明顯的頸縮，界面不平整，斷口呈深灰色，無明顯金屬光澤(圖4)。用掃描電鏡觀察斷口(圖5)，微觀斷裂機(jī)制以韌窩為主，含有少量的解理斷裂，材料呈現(xiàn)出一定的脆性。沖擊斷口完全為脆性斷口，沖擊試樣斷裂機(jī)制為解理斷裂，與拉伸斷口一樣呈暗灰色，斷口較平，在斷口上出現(xiàn)亮灰色結(jié)晶狀斷口。利用掃描電鏡對(duì)試樣沖擊斷口進(jìn)行觀察，在較高倍數(shù)下可見試樣斷口區(qū)的形貌屬于脆性斷口(圖6)，呈河流條紋的脆性特征，斷裂機(jī)制為解理斷裂。

圖4 拉伸試樣及斷口Figure 4 Tension specimen and its fracture

表3 開裂焊管夾雜物評(píng)級(jí)表Table 3 Grade evaluation of fractured welded pipe inclusion

開裂件中的夾雜物主要為B、C 類混合夾雜，最高級(jí)別達(dá)到3.0 級(jí)(表3)。用能譜儀對(duì)沖擊斷口進(jìn)行微區(qū)成分分析，觀察試樣掃描面形貌，在斷口個(gè)別部位可看到夾雜物，夾雜物的能譜成分見圖7，能譜檢測(cè)出Al、O 元素的含量較高。鋼中非金屬夾雜物對(duì)鋼的韌性危害較大，破壞了鋼基體的均勻連續(xù)性。夾雜物、缺陷可以看成為材料中的微裂紋［1］，外力作用下造成夾雜物周圍應(yīng)力集中，促進(jìn)了裂紋產(chǎn)生，并在一定條件下加速了裂紋的擴(kuò)張，從而加速材料的破壞過程，造成鋼板沖擊功低。材料內(nèi)部的粗大條狀的夾雜物在外力作用下均可演變?yōu)榱鸭y，裂紋的存在和擴(kuò)展是發(fā)生低應(yīng)力脆斷的主要原因［2］，因此粗大條狀的夾雜物是造成開裂的裂紋源。

圖5 拉伸斷口掃描電鏡圖片F(xiàn)igure 5 SEM picture of tension fracture

2.5 熱處理試驗(yàn)

在開裂焊管上取樣，進(jìn)行950℃保溫1 h 后，分別620℃和680℃保溫1 h 的回火處理，重新進(jìn)行沖擊功檢測(cè).檢測(cè)結(jié)果(表4)顯示沖擊功有了較大的提高，能滿足GB/T700—2006 要求。

圖6 沖擊斷口上的脆斷形貌Figure 6 Brittle appearance of impact fracture

圖7 斷口上的極少量韌窩狀態(tài)及能譜分析結(jié)果Figure 7 Little dimple status and energy spectrum analysis result of fracture

表4 熱處理后焊管基體的沖擊功檢測(cè)結(jié)果Table 4 Impact power test result of welded pipe matrix after heat treatment

3 工藝分析

若生產(chǎn)Q235B 熱軋板的鑄坯存在原始裂紋缺陷，則一般遺傳在熱軋板上表現(xiàn)為在裂紋附近存在內(nèi)氧化和內(nèi)氧化質(zhì)點(diǎn)。對(duì)開裂部位的金相檢驗(yàn)過程中并未發(fā)現(xiàn)裂紋附近存在氧化現(xiàn)象，說明加工焊管用Q235B 熱軋板的塑性低與熱軋工藝有關(guān)。

珠光體的片間距和珠光體團(tuán)的尺寸與過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，轉(zhuǎn)變溫度越低，珠光體的片間距越小，珠光體團(tuán)的尺寸也越小。焊管用Q235B 熱軋板的金相組織特點(diǎn)一般是由于軋制過程中熱軋溫度較高，鋼板的表面冷卻快，中心層冷卻較慢引起的，說明Q235B 熱軋板熱軋溫度沒有得到有效控制。進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)后，焊管用Q235B 熱軋板的沖擊功大幅提高有力的證明了該分析觀點(diǎn)。

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)缺陷試樣的檢驗(yàn)分析，得出:焊管橫斷是低應(yīng)力脆斷，加工變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力共同作用產(chǎn)生開裂。含量過高的夾雜物是造成開裂的裂紋源，原料板不合格的延伸率和沖擊功是造成焊管開裂的主要原因。在生產(chǎn)焊管用熱軋板的熱軋工藝中，溫度控制不理想是造成材料塑性低的主要原因。

［1］機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員技術(shù)培訓(xùn)和資格鑒定委員會(huì).金相檢驗(yàn).上?？茖W(xué)普及出版社，2003.

［2］戚國(guó)勝.脆斷事故的原因分析和預(yù)防措施.南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(1):28-33.