Q345D鋼板冷彎成型開裂的原因

曾慶林, 王嘉暢, 賈璐菲, 錢 錕, 韓 波

(上海寶冶工程技術有限公司, 上海 200941)

某批次厚板在冷彎壓制圓弧成型過程中產生一例開裂，造成材料報廢。鋼板牌號為Q345D-Z25，正火狀態，厚度為60 mm，寬度為400 mm。為找出Q345D鋼板開裂的原因，排除安全隱患，筆者通過理化檢驗，分析了Q345D鋼板開裂的原因，以避免該類事故的再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂Q345D鋼板長度約為840 mm，彎曲開裂后鋼板與水平方向之間的夾角約為30°，見圖1。由圖1可見，鋼板表面有明顯壓痕，這是鋼板表面與彎芯接觸擠壓造成的，且壓痕正下方可見一條垂直于軋制方向并貫穿板寬的裂紋。由圖2可見，裂紋兩側存在凹槽，裂紋基本位于凹槽最低點處，進一步觀察發現，凹槽沿板厚方向延伸，長度約為40 mm(與裂紋長度基本相同)，與鋼板A側相比，鋼板B側凹槽較窄，板厚方向裂紋長約為45 mm。

圖3為Q345D鋼板沿裂口壓斷后的斷面形貌。由圖3可見，斷面整體較為齊平，可見清晰放射狀條紋，根據不同的形貌及特征，可將斷面大致分為以下3個部分。

圖3 開裂Q345D鋼板斷口的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of cracked Q345D steel plate

(1) 裂紋源：結合放射區特征，可見放射線向板A側表面匯聚，可知裂紋源位于Q345D鋼板A側近表面處，從凹槽底部開裂；凹槽表面較粗糙，呈條紋狀，且斷口附近表面發生塊狀剝落，形成缺口，說明該區域近表面較脆。

(2) 擴展區(剪切唇、放射線紋路、擴展臺階)：擴展區面積較大，為斷口面積的80%，且整體較為粗糙，可見明顯放射狀條紋;擴展區近表面處可見剪切唇特征，鋼板近中心處可見明顯擴展臺階。

(3) 人為撕裂區：該區域為斷口面積的20%，為人為壓斷區域，可見輕微塑性變形。

綜上分析可見，Q345D鋼板冷彎擠壓處外表面存在貫穿性裂紋(板寬方向)，斷口呈脆性斷裂特征，裂紋起源于鋼板側面，起裂處存在凹槽，裂紋的產生可能與凹槽有關。

1.2 化學成分分析

從開裂Q345D鋼板上取樣，根據GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法》進行化學成分分析，檢測結果見表1。由表1可知，斷裂鋼板的化學成分符合GB/T 1591-2008《低合金高強度結構鋼》及質保書中對Q345D-Z25鋼的技術要求。

表1 開裂Q345D鋼板的化學成分Tab.1 Chemical compositions of cracked Q345D steel plate %

1.3 力學性能試驗

分別從開裂Q345D鋼板上取拉伸試樣、沖擊試樣、彎曲試樣和Z向拉伸試樣，根據GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗標準》、GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 232-2010《金屬材料 彎曲試驗方法》及GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》進行力學性能試驗，結果見表2～表5。由表2～表5可知，開裂Q345D鋼板的力學性能均符合相關標準中對Q345D-Z25鋼的技術要求。

表2 拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results

表3 沖擊試驗結果Tab.3 Impact test results

表4 彎曲試驗結果Tab.4 Bending test results

表5 Z向拉伸伸長率試驗結果Tab.5 Z direction tensile percentage elongation test results

1.4 斷口分析

將斷口試樣清洗后，置于掃描電鏡下觀察。由圖4a)～b)可知，裂紋起始于A側板厚方向凹槽底部，凹槽底部可見多條平行于斷面的裂紋，進一步放大觀察發現裂紋源附近呈韌窩形貌。由圖4c)～d)可知，擴展區近裂紋源處可見明顯放射狀條紋，進一步放大觀察發現，擴展區呈解理特征，遠離凹槽處鋼板表面剪切唇處可見韌窩形貌，斷口中部擴展臺階處可見韌窩形貌，臺階兩側均呈解理特征。由圖4e)可知，人為撕裂區可見韌窩形貌。

圖4 開裂Q345D鋼板斷口不同區域的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of different areas of fracture of cracked Q345D steel plate:a) crack groove bottom, low magnification; b) crack groove bottom, high magnification; c) extended area, low magnification;d) extended area, high magnification; e) artificial tear zone

1.5 金相檢驗

1.5.1 夾雜物檢驗

從開裂Q345D鋼板裂紋源處截取縱截面試樣，按GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行制樣，隨后在光學顯微鏡下觀察。根據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》中的實際檢驗A法和ISO 4967-1998《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖譜顯微檢驗法》中的ISO評級圖進行評定，開裂Q345D鋼板非金屬夾雜物的評級結果見表6。由表6可知，Q345D鋼板的純凈度較好。

表6 開裂Q345D鋼板非金屬夾雜物的評級結果Tab.6 Non-metallic inclusion rating results of cracked Q345D steel plate

1.5.2 顯微組織觀察

圖5為開裂Q345D鋼板不同位置處拋光態和腐蝕態的顯微組織形貌，采用4%(質量分數)硝酸酒精溶液進行腐蝕。由圖5可知：Q345D鋼板近心部的顯微組織為鐵素體+珠光體，裂紋源及表面的組織為馬氏體+少量鐵素體；裂紋起始于凹槽底部，經測量，凹槽深度約為1.2 mm，且斷口下方已有多處缺口，可見裂紋向鋼板內部擴展；鋼板表面為切割后形成的硬化層，缺口處硬化層已脫落，此外裂紋源未見明顯非金屬夾雜物聚集的情況；硬化層處顯微組織是馬氏體+鐵素體，該類組織為鋼材在高溫下以大于臨界冷卻速率的速率冷卻后得到的，組織較硬且脆，在應力集中條件下極易產生裂紋。

圖5 開裂Q345D鋼板不同位置處拋光態和腐蝕態的顯微組織Fig.5 Polished and corroded microstructure of cracked Q345D steel plate at different positions:a) core, polished state; b) crakc source, polished state; c) crack source, corroded state; d) groove bottom, polished state;e) groove bottom, corroded state; f) groove, corroded state

圖6 開裂Q345D鋼板熱酸蝕后的宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of cracked Q345D steel plate after hot acid etching

1.6 硬度檢驗

分別對開裂Q345D鋼板裂紋源處、裂紋源附近及鋼板心部進行維氏硬度試驗，結果見表7。由表7可知，鋼板裂紋源處表面硬度約為481 HV1，鋼板內部硬度約為181 HV1，表明裂紋源表面組織存在異常，與鋼板心部組織有較為顯著的差別，這與顯微組織觀察結果一致。

1.7 熱酸蝕試驗

在開裂Q345D鋼板上截取橫向試樣，經磨光后，根據GB/T 226-2015，使用體積比為1…1工業鹽酸與水的混合溶液進行熱酸蝕試驗，鋼板熱酸蝕后的宏觀形貌如圖6所示。與GB/T 1979-2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》標準中的評級圖對比，鋼板宏觀缺陷檢測結果為中心疏松1.0級，一般疏松0.5級。

表7 硬度測試結果Tab.7 Hardness test results

2 分析與討論

開裂Q345D鋼板理化檢驗結果表明：其化學成分、拉伸性能、沖擊性能、Z向拉伸性能均符合GB/T 1591-2008標準及質保書中對Q345D-Z25鋼的技術要求，非金屬夾雜物和基體組織也未見異常。

通過宏觀觀察發現，鋼板開裂起源于側邊凹槽處，裂紋源及其附近表面的顯微組織為馬氏體+少量鐵素體。斷裂鋼板為牌號為Q345D-Z25的正火態鋼板，正常顯微組織應為鐵素體+珠光體。鋼板心部硬度約為181 HV1，裂紋源處表面硬度為481 HV1，硬度相差較大，表明凹槽處的顯微組織異常。低碳鋼(碳質量分數小于等于0.25%)的馬氏體主要為板條狀，是通過將鋼加熱到奧氏體狀態后，以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻到相變點以下溫度得到的。馬氏體具有高強度、高硬度、塑性較差等特點。

冷彎成型時，鋼板外凸面首先發生開裂，外凸面尤其是彎芯正對面受拉應力，且應力較大，若存在凹槽，必定會在該處產生明顯的應力集中，使得鋼板凸面應力分布不均，局部應力過大，超過材料的屈服強度，最終在應力集中最為明顯的凹槽底部發生開裂[1-2]。

3 結論

(1) 開裂Q345D鋼板切割時在其A側面形成凹槽，凹槽處為馬氏體組織，塑性較差，在彎曲過程中該處產生應力集中，這是Q345D鋼板冷彎成型開裂的根本原因。

(2) 建議軋鋼廠注意現場切割工具的工作狀態，同時增強產品出廠的外觀檢查力度，防止鋼材表面出現此類缺陷。