联系我们
咨询热线
136-8475-6518
服务热线:186-8606-3789
邮箱:28801982beijing@163.com
地址:内蒙古自治区呼和浩特市回民区百联钢材市场7栋3号
当前位置:首页 > 恒兆赢资讯 > 公司新闻  
中厚钢板冷弯裂纹与开裂原因分析
作者:admin 发布日期:2017/12/14 关注次数: 二维码分享

中厚板的力学性能主要指钢板的屈服强度、抗拉强度、冷弯性能、冲击韧性等五项基本指标。其中冷弯性能是衡量和评价中厚钢板塑性的一项重要力学性能指标,是必不可缺少的性能检验项目,在指定试验条件下可以用来判定钢板承受弯曲塑性变形的能力并暴露其缺陷。通过试验可以定性评价钢板弯曲变形而不发生裂纹的极限延伸能力,也可以用来比对材料的塑性变形能力。


1 冷弯裂纹或开裂概述

在冷弯试验或实际加工过程中,当中厚板冷弯性能不合格或冷弯加工成型时,表面裂纹或开裂现象时有发生,给生产厂和用户造成较大的损失。图 1( a) ~ ( c) 为冷弯试验时出现的冷弯裂纹和冷弯开裂形貌,图 1( d) ~ ( f) 为钢板冷弯成型出现的裂纹和开裂实物照片。冷弯裂纹或开裂钢板的取样分析结果表明,造成钢板冷弯性能不合格的原因是多方面的,既有钢质、表面质量以及轧制的问题,也有用户加工不当等其他方面的问题,本文分别从以下几个方面加以论述。


2 内在影响因素
2. 1 夹杂物对钢板冷弯性能的影响
冷弯试样裂纹或开裂处样品的金相检验表明,冷弯性能不合格试样裂口( 纹) 处的夹杂物较多,主要以硅酸盐和氧化物为主,带状组织明显,且级别较高。夹杂物通常对钢材的纵向延性( 延伸) 影响较小,而对横向延性的影响非常明显,尤其是夹杂物形状对横向延性影响更大,粗大的条状塑性夹杂物和点链状脆性夹杂物对塑性的危害最大,同时还能引起钢材( 板) 的各向异性,且与基体的结合性较差。裂纹或开( 断) 裂往往从条状夹杂物与基体界面处产生的显微裂纹开始。条状和点链状夹杂物越多,在受力的情况下显微裂纹就越容易先连接,而后随着受力状态的变化 ( 加强) 导致裂纹扩展。因此,许多较高级别的条状硅酸盐和点链状氧化物夹杂物是造成钢板冷弯裂纹或冷弯开裂的主要原因之一。

2. 1. 1 硫化物夹杂的影响

硫化物夹杂对中厚钢板冷弯性能的影响取决于其数量、尺寸和分布形态。尺寸较小且分散分布的硫化物夹杂对冷弯性能影响不大,而尺寸较大且集中分布的硫化物夹杂可作为裂纹源,直接引起中厚钢板冷弯开裂,对冷弯性能影响很大。在冷弯变形过程中,应力集中首先使硫化物夹杂裂开或使夹杂与金属基体分离产生显微孔洞,这些孔洞随变形过程不断长大、连接,形成显微裂纹和内裂,进一步扩展会导致中厚钢板冷弯开裂。硫化物对钢材冷弯开裂的影响体现在多个方面。硫化物会降低钢的塑性和韧性,因为在变形过程中已被拉长的硫化物夹杂受力后破断成若干小段,同时由于夹杂物与基体界面分离而形成拉应力,促生纵向裂纹,起到“内部细颈”的作用,所以加速了试样的破断,降低了塑性。硫化物沿热加工( 轧制) 方向伸长变形并成行排列,使钢基体纤维组织在横向上产生延性降低的“缺口效应”,抵抗横向应变的能力减弱,因而使纵、横向的塑性与韧性均存在较大的差别,尤以增大冲击值的各向异性最为明显。


2. 1. 2 条状硅酸盐的影响

由于硅酸盐夹杂物在常温下的塑性、韧性与基体相差很大,在一定条件下很容易引起裂纹,夹杂物越粗,裂纹越容易产生而且越严重。基于位错理论,当试样进行弯曲试验时,试样外侧的晶粒受到拉力作用,引起位错移动并在晶界堆积,当堆积到一定程度时,由于晶粒之间协调性引起相邻晶粒的位错移动,从而达到晶粒形状改变。当夹杂物存在时阻碍了这种协调性,从而使位错在晶粒与夹杂物界面塞积,并产生应力集中,当应力集中超过晶间结合力时则产生微裂纹。随着钢板变形加剧,微裂纹进一步扩展,直至出现裂缝。


2. 2 内部不良形态组织的影响

钢板内部的不良形态组织主要表现为: 金相组织有严重的组织偏析,且组织不均,晶粒大小混杂、粗晶与细晶混杂、细晶粒夹在粗晶粒之间的混晶现象较为明显,裂纹与开裂处附近存在严重的带状、魏氏等不良组织形态。


2. 2. 1 带状组织

带状组织是钢材内部缺陷之一,出现在热轧低碳结构钢显微组织中,可分为一次带状组织和二次带状组织。前者是在冶炼过程中,由于钢水在冷却凝固过程中产生枝晶偏析所形成的原始带状组织; 后者是钢材在热加工后冷却所产生的沿轧制方向平行排列、呈层状分布、形同条带的组织。


带状组织的存在使钢组织不均匀,降低了钢材的塑性、冲击韧性、断裂韧性和断面收缩率,易造成冷弯不合,并使钢材的力学性能产生各向异性。在冷弯试验时,带状组织超过 2. 5 级。由于铁素体层的强度低、塑性变形能力较高,而珠光体层的强度高、塑性变形能力较差,使得变形不均,易产生冷弯裂纹或开裂。


2. 2. 2 魏氏组织
简而言之,魏氏组织就是在奥氏体晶粒较粗大、冷却速度适宜时钢中的先共析相以针片状形态与片状珠光体混合存在的复相组织。魏氏组织不仅晶粒粗大,而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面 ,使金属的韧性急剧下降,屈服强度也随之降低,成为不易淬火钢焊接接头变脆的一个主要原因。魏氏组织如图 3 所示。

2. 2. 3 混晶

混晶是指材料的奥氏体晶粒有明显的多种区域尺寸,每个区域尺寸的含量都较大且不可忽略。混晶组织就是在加热奥氏体化后获得了大小相差悬殊、粗细晶粒共存的组织形态。混晶产生的原因包括包晶反应、铸坯的原始组织不均匀、部分再结晶区轧制或轧后层流冷却不均、过烧、终轧温度过低、压下量不够( 临界压下率 10% ~ 20% ) 。混晶对钢材的力学性能、工艺性能,特别是对低温冲击韧性的危害最大,尤其对组织遗传倾向较大钢种的进一步热处理有很大影响,但对强度和延伸率的影响不大。因此,有些混晶不严重的钢材也可以判定合格。


3 外部影响因素
3. 1 钢板表面质量的影响

钢坯由于意外原因在加热炉停留时间过长或加热温度设计不合理,都会造成钢坯表面烧损严重或严重脱碳,导致钢坯表面粗糙脆化或钢坯表面以下缺陷及夹杂物暴露,轧后钢板表面微裂纹、麻点、气孔等缺陷暴露。在钢板弯曲试验后,这些缺陷在裂纹和开裂处大量出现。冷弯宽度越大,这些缺陷或夹杂物出现在表面附近的概率越大,在弯曲过程中应力集中也较大,尤其是厚规格钢板在近似宽冷弯试验加工条件下,产生冷弯裂纹或开裂可能性大大增加。


另外,如果钢板表面存在的结疤、折叠、划伤等缺陷出现在冷弯区域,也会导致冷弯裂纹或冷弯开裂。对冷弯裂纹的显微观察分析发现: 冷弯处出现的外宽里窄 V 字形裂纹一般由钢板表面或暴露在钢板表面上的缺陷及夹杂造成; 里宽外窄裂纹则表明裂纹是由钢板内部缺陷产生的。


裂纹扩展方向与表面基本平行,在裂纹区附近有条状硅酸盐,并且裂纹内存在残余硅酸盐夹杂物,说明硅酸盐夹杂物是裂纹的源头。由于硅酸盐夹杂物在常温下的塑性、韧性与基体相差很大,在一定条件下很容易引起裂纹,且夹杂物越粗,裂纹越容易产生并更加严重。通过对冷弯试样出现裂纹进行观测发现,钢的表面存在一些细小、不容易被肉眼甄别的缺陷,对冷弯裂纹产生重要影响,甚至在拉伸试验中不易察觉的一些缺陷,如钢板的过热、脱碳、局部过冷,也会在冷弯试样的外表面上反映出来,并且随试样弯心直径减小、冷弯角度加大而表现得更为明显。


如图 4 所示,冷弯试样的弯曲外弧面开裂或起皮现象是钢板表面存在裂纹和折叠的具体显现。另外,由于钢材的变形不渗透、组织不良、分层等内部缺陷的不利影响,有时会在试样厚度两个侧面方向上出现褶皱、裂纹、分层及层间断裂等现象。这些现象一旦出现,就应该对钢材的性能检验、交付使用慎重对待。

3. 2 弯曲试验参数的影响
3. 2. 1 宽厚比

宽厚比大小直接影响弯曲力学约束条件变化。宽厚比大,力学约束条件趋于平面应变状态。由于拉应力和拉应变利于产生裂纹,不利于塑性变形,因而造成大宽度试样中央区域的塑性变形约束条件比宽厚比小的试样苛刻,即宽厚比小的试样( 窄冷弯) 弯曲出现裂纹的可能性小,宽厚比大的试样( 宽冷弯) 弯曲出现裂纹的可能性大。试验结果表明,试样弯曲变形( 塑性变形) 能力与试样的宽度有密切关系。当试样宽厚比小时,只能在一定程度上反映钢板的质量; 当试样宽厚比达到 5∶ 1 ~ 8∶ 1 时,冷弯的合格率急剧下降,表明该宽厚比的范围对冷弯试验结果非常敏感。因此,要严格考查金属的变形阻力,试样的宽厚比应增加到一个适当的数值。美国 ASTM E290 标准明确指出,要获得可比较的试验结果,试样的宽厚比应在 8∶ 1 以上。


3. 2. 2 弯曲角

在一定弯曲角度以下,弯曲后达到的最大纵向应变量随弯曲角度的增加而增加,但达到某一角度后,弯曲角进一步增加,其纵向最大应变增速减慢,而且只是最大纵向应变区域向弯曲轴两侧扩展。当弯曲角增加时,试样宽度中央无横向变形区的宽度趋向减小。


3. 2. 3 弯心直径

弯心直径对弯曲时的纵向应变有明显影响,在其他条件相同时,弯心直径增加,引起纵向应变的最大值减小。也就是说,随着弯心直径的增加,冷弯合格率也会随之提高。


3. 3 钢板加工使用的影响

据了解,许多用户在钢板加工时采用直角冲压方式进行折弯。弯曲裂纹多发生在弯曲半径和弯曲角度要求过于严格的情况下,板材折弯成型时使用冲压模具顶部圆弧倒角 R 越小,对材料延展率的要求越高。厚板折弯成型时,如果 R ≤板厚或成型角度 > 90°,都容易出现弯曲裂纹。弯曲宽度较小的产品时,裂纹在宽度的两端产生; 弯曲宽度较大时,裂纹沿着弯曲线在弯曲宽度的中部附近发生。如果下好料的板料边缘有毛刺,从这些地方折弯也容易产生裂纹,这是由于有毛刺的地方相当于有很多的微观裂纹,在弯曲时容易从这些微观裂纹处开裂。实际上,用户的加工方式比按照国家标准进行冷弯试验的技术条件要求高。例如,冲压速度远大于试验时压力弯曲速度; 试验时试样冷弯采用“三点”支撑弯曲方式,外侧的两个支点( 支撑面) 随着试样弯曲滚动,基本不产生试验外表面的摩擦拉应力; 即使采用宽冷弯方式进行试验,试样的宽度远小于用户加工使用的宽度; 用户采用的是直角冲头,冲头呈现明显的尖角,顶端几乎没有任何圆角,尽管冲压呈现 90°直角,但是钢板弯曲的局部位置已体现出弯心直径等于零的超宽冷弯极端情况,且在厚度大于 12 mm 时,尖角的外弧面 3 /4 区域延伸已接近拉伸试验条件。


4 结论
( 1) 钢板在轧制过程中会沿轧制方向形成一定的带状、魏氏等不良组织,这些不良组织导致钢板性能存在各向异性,从而使得钢板沿轧制方向强度、塑性和韧性都比垂直于轧制方向的高。因此,钢板冷弯过程中容易在垂直于钢板轧制方向出现开裂。此外,从裂纹的微观分析可以看出,沿带状组织方向有大量的夹杂物分布且存在明显的组织偏析,此种显微组织也会导致钢板在冷弯过程中开裂 。
( 2) 非金属夹杂物对冷弯性能影响很大,尤其在夹杂物和带状组织共同作用下冷弯开裂的倾向性更大。冷弯开裂的原因主要有: 由 Mn、Si 等元素偏聚引起 A3 温度改变,导致产生铁素体/珠光体带状组织; 断口处存在硫化物夹杂,降低钢的塑性和韧性,使钢板产生冷弯失效。夹杂物对冷弯影响排序为: 条带状 MnS > 链状硅酸盐等夹杂物 > 带状组织。球化夹杂物对冷弯的影响降低。
( 3) 金相组织中严重的组织偏析、混晶、组织不均以及伴随带状组织是裂纹形成或加工时裂纹扩展的主要原因 。

( 4) 钢板的表面缺陷对钢材冷弯性能的影响较大。冷弯试验以钢板上表面为弯曲外弧时,冷弯合格率明显提高。钢板表面的发纹、皮下气泡、折叠等缺陷会造成冷弯裂纹,但一般情况下不会引起冷弯断裂,而钢材内部的分层、内裂等缺陷在大多情况下可直接导致冷弯断裂。


呼和浩特中厚钢板


内蒙古恒兆赢商贸有限公司,成立于2010年,位于内蒙古自治区首府呼和浩特市,公司是包头钢铁集团、河北钢铁集团、天津友发集团、唐山京华(华岐)钢管集团公司的指定经销商。公司致力于为客户提供高质量、低价格的钢铁产品为目标,努力为客户创造价值为己任,公司秉承“守城以薄己,取信而厚人”的经营理念,坚持“客户第一”的原则为广大客户提供优质的服务。主要经营呼和浩特中厚钢板。欢迎您的致电0471-5976480



在线客服
热线电话
136-8475-6518
二维码

二维码