圖 1 斷裂試樣的宏觀形貌
分享：焊接鋼管彎曲測試試樣斷裂原因
近年來,我國基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展期,其中鋼結(jié)構(gòu)在城市建筑中發(fā)揮著重要作用[1]。各鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)都在增加自身研發(fā)的投入,改良焊接技術(shù),追求技術(shù)革新。因此,保證鋼產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。
某鋼結(jié)構(gòu)安裝廠對S460M鋼進(jìn)行了焊接工藝評定認(rèn)證,在對某鋼材進(jìn)行180°彎曲測試時,出現(xiàn)了斷裂情況（見圖1）。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了鋼材斷裂的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 化學(xué)成分分析
分別在試樣斷口附近的焊縫和母材處取樣,采用電感耦合等離子光譜儀和碳硫分析儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：母材和焊縫的化學(xué)成分非常接近,都符合EN 10025-4—2004 《熱機(jī)械軋制可焊接細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼的交貨技術(shù)條件》對S460M鋼的要求。
Table 1. 焊縫和母材的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Nb | V | Al | Ti | Cr | Ni | Mo | Cu | N | |
| 母材實測值 | 0.14 | 0.38 | 1.54 | 0.013 | 0.014 | <0.01 | <0.01 | 0.02 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | 0.006 |
| 焊縫實測值 | 0.16 | 0.41 | 1.34 | 0.014 | 0.016 | <0.01 | <0.01 | 0.02 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | <0.01 | 0.006 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | ≤0.16 | ≤0.60 | ≤1.70 | ≤0.030 | ≤0.025 | ≤0.05 | ≤0.12 | ≤0.02 | ≤0.05 | ≤0.30 | ≤0.80 | ≤0.20 | ≤0.55 | ≤0.025 |
1.2 力學(xué)性能測試
在斷裂試樣上取橫向拉伸試樣,分別在斷裂試樣的焊縫和熱影響區(qū)處取沖擊試樣,在未斷裂試樣上取橫向拉伸試樣,分別在未斷裂試樣的焊縫和熱影響區(qū)處取沖擊試樣,按照EN 10025-4—2004的要求對試樣進(jìn)行拉伸試驗及－20 ℃沖擊試驗,結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂試樣熱影響區(qū)有一組試樣的沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)要求；在拉伸試驗后,未斷裂試樣均斷裂在母材處,且未斷裂試樣的抗拉強度均大于斷裂試樣。
Table 2. 斷裂試樣和未斷裂試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 焊縫沖擊吸收能量/J | 熱影響區(qū)沖擊吸收能量/J |
|---|---|---|---|
| 斷裂試樣實測值 | 590,585,585,590 | 226,244,220 | 52,46,54 |
| 未斷裂試樣實測值 | 640,620,625,630 | 124,133,134 | 101,100,125 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 540~720 | ≥47 | ≥47 |
在斷裂試樣和未斷裂試樣的焊接接頭處取樣,對試樣進(jìn)行維氏硬度測試,取樣位置如圖2所示,測試結(jié)果如表3所示。由表3可知：斷裂試樣和未斷裂試樣在母材處的硬度幾乎一致,而斷裂試樣和未斷裂試樣在焊縫和熱影響區(qū)處的硬度有較大差異。
圖 2 維氏硬度測試取樣位置示意
Table 3. 斷裂試樣和未斷裂試樣的維氏硬度測試結(jié)果
| 項目 | 母材測試位置 | 熱影響區(qū)測試位置 | 焊縫測試位置 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
| 斷裂試樣實測值 | 193,193,193 | 185,185,185 | 190,190,191 | 185,188,186 | 233,303,303 | 313,302,222 | 328,310,222 | 240,272,239 | 185,195,199 | 243,202,190 | 209,216,216 | 203,216,221 |
| 未斷裂試樣實測值 | 182,183,185 | 182,182,183 | 193,193,193 | 191,191,190 | 189,191,191 | 195,188,188 | 198,194,188 | 198,199,186 | 178,193,216 | 183,186,208 | 177,181,184 | 183,183,180 |
1.3 金相檢驗
按照ISO 15614-1：2017 《金屬材料焊接工藝規(guī)范和鑒定 焊接工藝試驗 第1部分：鋼的電弧焊和氣焊與鎳及鎳合金的電弧焊》的要求,分別對斷裂試樣和未斷裂試樣進(jìn)行腐蝕,腐蝕后試樣的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：腐蝕后斷裂試樣和未斷裂試樣熱影響區(qū)和焊縫處均未見氣孔、夾雜物和裂紋等缺陷。
圖 3 腐蝕后斷裂試樣和未斷裂試樣的宏觀形貌
在斷裂試樣和未斷裂試樣母材和焊縫周圍切取試樣,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷裂試樣和未斷裂試樣母材的組織都是鐵素體+珠光體,但是斷裂試樣熱影響區(qū)附近存在大量的馬氏體,馬氏體是奧氏體通過無擴(kuò)散型相變轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)定相,馬氏體會使材料產(chǎn)生淬火應(yīng)力,從而導(dǎo)致材料發(fā)生變形開裂。
圖 4 斷裂試樣和未斷裂試樣的顯微組織形貌
1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
斷裂試樣斷口處的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：試樣斷口處可見解理斷裂特征形貌,斷口附近可見夾雜物,斷口處可見明顯的河流狀紋路,呈脆性斷裂特征[2]。
圖 5 斷裂試樣斷口處SEM形貌
利用能譜儀對斷口處的非金屬夾雜物進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：非金屬夾雜物的主要成分為氧化物。
圖 6 斷口處非金屬夾雜物的能譜分析結(jié)果
2. 綜合分析
根據(jù)上述理化檢驗結(jié)果可知：彎曲試樣的斷裂原因是焊接保溫工藝參數(shù)控制不當(dāng),造成材料中出現(xiàn)大量馬氏體以及非金屬夾雜物。由于在焊接時伴隨著高熱量的輸入,因此在焊接完成后,一定要注意溫度的控制和保溫處理,溫度控制不當(dāng)會使材料熱影響區(qū)附近產(chǎn)生馬氏體,導(dǎo)致熱影響區(qū)的硬度升高,韌性下降。非金屬夾雜物會降低鋼的塑性、韌性及疲勞極限。非金屬夾雜物會使鋼材形成熱加工纖維組織與帶狀組織,使材料具有各向異性,并降低材料的沖擊韌性[3]。夾雜物與金屬的彈性、塑性、熱膨脹系數(shù)等均存在差異,不同形態(tài)的夾雜物混雜在金屬內(nèi)部,破壞了金屬的連續(xù)性和完整性,影響了加工零件的表面質(zhì)量,縮短了加工工具的使用壽命。
彎曲試樣斷口處存在大量的非金屬夾雜物,在進(jìn)行母材檢驗的時候,未出現(xiàn)類似情況,因此推斷非金屬夾雜物是在焊接時外來引入的。通過與工廠技術(shù)人員進(jìn)行確認(rèn),發(fā)現(xiàn)使用的焊劑顆粒度較大,但由于執(zhí)行了小顆粒度焊劑的焊接工藝,因此部分焊劑沒有完全熔化,在焊縫及熱影響區(qū)周圍區(qū)域產(chǎn)生了大量非金屬夾雜物。
3. 結(jié)論與建議
鋼材的焊接工藝控制不當(dāng),斷口周圍存在大量的氧化物夾雜,以及焊縫及熱影響區(qū)存在硬脆性馬氏體,破壞了金屬基體的連續(xù)性,這些因素最終導(dǎo)致彎曲試樣發(fā)生脆性斷裂。
建議在鋼管焊接后增加保溫、控溫等措施,更換顆粒度細(xì)小的焊劑,以便焊劑能在焊接時均勻熔化,避免材料中出現(xiàn)非金屬夾雜物。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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