分析钢管压扁试验开裂的原因

针对带钢制成的钢管在压扁试验中出现断裂的现象， 采用 XL30 扫描电镜、 金相显微镜等， 对断裂试样进行夹杂物、 晶粒度、 组织、 断口等检验和氧含量分析。 结果表明， 钢中夹杂物多、 氧含量高是导致压扁断裂的主要原因。

1、概述

材质为 Q235B 的钢管在压扁试验中出现非焊接区域断裂。 针对此现象采用多种方法进行分析和研究 ，找出导致钢管断裂的主要原因。

2、试验方法与结果

2. 1 试验方法

借助金相显微镜、 扫描电镜、 光谱等方法， 对制成钢管进行非金属夹杂物、 晶粒度、 显微组织、 断口 、化学成分及气体含量分析。

2. 2 夹杂物、 晶粒度和组织检验

通过对钢管的夹杂物、 晶粒度和显微组织检验发现夹杂物主要分为三类： 线状复合硅酸盐、 串链状的氧化铝及硫化物， 其具体结果见表 1。 其中硅酸盐夹杂物级别较高在 4. 5e-5e 之间， 晶粒度以 9. 0-9. 5 为主、 基体组织是铁素体和珠光体， 没有发现魏氏组织， 带状组织多在 2. 5-3. 0 级之间。

带状组织进一步放大后发现有许多细小弥散地分布在铁素体基体上的点状夹杂物(见图 1)， 对其进行能谱微区成分分析为硫化物。 对试样中含量较多的脆性夹杂(见图 2) 进行能谱分析， 其成分质量分数见表 2。

图 1 带状组织内夹杂物

图 2 脆性夹杂物

2. 3 断口分析

借助扫描电镜进行断口分析。 断口形态见图 5， 整个试面的断裂形态呈木纹状。 通过进一步观察， 把断面大致分为 A、 B、 C 三个区， 其中 A 区为压裂的断裂源， B 区为压裂延伸区 、C 区为最后断裂的剪切唇。A、 B、 C 三个区分别进一步放大可观察到： A 区， 可看到由大量密集夹杂物引起的轧制裂纹， 裂纹变形呈波纹状， 看不出断裂形态， 这些夹杂物棱角分明， 主要来自包衬等耐火材料见图 4a， 可见 A 区堆积的大量夹杂物是引起轧制裂纹并成为焊管压裂的断裂源; B 区是密集夹杂物引起的光滑断面和细小的剪切韧窝见图 4b; C 区是最后断裂部位见图 4c。

2. 4 化学成分和气体含量

对试样进行化学成分和气体含量分析。 通过化学成分分析可知， 钢管的化学成分在标准规定的范围内， 成分合格。 气体含量分析表明， 钢管的平均氧含量为 141. 26×10-6 ， 氧含量较高。

2. 5 力学性能

在钢管上截取试样做拉伸试验， 试验数据如下： 屈服强度 365MPa， 抗拉强度 455MPa，伸长率 30%， 在国标要求范围内。 由于试样有限没有做冷弯试验。

3、结果分析

钢管压扁断裂试样的晶粒度、 组织正常， 说明带钢轧制工艺正常。 由表 1 可知带钢中夹杂物级别较高主要是复合硅酸盐夹杂。从断口分析可知， 位于钢材皮下堆积的大量夹杂， 在轧制过程中形成的轧制裂纹是引起压扁开裂的主要因素。通过分析， 这些皮下夹杂主要是炼钢浇注系统的耐火材料受钢水冲刷 、浸蚀等进入钢液形成的大颗粒夹杂。

4、工艺改进措施

(1) 改进脱氧方式由 Si-Ca-Ba 脱氧改为钢芯铝加 Si-Ca-Ba 的脱氧脱氧方式， 加大脱氧力度减少夹杂物含量。 提高一次拉碳命中率， 减少后吹， 避免钢水二次氧化。

(2) 提高吹氩时间， 保证每炉吹氩不小于 8min， 以促进夹杂物上浮。

(3) 采用高质量的耐火材料， 避免因钢水冲刷、 侵蚀使夹杂物数量增加。

5、结论

导致钢管压扁试验中断裂的主要原因是：

(1) 炼钢包衬等耐火材料进入钢液形成的夹杂物在钢材皮下大量堆积， 在轧制过程中产生的轧制裂纹成为裂纹源， 在外力作用下首先开裂。

(2) 气体分析可知氧含量比较高， 进一步说明引起断裂的带钢中夹杂物含量较多。采取深脱氧技术， 优化连铸工艺， 从而控制钢中氧含量， 降低钢中夹杂物含量， 避免皮下夹杂的出现， 使带钢的塑韧性有很大改善。