分析鋼管壓扁試驗(yàn)開裂的原因

針對帶鋼制成的鋼管在壓扁試驗(yàn)中出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象， 采用 XL30 掃描電鏡、 金相顯微鏡等， 對斷裂試樣進(jìn)行夾雜物、 晶粒度、 組織、 斷口等檢驗(yàn)和氧含量分析。 結(jié)果表明， 鋼中夾雜物多、 氧含量高是導(dǎo)致壓扁斷裂的主要原因。

1、概述

材質(zhì)為 Q235B 的鋼管在壓扁試驗(yàn)中出現(xiàn)非焊接區(qū)域斷裂。 針對此現(xiàn)象采用多種方法進(jìn)行分析和研究 ，找出導(dǎo)致鋼管斷裂的主要原因。

2、試驗(yàn)方法與結(jié)果

2. 1 試驗(yàn)方法

借助金相顯微鏡、 掃描電鏡、 光譜等方法， 對制成鋼管進(jìn)行非金屬夾雜物、 晶粒度、 顯微組織、 斷口 、化學(xué)成分及氣體含量分析。

2. 2 夾雜物、 晶粒度和組織檢驗(yàn)

通過對鋼管的夾雜物、 晶粒度和顯微組織檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)夾雜物主要分為三類： 線狀復(fù)合硅酸鹽、 串鏈狀的氧化鋁及硫化物， 其具體結(jié)果見表 1。 其中硅酸鹽夾雜物級別較高在 4. 5e-5e 之間， 晶粒度以 9. 0-9. 5 為主、 基體組織是鐵素體和珠光體， 沒有發(fā)現(xiàn)魏氏組織， 帶狀組織多在 2. 5-3. 0 級之間。

帶狀組織進(jìn)一步放大后發(fā)現(xiàn)有許多細(xì)小彌散地分布在鐵素體基體上的點(diǎn)狀夾雜物(見圖 1)， 對其進(jìn)行能譜微區(qū)成分分析為硫化物。 對試樣中含量較多的脆性夾雜(見圖 2) 進(jìn)行能譜分析， 其成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表 2。

圖 1 帶狀組織內(nèi)夾雜物

圖 2 脆性夾雜物

2. 3 斷口分析

借助掃描電鏡進(jìn)行斷口分析。 斷口形態(tài)見圖 5， 整個試面的斷裂形態(tài)呈木紋狀。 通過進(jìn)一步觀察， 把斷面大致分為 A、 B、 C 三個區(qū)， 其中 A 區(qū)為壓裂的斷裂源， B 區(qū)為壓裂延伸區(qū) 、C 區(qū)為最后斷裂的剪切唇。A、 B、 C 三個區(qū)分別進(jìn)一步放大可觀察到： A 區(qū)， 可看到由大量密集夾雜物引起的軋制裂紋， 裂紋變形呈波紋狀， 看不出斷裂形態(tài)， 這些夾雜物棱角分明， 主要來自包襯等耐火材料見圖 4a， 可見 A 區(qū)堆積的大量夾雜物是引起軋制裂紋并成為焊管壓裂的斷裂源; B 區(qū)是密集夾雜物引起的光滑斷面和細(xì)小的剪切韌窩見圖 4b; C 區(qū)是最后斷裂部位見圖 4c。

2. 4 化學(xué)成分和氣體含量

對試樣進(jìn)行化學(xué)成分和氣體含量分析。 通過化學(xué)成分分析可知， 鋼管的化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)， 成分合格。 氣體含量分析表明， 鋼管的平均氧含量為 141. 26×10-6 ， 氧含量較高。

2. 5 力學(xué)性能

在鋼管上截取試樣做拉伸試驗(yàn)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下： 屈服強(qiáng)度 365MPa， 抗拉強(qiáng)度 455MPa，伸長率 30%， 在國標(biāo)要求范圍內(nèi)。 由于試樣有限沒有做冷彎試驗(yàn)。

3、結(jié)果分析

鋼管壓扁斷裂試樣的晶粒度、 組織正常， 說明帶鋼軋制工藝正常。 由表 1 可知帶鋼中夾雜物級別較高主要是復(fù)合硅酸鹽夾雜。從斷口分析可知， 位于鋼材皮下堆積的大量夾雜， 在軋制過程中形成的軋制裂紋是引起壓扁開裂的主要因素。通過分析， 這些皮下夾雜主要是煉鋼澆注系統(tǒng)的耐火材料受鋼水沖刷 、浸蝕等進(jìn)入鋼液形成的大顆粒夾雜。

4、工藝改進(jìn)措施

(1) 改進(jìn)脫氧方式由 Si-Ca-Ba 脫氧改為鋼芯鋁加 Si-Ca-Ba 的脫氧脫氧方式， 加大脫氧力度減少夾雜物含量。 提高一次拉碳命中率， 減少后吹， 避免鋼水二次氧化。

(2) 提高吹氬時間， 保證每爐吹氬不小于 8min， 以促進(jìn)夾雜物上浮。

(3) 采用高質(zhì)量的耐火材料， 避免因鋼水沖刷、 侵蝕使夾雜物數(shù)量增加。

5、結(jié)論

導(dǎo)致鋼管壓扁試驗(yàn)中斷裂的主要原因是：

(1) 煉鋼包襯等耐火材料進(jìn)入鋼液形成的夾雜物在鋼材皮下大量堆積， 在軋制過程中產(chǎn)生的軋制裂紋成為裂紋源， 在外力作用下首先開裂。

(2) 氣體分析可知氧含量比較高， 進(jìn)一步說明引起斷裂的帶鋼中夾雜物含量較多。采取深脫氧技術(shù)， 優(yōu)化連鑄工藝， 從而控制鋼中氧含量， 降低鋼中夾雜物含量， 避免皮下夾雜的出現(xiàn)， 使帶鋼的塑韌性有很大改善。