護欄板開裂問題分析與解決

王忠偉，路晨龍，薛 偉，溫國棟

（天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津300352）

0 引言

波形防撞護欄板廣泛應用于交通行業的圍擋、防護等部位，一般采用Q235B 碳素結構熱軋帶鋼作為原料，經冷加工壓型而成，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行生產。

熱軋帶鋼經壓型、剪切后，發現成品護欄板剪切端部經常出現大量裂紋，嚴重的甚至完全開裂。本文針對以上問題，通過對護欄板的化學成分、鋼中氣體含量、斷口顯微組織及形貌等進行追溯分析，發現了護欄板端部開裂的主要原因，提出了解決措施，最終解決了護欄板端部開裂問題。

圖1 護欄板

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 熱軋帶鋼加工護欄板壓型過程中，護欄板剪切端部經常發生開裂，有時開裂率高達80%。從宏觀形貌上來看，裂紋大小不一，最嚴重裂紋長度可達40 mm，裂紋均起源于護欄板壓型端部，平直的向波形護欄板內部擴展，如圖2 所示。部分較小裂紋未完全貫穿護欄板，宏觀形貌呈“V”字型，裂紋起源于彎曲端外表面向內表面擴展，從護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 壓型端部側面

在生產護欄板前，確定峰高和峰距離的參數是波形護欄板的重要環節，將護欄板的側截面簡設為矩形，根據材料力學分析[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、下邊緣首先出現塑性變形，以后向該截面的兩側（包括上下兩側和左右兩側）擴大，此時截面上最大正應力在離中性軸最遠的邊緣處（即護欄板波形最高峰處內、外表面），護欄板彎曲外表面受拉應力σc，內表面受壓應力σt，σc=σt；當拉應力σcmax超出該處的極限強度時，護欄板波形最高峰外表面位于離中性軸最遠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，彎曲加工時產生應力較難達到材料的極限強度，因此需進一步對裂紋處做檢驗分析以確定開裂原因。

圖4 護欄板內（外）表面受壓（拉）力

1.2 化學成分分析

截取開裂護欄板試樣做兩處化學成分和氣體含量分析（見表1、表2）。從表1、表2 中可以看出，該護欄板化學成分、氣體含量均符合GB/T 700 中對Q235B 鋼化學成分、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。

追溯護欄板用熱軋帶鋼原料氣體含量分析數據，表3 為18 爐次Q235B 鋼的氧、氮氣體含量。統計結果表明該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，試驗結果可見試樣以剪切端部為裂紋源發生開裂，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，試樣兩端未發生開裂，僅在試樣彎曲面發現細小裂紋，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 開裂護欄板化學成分 /%

表2 開裂護欄板氣體含量

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行觀察，試樣壓型端部處發現顯微裂紋，裂紋以壓型端部作為裂紋源向基體內部擴展，顯微裂紋內部發現非金屬夾雜物，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展，內部充斥著夾雜物，如圖9 所示。

表3 抽檢爐次氣體含量數據

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行觀察分析，顯微裂紋內部的非金屬夾雜物（如圖10 所示）組成主要包括復雜硅酸鹽類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，不能與基體緊密結合，破壞了熱軋帶鋼的均勻性、連續性，尤其是橫向力學性能。熱軋帶鋼在壓型加工護欄板時發生塑性變形，常溫下硅酸鹽夾雜物呈脆性，FeO·MnO·Al2O3·SiO2夾雜物與其周圍金屬基體結合較弱，受力易形成顯微裂紋。

（2）在剪切時護欄板端部產生加工硬化，塑性進一步降低，由非金屬夾雜物與基體顯微裂紋處產生裂紋源，沿冷加工組織變形方向擴展發生開裂。同時有文獻證明[2]，非金屬夾雜物與帶鋼的橫向彎曲性能有明顯的對應關系，在夾雜物含量高的情況下，帶鋼發生塑性變形，鋼基內產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 熱軋帶鋼加工護欄板端部發生開裂的主要原因，剪切硬化加重了端部開裂的發生。

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量方面做過相應研究，通過該文獻中研究數據可以看出（見表5），通過LF精煉后，全氧含量和非金屬夾雜物數量顯著降低，在VD 處理過程中全氧含量進一步減少，而在全氧含量減少的同時，非金屬夾雜物的數量、尺寸均有不同程度的降低[3]。

（2）降低C、Mn 含量，提高Al 含量。連鑄坯經軋制成帶鋼后，非金屬夾雜物沿軋制方向變形分布，產生各向異性，對帶鋼的橫向彎曲性能影響最為嚴重。因此首要目標是提高鋼的純凈度，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性能；與此同時，盡量降低熱軋帶鋼強度，以減少壓型后的加工硬化程度。

因此，對Q235B 熱軋帶鋼的化學成分進行了調整（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行了調整。適當提高了熱軋帶鋼的卷取溫度，以降低熱軋帶鋼強度、提高其塑性。

4 效果驗證

表6 化學成分調整（平均值） /%

（1）通過采取上述調整措施，累計生產檢驗氣體含量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）采用標準GB/T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法》中B 法對試樣進行非金屬夾雜物級別評定，非金屬夾雜物數量明顯減少，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，帶鋼力學性能（見表9）中抗拉強度平均值降低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，熱軋帶鋼力學性能方面已經達到強度降低、塑性提高的目的，工藝性能亦得到改善。后續跟蹤此批帶鋼加工護欄板過程，未再發現護欄板端部開裂問題。

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=50）

表9 力學性能（平均值）

5 結語

通過對開裂護欄板端部材質的化學成分、氣體含量、顯微組織、斷口形貌的分析和觀察，發現嚴重的非金屬夾雜是導致護欄板在剪切加工硬化的作用下發生開裂的主要原因。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度、提高了其塑性，有效解決護欄板端部剪切開裂問題。