建筑配件MK690D鋼折彎開裂原因分析

張盛華， 彭 磊， 潘小靜

(中天鋼鐵集團有限公司， 江蘇 常州 213011)

引 言

建筑及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要大量的建筑鋼材，中國近年來建筑業(yè)及鋼鐵產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，隨著人民日益增長的物質(zhì)文化需求，對建筑用鋼的各方面性能要求也越來越高[1-3]。一些建筑鋼材往往需要折彎后使用，一些折彎缺陷如撕裂、裂紋或斷裂將直接導(dǎo)致材料本體的損毀，一般情況下需要報廢處理，對成本影響較大[4-5]。由MK690D鋼Φ18 mm熱軋圓鋼制造的建筑配件，在冷彎后發(fā)現(xiàn)彎曲樣彎曲內(nèi)側(cè)表面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。該配件的制造工藝：原材料下料→攻絲→冷彎。本文通過化學(xué)成分、金相及硬度分析方法對開裂原因進行分析。

1 理化檢驗

1.1 MK690D鋼建筑配件開裂宏觀形貌

MK690D鋼折彎樣宏觀形貌如圖1所示，其中1#和2#折彎樣折彎處內(nèi)側(cè)表面均發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象，裂紋均為橫向裂紋，都位于折彎處內(nèi)側(cè)表面中間位置；3#折彎樣內(nèi)側(cè)表面未發(fā)現(xiàn)存在裂紋缺陷，如圖2-4所示。

圖1 MK960D鋼折彎試樣宏觀形貌

圖2 1#折彎樣折彎內(nèi)側(cè)表面裂紋形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對MK690D折彎開裂試樣，使用德國超譜公司QSN750型直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。可見該折彎開裂試樣的化學(xué)成份符合MK690D鋼的化學(xué)成分規(guī)范。

圖3 2#折彎樣折彎內(nèi)側(cè)表面裂紋形貌

表1 折彎開裂試樣的化學(xué)成分/%

圖4 3#折彎樣折彎內(nèi)側(cè)表面無缺陷

1.3 金相檢驗

取圖2中1#折彎樣沿缺陷(白色線處)縱向取樣分析，檢驗發(fā)現(xiàn)之前宏觀檢驗的橫向裂紋缺陷深約0.07 mm，裂紋缺陷內(nèi)有灰色氧化物，裂紋周圍無明顯脫碳現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)有明顯的組織變形流線存在，基體組織為鐵素體+珠光體，如圖5-7所示。

圖5 1#折彎樣裂紋缺陷微觀形貌

取圖3中2#折彎樣沿缺陷(白色線處)縱向取樣分析，檢驗發(fā)現(xiàn)裂紋分為兩部分，裂紋缺陷開口處有灰色氧化物存在，裂紋周圍無明顯脫碳現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)裂紋開口處兩側(cè)有明顯的組織變形流線存在；裂紋缺陷開口處以下具有應(yīng)力開裂裂紋特征，裂紋剛直有力，兩側(cè)無脫碳及氧化物存在；裂紋缺陷整體深約3.9 mm，基體組織為鐵素體+珠光體，如圖8-13所示。

圖6 1#折彎樣無脫碳的流變組織

圖7 1#折彎樣基體微觀組織

圖8 2#折彎樣裂紋缺陷微觀形貌

圖9 裂紋縫隙的灰色氧化物

圖10 2#折彎樣裂紋缺陷微觀形貌

圖11 2#折彎樣無脫碳的流變組織

圖12 2#折彎樣基體微觀組織

圖13 3#折彎樣基體微觀組織

1.4 硬度檢驗

對3支折彎樣進行布氏硬度檢驗，1#折彎樣硬度值245HBW5/750，2#折彎樣硬度值257HBW5/750，3#折彎樣硬度值250HBW5/750。

2 分析與討論

(1)MK690D鋼折彎樣的化學(xué)成分、原材料圓鋼的金相組織均符合要求。

(2)宏觀檢驗分析表明：1#和2#折彎樣折彎處內(nèi)側(cè)表面均發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，裂紋均為橫向裂紋，都位于折彎處內(nèi)側(cè)表面中間位置，說明開裂裂紋均與折彎加工有關(guān)。3#折彎樣折彎處內(nèi)側(cè)表面未發(fā)現(xiàn)存在裂紋缺陷。

(3)金相檢驗分析表明，1#折彎樣內(nèi)側(cè)表面裂紋缺陷深約0.07 mm，裂紋缺陷內(nèi)有灰色氧化物，裂紋周圍無明顯脫碳現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)有明顯的組織變形流線存在，組織變形流線的存在說明此裂紋缺陷為受擠壓產(chǎn)生，即此裂紋缺陷實為折彎時產(chǎn)生的內(nèi)折缺陷(即折疊缺陷)，并非開裂裂紋。2#折彎樣內(nèi)側(cè)表面裂紋缺陷檢驗發(fā)現(xiàn)分為兩部分，裂紋缺陷開口處有灰色氧化物存在，裂紋周圍無明顯脫碳現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)裂紋開口處兩側(cè)有明顯的組織變形流線存在，說明此開口處裂紋缺陷也與1#試樣一樣為內(nèi)折缺陷，并非開裂裂紋；裂紋缺陷開口處以下具有應(yīng)力開裂裂紋特征，裂紋剛直有力，裂紋兩側(cè)無脫碳及氧化物存在，說明此處開裂裂紋為開口處內(nèi)折缺陷形成后受拉應(yīng)從力內(nèi)折缺陷處開裂拓展導(dǎo)致。所取3支折彎試樣基體組織均為鐵素體+珠光體，說明組織均正常且無差異。

(4)硬度檢驗分析表明，1#折彎樣硬度值245HBW5/750，2#折彎樣硬度值257HBW5/750，3#折彎樣硬度值250HBW5/750，說明硬度值均正常且差異不大。

綜上所述，根據(jù)彎曲試驗的受力分析可知，當(dāng)試樣彎曲時彎曲內(nèi)側(cè)面受到的是壓應(yīng)力(即此區(qū)域受到的是擠壓或壓縮力)，而彎曲外側(cè)面受到的是拉應(yīng)力(即此區(qū)域受到的是拉伸力)，所以一般彎曲過程中的開裂均為彎曲外側(cè)面開裂，內(nèi)側(cè)面在彎曲過程中是不會發(fā)生開裂的，但如果彎芯過小、彎曲角度過大等異常因素存在則會導(dǎo)致在內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生內(nèi)折缺陷(即折疊缺陷)，如果試樣彎曲完成后內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生了折疊缺陷，后因某種因素彎曲試樣又受到了與彎曲方向相反的力(如外折)，則會以內(nèi)側(cè)面的折疊缺陷為應(yīng)力集中點產(chǎn)生擴展開裂，如2#試樣彎曲內(nèi)側(cè)面裂紋的產(chǎn)生即是如此。所以MK690D鋼折彎樣折彎處內(nèi)側(cè)表面存在的裂紋缺陷可能為折彎過程中產(chǎn)生內(nèi)折缺陷，后又受到了某種反向彎曲力使內(nèi)折缺陷拓展開裂導(dǎo)致。

3 結(jié)束語

MK690D鋼折彎樣折彎處內(nèi)側(cè)表面存在的裂紋缺陷可能為折彎過程中產(chǎn)生內(nèi)折缺陷，后又受到了某種反向彎曲力使內(nèi)折缺陷拓展開裂導(dǎo)致。