Q235B 熱軋鋼帶成型過程折彎開裂成因分析

供稿|張通，賈軍艷，薛強，劉洋，楊小波，趙啟揚 / ZHANG Tong, JIA Junyan, XUE Qiang, LIU Yang,YANG Xiaobo, ZHAO Qiyang

內容導讀

基于Q235B 成型過程中折彎開裂問題，具體分析了其化學成分、缺陷位置與正常組織顯微形貌、折彎開裂處裂口形貌、夾雜物、晶粒度等對鋼卷性能的影響。鐵素體和貝氏體混合組織具有較高的邊部裂紋敏感性，沖裁后邊部在存在微裂紋和毛刺的情況下進行加工造成了裂紋擴展是邊部開裂的直接原因，靠近原始帶鋼熱軋邊部的組織表面存在混晶情況，會加重裂紋的擴展程度。

Q235B 熱軋板帶為典型的碳素結構鋼，具體較好伸長率、強度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機械零件的制造，主要用于建筑、橋梁工程上質量要求較高的焊接結構件[1-2]。北方某鋼廠生產的Q235B 熱軋板帶，在用戶使用過程中出現了批量的折彎開裂問題，為找出折彎開裂的原因、制定改善措施，滿足用戶使用需求，對開裂缺陷樣品的化學成分、缺陷位置與正常組織顯微形貌、折彎開裂處裂口形貌、夾雜物、晶粒度等方面進行研究，找出引起成型折彎開裂原因[3]。

折彎開裂宏觀形貌

折彎開裂位置發生在樣品邊部如圖1，從邊部形貌看為沖裁邊部，開裂的程度不同，有部分位置開裂程度較深（開裂角1），有部分開裂較淺（開裂角2），沖裁邊部存在光亮帶和撕裂帶，其中撕裂帶存在微裂紋和毛刺。從折彎位置形貌分析和了解用戶加工工藝，用戶缺陷樣品為沖壓成型，成型角度為90°，Q235B 鋼板彎曲試驗標準d=1.5a（a為試樣厚度，d為彎心半徑，單位：mm），測量彎曲直徑d＜1.5a。

圖1 折彎開裂樣品

分析開裂缺陷樣品

對現場取回的折彎開裂零件和原始板材進行取樣，樣品缺陷部位取開裂角1 和2 的橫截面，觀察開裂部位組織情況，切取成分樣品，確定材料成分是否符合產品企業標準要求，另取標準拉伸試樣如圖2，標準彎曲試樣如圖3，確認缺陷樣品拉伸性能和彎曲性能。

圖2 標準拉伸試樣（單位：mm）

圖3 標準彎曲試樣（單位：mm）

成分分析

對所取成分樣品進行2 次化學成分分析，如表1所示，該樣品成分要求符合國家標準。

表1 缺陷樣品化學成分（質量分數） %

性能分析

缺陷樣品的橫縱向拉伸試樣1#、2#、3#和4#，均采用標準GB/T 228.1—2021 中的P7 試樣尺寸制備，寬度25 mm，標距50 mm。檢測結果如表2 所示，屈服強度（ReH）300～325 MPa，抗拉強度（Rm）450～460 MPa，雖然較其他企業Q235B 熱軋板帶性能偏高，但可滿足正常成型使用，斷后延伸率（A）良好，試樣橫縱向拉伸性能均滿足國家要求。

表2 缺陷樣品性能檢測結果

組織分析

對開裂試驗樣品分別取表面、1/4 處及中心3 個部分來觀察橫縱向顯微組織如圖4～5，可以看出母材組織為鐵素體和貝氏體的混合組織，且表層出現微量的針狀鐵素體，自表層、1/4 到中心處貝氏體含量逐漸減少，鐵素體含量逐漸增多。可見母材組織區別于其他鋼廠的鐵素體和珠光體組織，對Q235B 而言，貝氏體替代珠光體對成形性存在不利影響，同時表面針狀鐵素體的存在也會使材料的性能變差。

圖4 開裂角1 形貌及組織：(a)剖面圖；(b)表面；(c) 1/4 處；(d)中心

圖5 開裂角2 形貌及組織：(a)剖面圖；(b)表面；(c) 1/4 處；(d)中心

開裂角1 的裂紋深度大于開裂角2，從圖4 和5 中可以看出開裂角1 表面存在明顯的脫碳混晶現象，而開裂角2 則無此問題，但2 依然開裂，說明脫碳混晶是加重裂紋擴展的原因而非產生裂紋的原因[4]。組織方面同原始板材分析基本一致，表層到中心貝氏體含量逐漸減少，鐵素體含量逐漸增加，表層出現微量的針狀鐵素體[5-6]。由分析可知，Q235B中貝氏體代替珠光體會對材料的加工產生不利影響，表層針狀鐵素體的存在會加重這種趨勢，也表明材料具有較高的邊部裂紋敏感性，開裂的部分原因為材料的鐵素體和貝氏體組織具有較高的邊部裂紋敏感性，沖裁后邊部存在微裂紋的情況下進行加工造成了裂紋擴展[7-8]。

夾雜物分析

對缺陷樣品拋光后進行夾雜物檢驗，照片如圖6，上下表面觀察，夾雜物為C 類（硅酸鹽類）評級圖級別為細系i=0.5。

圖6 缺陷部位夾雜物情況：(a)夾雜物1；(b)夾雜物2

彎曲試驗

彎曲性能測試切取W1、W2 兩個彎曲試樣，均為橫向。彎曲樣品一側線切割加工，另一側為沖裁加工（線切割加工樣品光亮帶在外側，沖裁加工樣品撕裂帶在外側）用以對比彎曲試驗中材料邊部裂紋敏感性的大小。企業標準要求Q235B 保證180°彎曲、彎心直徑為d=1.5a。W1 樣品光亮帶在彎曲模具的外側，W2 樣品撕裂帶在彎曲模具外側。彎曲試驗結果如圖7 所示，可見兩個彎曲試樣的線切割邊部一側均未出現裂紋，W1 樣品光亮帶在外側時彎曲過程表面也未出現裂紋，而撕裂帶在外側的W2 樣品則出現了明顯的邊部開裂，說明材料具有較高的邊部裂紋敏感性，當材料邊部出現微裂紋時，在外力作用下裂紋很容易擴展放大[9]。

圖7 彎曲樣品形貌：(a) W1 線切割樣品；(b) W2 沖裁樣品

分析與討論

本次折彎開裂Q235B 熱軋卷的化學成分符合國家標準中對熱軋板帶Q235B 成分規定，滿足該鋼廠企業標準。從組織分析結果看，此次Q235B 熱軋卷成型折彎開裂的原因有2 個方面：（1）材料的鐵素體和貝氏體混合組織具有較高的邊部裂紋敏感性，帶鋼熱軋邊部的組織表面存在混晶情況，會加重裂紋的擴展程度，沖裁后邊部存在較明顯微裂紋和毛刺，在此情況下進行加工造成了裂紋擴展是邊部開裂的直接原因。（2）產品較常規的Q235B 性能偏高，用戶折彎成型過程實際為沖壓成型，成型角度為90°，彎曲半徑d＜1.5a，雖然樣品化學成分、拉伸和彎曲性能、夾雜物等符合國家和企業標準，但是從使用看，當前產品特性無法完全滿足用戶成型要求

處理措施

（1）產品沖壓折彎成型前，對半成品邊部毛刺等進行打磨，消除或降低邊部微裂紋和毛刺的影響[10]，可有效的降低折彎開裂的發生頻率。

（2）同用戶溝通，鑒于用戶對產品折彎成型要求較高，建議用戶訂制低屈服性能的相近鋼種，或針對此用戶訂制的Q235B 熱軋板帶做性能等方面的定制化管理，降低產品拉伸性能目標值，從而滿足用戶的沖壓折彎成型的工藝要求，避免折彎開裂問題的發生。

結束語

Q235B 作為典型的碳素結構鋼，用戶用途多樣，在開拓用戶和銷售產品前，做好用戶生產工藝過程和產品工藝要求的調研，根據用戶生產工藝為用戶推薦最合適的產品或定制化產品，可避免大量的質量抱怨和異議的發生。