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(qiáng)，劉洋，楊小波，趙啟揚(yáng) / ZHANG Tong, JIA Junyan, XUE Qiang, LIU Yang,YANG Xiaobo, ZHAO Qiyang

內(nèi)容導(dǎo)讀

基于Q235B 成型過程中折彎開裂問題，具體分析了其化學(xué)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(jìn)行加工造成了裂紋擴(kuò)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(huì)加重裂紋的擴(kuò)展程度。

Q235B 熱軋板帶為典型的碳素結(jié)構(gòu)鋼，具體較好伸長率、強(qiáng)度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機(jī)械零件的制造，主要用于建筑、橋梁工程上質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件[1-2]。北方某鋼廠生產(chǎn)的Q235B 熱軋板帶，在用戶使用過程中出現(xiàn)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(xué)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(jìn)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(fā)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場取回的折彎開裂零件和原始板材進(jìn)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(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，另取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣如圖2，標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣如圖3，確認(rèn)缺陷樣品拉伸性能和彎曲性能。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（單位：mm）

圖3 標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣（單位：mm）

成分分析

對所取成分樣品進(jìn)行2 次化學(xué)成分分析，如表1所示，該樣品成分要求符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 缺陷樣品化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

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(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021 中的P7 試樣尺寸制備，寬度25 mm，標(biāo)距50 mm。檢測結(jié)果如表2 所示，屈服強(qiáng)度（ReH）300～325 MPa，抗拉強(qiáng)度（Rm）450～460 MPa，雖然較其他企業(yè)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(jié)果

組織分析

對開裂試驗(yàn)樣品分別取表面、1/4 處及中心3 個(gè)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(xiàn)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?？梢娔覆慕M織區(qū)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(shí)表面針狀鐵素體的存在也會(huì)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(xiàn)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(kuò)展的原因而非產(chǎn)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(xiàn)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(huì)對材料的加工產(chǎn)生不利影響，表層針狀鐵素體的存在會(huì)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?yàn)椴牧系蔫F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(jìn)行加工造成了裂紋擴(kuò)展[7-8]。

夾雜物分析

對缺陷樣品拋光后進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，照片如圖6，上下表面觀察，夾雜物為C 類（硅酸鹽類）評級(jí)圖級(jí)別為細(xì)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(yàn)

彎曲性能測試切取W1、W2 兩個(gè)彎曲試樣，均為橫向。彎曲樣品一側(cè)線切割加工，另一側(cè)為沖裁加工（線切割加工樣品光亮帶在外側(cè)，沖裁加工樣品撕裂帶在外側(cè)）用以對比彎曲試驗(yàn)中材料邊部裂紋敏感性的大小。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)，W2 樣品撕裂帶在彎曲模具外側(cè)。彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，可見兩個(gè)彎曲試樣的線切割邊部一側(cè)均未出現(xiàn)裂紋，W1 樣品光亮帶在外側(cè)時(shí)彎曲過程表面也未出現(xiàn)裂紋，而撕裂帶在外側(cè)的W2 樣品則出現(xiàn)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(dāng)材料邊部出現(xiàn)微裂紋時(shí)，在外力作用下裂紋很容易擴(kuò)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(xué)成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)中對熱軋板帶Q235B 成分規(guī)定，滿足該鋼廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從組織分析結(jié)果看，此次Q235B 熱軋卷成型折彎開裂的原因有2 個(gè)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(huì)加重裂紋的擴(kuò)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(jìn)行加工造成了裂紋擴(kuò)展是邊部開裂的直接原因。（2）產(chǎn)品較常規(guī)的Q235B 性能偏高，用戶折彎成型過程實(shí)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(xué)成分、拉伸和彎曲性能、夾雜物等符合國家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是從使用看，當(dāng)前產(chǎn)品特性無法完全滿足用戶成型要求

處理措施

（1）產(chǎn)品沖壓折彎成型前，對半成品邊部毛刺等進(jìn)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(fā)生頻率。

（2）同用戶溝通，鑒于用戶對產(chǎn)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(chǎn)品拉伸性能目標(biāo)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(fā)生。

結(jié)束語

Q235B 作為典型的碳素結(jié)構(gòu)鋼，用戶用途多樣，在開拓用戶和銷售產(chǎn)品前，做好用戶生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品工藝要求的調(diào)研，根據(jù)用戶生產(chǎn)工藝為用戶推薦最合適的產(chǎn)品或定制化產(chǎn)品，可避免大量的質(zhì)量抱怨和異議的發(fā)生。