建筑幕墻用鋼索壓管接頭開裂原因分析

黃誠，叢紅梅，盧新宇

（山東省冶金科學(xué)研究院，山東濟南 250014）

建筑幕墻用鋼索壓管接頭開裂原因分析

黃誠，叢紅梅，盧新宇

（山東省冶金科學(xué)研究院，山東濟南 250014）

為找出開裂原因，對不銹鋼鋼索開裂壓管接頭取樣進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、斷口電鏡掃描、金相等檢測分析。結(jié)果表明，接頭成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，變形大部位的力學(xué)性能超標(biāo)，接頭材料本身存在脆性組織σ相和碳化物，接頭內(nèi)表面存在加工缺陷。在鋼索壓制錨固過程中，最大變形面處產(chǎn)生了加工硬化，同時，由于應(yīng)力的作用，裂紋萌生、擴展；鋼索在安裝過程中，內(nèi)應(yīng)力和預(yù)緊拉應(yīng)力的作用使裂紋進(jìn)一步擴展并穿透管壁。

鋼索壓管接頭；開裂；脆性組織；加工缺陷

1 前言

鋼索是現(xiàn)代建筑幕墻施工中重要的建筑構(gòu)件，鋼索的錨固接頭材料可以選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼以及不銹鋼等，鋼索嵌入在金屬套管錨具內(nèi)經(jīng)冷擠壓進(jìn)行錨固。鋼索的整體質(zhì)量直接關(guān)系到建筑幕墻的整體質(zhì)量和安全。某公司在幕墻施工過程中，使用的鋼索壓管接頭材質(zhì)為06Cr19Ni10 （304）奧氏體不銹鋼，鋼索直徑為Φ24 mm，現(xiàn)場拉索安裝完成后，按設(shè)計要求進(jìn)行預(yù)緊試驗。2～5 d后現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)有拉索接頭出現(xiàn)開裂破壞情況，在以后陸續(xù)的試驗中接連有類似的情況發(fā)生。

為找出壓管接頭開裂原因，對開裂的壓管接頭進(jìn)行了詳細(xì)的檢測分析。

2 理化檢驗分析

2.1 宏觀檢驗

開裂的建筑幕墻用鋼索壓管接頭形貌見圖1a。壓管接頭外壁沿軸向受擠壓，從徑向觀測到管徑受壓變形不均勻，裂紋面及裂紋相對面變形最大,見圖1b。經(jīng)測量，壓管接頭無螺紋段總長230 mm，外徑42～44 mm，內(nèi)徑23.2～24.3 mm，壁厚8.7～10.5 mm。從接頭外壁觀察，接頭一側(cè)管壁最大受壓面沿縱向方向有貫穿管壁的裂紋，裂紋長度約180 mm，最大寬度2.1 mm。從接頭端向內(nèi)壁觀察，穿透裂紋相對面內(nèi)壁也有沿縱向方向的裂紋，但未延展到外壁，見圖1c箭頭所示。試樣經(jīng)線切割后觀察到內(nèi)裂紋長約160 mm，見圖1d。

圖1 鋼索壓管接頭宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分檢測

對開裂接頭試樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。檢驗結(jié)果與GB/T 1220—2007標(biāo)準(zhǔn)中06Cr19Ni10（304）不銹鋼的化學(xué)成分進(jìn)行比對，管件各元素成分均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表1 接頭試樣的化學(xué)成分檢驗結(jié)果%

2.3 力學(xué)性能檢測

在未開裂部位制取力學(xué)性能試樣，同時另選取同批次未有裂紋的壓管接頭制取力學(xué)性能試樣進(jìn)行比對試驗，取樣位置分別為相對變形小的部位和相對變形大的部位。對制取試樣分別進(jìn)行拉伸試驗和硬度試驗，結(jié)果見表2。

表2 接頭試樣的拉伸試驗和硬度試驗結(jié)果

從檢測結(jié)果可以看出，壓管接頭變形相對小的部位試樣的力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB/T 1220—2007標(biāo)準(zhǔn)要求，而變形相對大的部位試樣的Rp0.2、Rm明顯偏高，斷后伸長率A和斷面收縮率Z兩項指標(biāo)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且硬度值為HV 250左右，超出標(biāo)準(zhǔn)要求。這表明壓管接頭在冷擠壓加工過程中變形相對大的部位產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。

2.4 SEM斷口分析

在壓管接頭裂紋附近制取SEM試樣，壓管接頭斷口（部分）宏觀形貌見圖2。斷口分為兩個較明顯的區(qū)域：靠內(nèi)壁一側(cè)較平坦，放射性花樣從內(nèi)壁表面向壁厚方向擴展，表明裂紋起源于內(nèi)壁，圖中箭頭方向為裂紋擴展方向；斷口中間和靠外壁一側(cè)斷口表面呈顆粒狀，該區(qū)域是最后的撕裂區(qū)。

圖2 壓管接頭斷口宏觀形貌

對斷口截面由內(nèi)壁向外壁進(jìn)行SEM掃描分析，見圖3。圖3a為壓管接頭內(nèi)壁部位SEM掃描圖像，斷口形貌為解理斷裂，呈河流狀花紋，是典型的穿晶斷裂，為脆性斷裂，裂紋源于內(nèi)表面；圖3b為斷口中間部位SEM掃描圖像；斷口形貌呈冰糖狀沿晶斷裂，可以觀察到明顯的晶界，是典型的脆性瞬時斷裂；圖3c為壓管接頭外壁部位SEM掃描圖像，晶粒有較大變形，為脆性斷口；斷口中間部位存在位于晶界間的孔洞，這表明晶粒間有脆性組織脫落（見圖3d）。

圖3 壓管接頭斷口SEM形貌

2.5 金相檢驗

在裂紋附近制取試樣1，在與穿透裂紋相對的受壓面制取試樣2，試樣2裂紋尚未擴展到外壁。

2.5.1 夾雜物分析

依據(jù)GB/T 10561—2006標(biāo)準(zhǔn)要求，開裂的壓管接頭裂紋附近試樣1夾雜物評級為C1級、D0.5級，見圖4。夾雜物含量相對較少，不是影響接頭開裂的主要原因。

2.5.2 顯微組織分析

依據(jù)GB/T 6394—2002標(biāo)準(zhǔn)要求，試樣1晶粒度評級為8.5級，見圖5a；接頭試樣顯微組織為奧氏體以及分布在晶界處的碳化物和σ相，見圖5b、圖5c。σ相是一種硬度很高、塑性很低的Fe-Cr金屬間化合物，其沿晶界析出時，會顯著降低鋼的塑性、韌性和耐腐蝕性［1］。晶界處碳化物的析出，也會降低材料的塑性和韌性。此開裂接頭試樣組織中碳化物和σ相同時在晶界處大量分布，更明顯降低了材料的塑性和韌性。

圖4 裂紋附近試樣1夾雜物形貌

圖5 壓管接頭試樣1金相組織

2.5.3 內(nèi)壁表面分析

接頭內(nèi)壁表面微觀組織見圖6。試樣1和試樣2均可觀察到內(nèi)壁顯微組織因加工產(chǎn)生塑性變形，同時觀察到內(nèi)壁不光滑，有加工小裂紋和缺口。試樣加工表面粗糙的刀痕、毛刺等加工缺陷處存在應(yīng)力集中。遇到較大外來力作用時，會在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋的萌生和擴展。同時，由于加工變形在內(nèi)表面形成加工應(yīng)力，晶粒隨加工方向產(chǎn)生變形，且由于形變誘發(fā)產(chǎn)生了馬氏體組織，見圖6c。馬氏體的形成對不銹鋼的力學(xué)性能和冷成形有很大影響，由于馬氏體硬而脆，使鋼材的塑性降低，強度提高（屈服強度上升得更明顯），從而增大了變形阻力和產(chǎn)品開裂的可能性［2］。這一結(jié)論從表2中的變形較大部位的試樣拉伸試驗結(jié)果也可以得到驗證。

圖6 接頭內(nèi)壁表面微觀組織

3 結(jié)論

檢測分析表明，接頭與鋼索壓制錨固過程中，接頭受到較大的壓力，且接頭整體受壓變形不均勻，最大變形受壓面發(fā)生馬氏體相變，降低了材料的塑性、韌性，增大了接頭開裂的可能性；接頭材料顯微組織晶界分布有脆性σ相和碳化物，也顯著降低了材料的塑性、韌性；內(nèi)壁表面存在加工刀痕和毛刺等缺陷，造成應(yīng)力集中，利于裂紋的萌生和擴展。在接頭錨固變形過程中，內(nèi)壁缺陷處首先萌生細(xì)小裂紋，加工應(yīng)力及脆性相的存在，使裂紋有擴展的趨勢。當(dāng)鋼索在安裝過程中，在內(nèi)應(yīng)力和預(yù)緊拉應(yīng)力作用下，裂紋進(jìn)一步擴展并穿透管壁。

［1］張文華.不銹鋼及其熱處理［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010．

［2］周勇，佘敏捷，劉家闊.304不銹鋼的馬氏體組織轉(zhuǎn)變探討［J］.鋼鐵研究，2012，40（4）：36-39.

Analysis of Cracking Causes of Steel Strand Swaged Fitting for Curtain Wall

HUANG Cheng,CONG Hongmei,LU Xinyu
（Shandong Metallurgical Science Research Institute,Jinan 250014,China）

In order to find the cracking causes of stainless steel strand swaged fitting,the failed sample were studied by chemical composition inspection,tensile test,metallographic examination and SEM.The results show that the composition of the swaged fitting meets the standard requirements,but the mechanical properties of the deformed parts exceed the standard requirements.The steel strand swaged fitting itself exists brittle sigma phase and carbide,and machining defects on its inner surface.In the process of anchoring,the maximum deformation surface produced work hardening,at the same time,that made crack initiation and propagation due to the stress.When the steel strand swaged fitting were installed,the crack expanded and penetrates the wall of the tube under the action of internal stress and pre tension stress.

steel strand swaged fitting;cracking;brittle sigma phase;machining defect

TG142.71

A

1004-4620（2017）02-0045-03

2017-02-16

黃誠，男，1976年生，1998年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專業(yè)。現(xiàn)為山東省冶金科學(xué)研究院工程師，山東省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站站長，從事冶金產(chǎn)品的材料理化性能檢測技術(shù)及管理工作。