工程機械用Q960高強度鋼板冷折彎開裂原因

朱 奇，李 強，熊志林，張起創(chuàng)

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院,長沙 410208；2.湖南集謳重工科技有限公司，長沙 410100)

0 引 言

隨著工程機械安全性能及節(jié)能減排要求的提高，輕量化已成為工程機械發(fā)展的必然趨勢。臂架是挖掘機、起重機、混凝土泵車等諸多工程機械裝備常用的一種重要結(jié)構(gòu)形式[1]。臂架系統(tǒng)的質(zhì)量決定著產(chǎn)品的整機質(zhì)量和整機穩(wěn)定性。為滿足臂架輕量化和制造更長臂架的需求，目前臂架結(jié)構(gòu)材料已由傳統(tǒng)的低碳鋼逐漸向先進高強鋼和超高強鋼轉(zhuǎn)變，且用鋼強度級別也越來越高[2-3]。在長臂架混凝土泵車、長臂架舉高消防車、長臂架高空作業(yè)平臺等高端裝備的設(shè)計開發(fā)中，700 MPa級以上高強度鋼的應(yīng)用越來越廣泛[4-5]，但高強度鋼在使用過程中也可能會出現(xiàn)折彎開裂、沖壓開裂、分層開裂等質(zhì)量問題[6-8]。

某企業(yè)在試制58 m長臂架混凝土泵車時，臂架結(jié)構(gòu)件上厚6 mm的Q960高強度鋼油缸座封板在采用折彎半徑20 mm的上模、開口寬度60 mm的下模進行90°冷折彎成型時，其短板、中長板和長板折彎處都出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，且折彎外圓面上的裂紋比較明顯。為了找到該批次高強度鋼板冷折彎開裂的原因，作者對其進行了失效分析，并提出了改進措施。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，臂架結(jié)構(gòu)件上油缸座封板的裂紋貫穿整個折彎面，折彎面斷口呈灰色。

圖1 油缸座封板的裂紋宏觀形貌Fig.1 Crack macromorphology of cylinder seat sealing plate

1.2 化學(xué)成分

在油缸座封板折彎開裂處取樣，采用LabSpark 1000型直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析。由表1可以看出，實測鋼板的化學(xué)成分與質(zhì)保要求一致，且滿足技術(shù)協(xié)議要求，同時磷、硫含量都遠(yuǎn)低于技術(shù)協(xié)議要求，說明鋼水純凈度較好。

表1 失效油缸座封板用高強鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of high strength steel for failed cylinder seat sealing plate (mass fraction) %

1.3 顯微組織

在油缸座封板折彎處的外圓面截取金相試樣，經(jīng)電木粉鑲嵌并打磨拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用4XC-MS型光學(xué)顯微鏡觀察鋼板橫截面與縱截面的顯微組織。由圖2可以看出，高強鋼板組織以板條貝氏體為主，同時還有少量板條狀馬氏體、殘余奧氏體，橫截面組織比較均勻，而縱截面組織中板條馬氏體塊沿軋制方向呈帶狀分布，其厚度約為20 μm。

圖2 失效油缸座封板橫縱截面顯微組織Fig.2 Transverse (a) and longitudinal (b) cross-section microstructures of failed cylinder seat sealing plate

在油缸座封板折彎外圓面開裂處取樣，采用EVO MA 10/LS 10型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察裂紋形貌。由圖3可以看出，油缸座封板折彎外圓面裂紋附近不存在大顆粒夾雜物，但裂紋附近組織在彎曲作用下出現(xiàn)了明顯的金屬流變現(xiàn)象。

圖3 失效油缸座封板折彎面圓處的裂紋SEM形貌Fig.3 Crack SEM morphology at bending circular surface of failed cylinder seat sealing plate

將油缸座封板折彎外圓面打磨拋光后，采用EVO MA 10/LS 10型掃描電子顯微鏡觀察夾雜物形貌。由圖4可看出，失效油缸座封板折彎處非金屬夾雜物尺寸較小，數(shù)量不多，夾雜物為B類1～1.5級，開裂部位以及未開裂部位的夾雜物數(shù)量和尺寸沒有明顯差異，同時存在少量尺寸超過20 μm的球狀夾雜物；裂紋尖端存在一定數(shù)量的矩形析出相，尺寸為510 μm。

圖4 失效油缸座封板折彎外圓面未開裂處與裂紋尖端的夾雜物形貌Fig.4 Inclusion morphology of uncracked area (a) and crack tip (b) at bending circular surface of failed cylinder seat sealing plate

1.4 斷口形貌

對油缸座封板折彎處裂紋施加外力，使裂紋貫通形成斷口，采用EVO MA 10/LS 10型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌,用附帶能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。由圖5可以看出，斷口大部分為準(zhǔn)解理形貌，存在少量韌窩，表現(xiàn)為脆性斷裂結(jié)合部分韌性斷裂的特征。由圖6可以看出，斷口表面韌窩中發(fā)現(xiàn)了少量夾雜物，該夾雜物含有鈦、氮元素，推測為TiN析出相。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，在斷面距斷口邊緣約300 μm處存在TiN顆粒，且在拉應(yīng)力作用下已形成初生微裂紋，而裂紋附近并未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物，也未觀察到大顆粒夾雜物產(chǎn)生的裂紋，如圖7所示。

圖5 人工打開油缸座封板折彎處裂紋后的斷口形貌Fig.5 Morphology of fracture formed by artificial opening crack at bending place of cylinder seat sealing plate: (a) surface of bending fracture, at low magnification；(b) surface of bending fracture, at high magnification and (c) middle of bending fracture

圖6 人工打開油缸座封板折彎裂紋后斷口表面韌窩形貌與韌窩處夾雜物EDS譜Fig.6 Dimple morphology (a) and EDS spectrum of inclusions in dimples (b) on fracture surface by artificial opening crack at bending place of cylinder seat sealing plate

1.5 顯微硬度

采用HV-10型硬度計分別沿厚度方向測失效油缸座封板裂紋附近未變形區(qū)與遠(yuǎn)離裂紋處的橫向與縱向1/4，1/2和3/4板厚處的維氏硬度，載荷為98 N，保載時間為15 s。由表2可看出，距裂紋15 mm位置以及遠(yuǎn)離裂紋處的硬度無明顯差異，近表面和板厚中心位置的硬度差異不大，表明組織連續(xù)分布。

圖7 人工打開油缸座封板折彎處裂紋后斷口邊緣的裂紋形貌Fig.7 Crack morphology of fracture edge by artificial opening crack at bending place of cylinder seat sealing plate

表2 失效油缸座封板沿厚度方向不同位置處的硬度

1.6 沖擊功

為準(zhǔn)確分析油缸座封板的韌性[9-10]，沿失效與未失效油缸座封板的橫向與縱向截取表面尺寸為10 mm×55 mm的試樣，按照GB/T 19748-2019，采用JBS-3000型示波沖擊試驗機進行示波沖擊試驗，試驗溫度為-20 ℃，擺錘仰角為150°，測得橫向和縱向示波沖擊試驗曲線如圖8所示，計算得到的裂紋擴展功、總沖擊功如表3所示。由表3可以看出，失效與未失效油缸座封板的總沖擊功均大于20 J，符合企業(yè)的技術(shù)協(xié)議要求，其裂紋擴展功占比均達50%以上，橫向裂紋擴展功占比可達到70%以上。這說明失效與未失效油缸座封板均具有較好的韌性和抗脆性斷裂能力。未失效油缸座封板的裂紋擴展功是失效油缸座封板的1.43～1.83倍，說明未失效油缸座封板具有更好的韌性和更強的抗裂紋擴展能力。

表3 未失效與失效油缸座封板的沖擊功Table 3 Impact energy of unfailed and failed cylinder seat sealing plate J

圖8 未失效與失效油缸座封板的示波沖擊試驗曲線Fig.8 Oscillographic impact test curves of unfailed (a,c) and failed (b,d) cylinder seat sealing plate:(a-b) transverse direction and (c-d) longitudinal direction

2 開裂原因分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知：該批次高強鋼板的顯微組織以板條貝氏體為主，同時含有少量馬氏體和殘余奧氏體，馬氏體呈板條狀沿軋制方向呈帶狀分布，未觀察到異常組織出現(xiàn)；非金屬夾雜物尺寸較小，且數(shù)量較少，開裂部位與遠(yuǎn)離裂紋位置的硬度變化不大，說明組織連續(xù)分布；示波沖擊試驗顯示材料具有良好的韌性和抵抗脆性斷裂能力；該批次高強度鋼板的化學(xué)成分、硬度、沖擊功等均符合技術(shù)協(xié)議和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。折彎斷口大部分呈準(zhǔn)解理形貌，表現(xiàn)為脆性斷裂結(jié)合部分韌性斷裂的特征；在折彎拉應(yīng)力作用下，斷口邊緣300 μm處的大尺寸TiN夾雜物處萌生微裂紋，同時裂紋擴展路徑附近不存在大顆粒夾雜物，但出現(xiàn)了明顯的金屬流變現(xiàn)象，說明裂紋是在冷彎過程中產(chǎn)生的。由此可知，在折彎拉應(yīng)力的作用下，微裂紋在高強鋼板中大尺寸TiN夾雜物處萌生并擴展，導(dǎo)致鋼板的冷折彎開裂。

3 結(jié) 論

(1) Q960高強度鋼板冷折彎處的開裂性質(zhì)為拉應(yīng)力誘發(fā)的微裂紋萌生及擴展。在冷折彎過程中鋼板折彎外圓面受到拉應(yīng)力而在原板坯中大尺寸TiN夾雜物處萌生裂紋，裂紋沿橫、縱向擴展而導(dǎo)致鋼板開裂。

(2) 為避免同類失效事件再次發(fā)生，調(diào)整Q960高強度鋼板的化學(xué)成分，將鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.18%降至0.15%，同時將氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在不高于0.003%的范圍內(nèi)，以減少TiN夾雜物的數(shù)量。為降低企業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險和成本，對已折彎的鋼板進行探傷檢測，如發(fā)現(xiàn)裂紋即報廢處理，如未發(fā)現(xiàn)裂紋，根據(jù)折彎件受力情況確定后續(xù)措施，受力較大的建議報廢處理，受力較小的則可繼續(xù)使用。