容器罐托板裂纹分析_杨国兰.pdf

2023年 第4期 热加工70热 处 理Heat Treatment容器罐托板裂纹分析杨国兰，汤浩，熊勇，赵香丽，刘依依中国航发贵州黎阳航空动力有限公司 贵州贵阳 550014摘要：采用宏观检测、断口形貌及成分分析、金相组织及维氏硬度测定等方法，对某容器罐托板在焊缝附近出现的裂纹进行检测。结果表明：托板裂纹为疲劳裂纹，形成原因主要与运输过程中的振动应力相对较大有关，同时，焊接残余应力和应力集中也对其有重要的促进作用。关键词：Q235B钢；焊缝；疲劳裂纹；成分分析；维氏硬度1 序言作为最常见的碳素钢之一，Q235B是一种碳含量低，以及韧性、铸造性能较好的碳素结构钢，易于冲压和焊接，加上成本低，能够满足大多数对性能指标要求不高的部件，因此在机械零件制造、建筑、桥梁及隧道等领域均得到了广泛应用，主要用于其中承力构件部分1-5。某批Q235B钢制容器罐共生产了9件，其中运往同一地方的两件容器罐在开箱检查时，均在托板焊缝附近发现裂纹缺陷，而运往其他地方的其余7件均未发现故障情况，裂纹零件未经使用。为确定裂纹的性质和产生原因，对存在裂纹的容器罐托板进行了分析，并初步提出了预防措施6，7。2 试验和调研2.1 宏观观察零件外观如图1所示，每个托板与钢架之间通过a、b两条焊缝连接，托板上的两条裂纹均贯穿托板壁厚。其中，裂纹1位于焊缝a根部托板一侧，与焊缝a 平行；裂纹2与裂纹1平行，位于焊缝b收弧位置附近。在两条裂纹位置取样获取断口，经宏观观察可见：裂纹1断口的源区位于外表面焊缝根部的热影响区，呈长线源特征，断口上可见大量收敛于外表面的放射棱线，如图2所示；裂纹2断口的源区位于外表面焊缝b的收弧位置，源区为短线源特征，源区可见放射棱线收敛特征；扩展区末尾可见疲劳弧线，a）零件外观b）裂纹位置图1零件外观及托板上的裂纹位置人为瞬断区呈金属灰色，如图3所示。对托板进行壁厚测量，其厚度约为4.0mm。2.2 扫描电镜观察在扫描电镜下观察，裂纹1和裂纹2断口的源区均可见放射棱线收敛特征，扩展区较为平坦，源区、扩展区均氧化严重。裂纹1断口的原始断口特征不明显，在局部氧化物脱落位置可见细密疲劳条带特征，未见明显的瞬断区，如图4图6所示。裂纹2断口的扩展区局部可见原始断口形貌，原始断口为准解理特征，可见细密的疲劳条带特征；2023年 第4期 热加工71热 处 理Heat Treatment在扩展区末尾可见疲劳弧线和细密疲劳条带特征；人为断口区为变形韧窝，如图7、图8所示。2.3 化学成分分析分别对零件断口的源区、扩展区以及裂纹2断口的人为断口区进行能谱化学成分分析，结果表明，源区和扩展区均存在大量的O元素，人为断口区成分为100%的Fe元素，分析结果见表1。重新取样进行化学成分分析，其化学成分符合a）裂纹源区 a）31 a）100a）27 a）裂纹源区b）外观形貌图2裂纹1断口形貌b）800图4裂纹1断口源区特征b）4590图5裂纹1断口扩展区特征b）100图6裂纹2断口源区特征b）外观形貌图3裂纹2断口形貌2023年 第4期 热加工72热 处 理Heat TreatmentQ235B钢技术要求。2.4 金相检测在焊缝a和焊缝b位置取样进行金相检测。1）腐蚀前观察：焊缝a位置钢架和托板之间存在明显的间隙，其最大间隙约为1.1mm；焊缝b位置钢架和托板之间的间隙不明显，最大间隙约为0.1mm，如图9所示。除间隙外，未见焊接气孔、疏松和夹杂等缺陷。同时，按GB/T 105612005钢中非金属夹杂a）31 a）800物评级对托板基体进行纯洁度检测，其非金属夹杂物含量结果为：A类夹杂物0级，B类夹杂物0级，C类（塑性）夹杂物细系1.0级，D类（脆性）夹杂物细系0.5级。2）腐蚀后观察：焊缝位置和焊接热影响区晶粒尺寸相对粗大，各个位置的组织均为铁素体珠光体组织，且为正常的退火或正火组织，如图10所示。b）800图7裂纹2断口扩展区特征b）3000图8裂纹2人为断口区变形韧窝特征a）焊缝ab）焊缝b图9焊缝截面形貌表1能谱化学成分分析结果（质量分数）（%）位置OSiCaFe裂纹1源区31.860.330.5867.23裂纹1扩展区28.580.180.2670.98裂纹1扩展末期23.580.1576.27裂纹2源区5.130.3594.52裂纹2扩展区17.970.380.5281.13裂纹2扩展末期1.980.1597.87裂纹2人为断口区100a）焊缝 b）基体图10焊缝和基体组织形貌2.5 维氏硬度检测为验证基体的抗拉强度是否合格，在正常基体位置进行了维氏硬度检测：试验载荷为5kgf（49N），载荷保持时间为10s，取5点硬度平均值2023年 第4期 热加工73热 处 理Heat Treatment作为基体的硬度，检测结果见表2。由表2可知，正常基体位置的平均硬度为127HV5。表2维氏硬度检测结果 （HV5）位置第1点第2点第3点第4点第5点平均值基体1331291151351241273 分析与讨论3.1 托板裂纹性质分析宏观观察结果为：裂纹1断口源区位于外表面焊缝根部的热影响区，呈长线源特征；裂纹2断口源区位于外表面焊缝b收弧位置，源区为短线源特征，在该断口的扩展区末尾可见疲劳弧线特征，人为瞬断区呈金属灰色。电镜观察的结果表明：裂纹1断口和裂纹2断口上均可见细密疲劳条带特征。以上检测结果表明，托板上的两条裂纹性质均为疲劳裂纹。疲劳裂纹的起始应力相对较大，扩展应力相对较小。3.2 裂纹产生的原因分析1）对裂纹2断口人为断口区的能谱成分及化学成分进行分析，结果表明，托板材料为Q235B钢，材料成分无误。Q235B为低碳钢，由于其抗氧化性相对较差，裂纹产生后若存在潮湿环境，则很容易出现氧化生锈，因此裂纹1、裂纹2断口源区和扩展区的能谱化学成分分析结果“两处均存在明显的氧化现象，且氧元素含量较高”，也恰恰验证了这一点。同时，对托板基体进行纯洁度和显微组织检测，表明托板材料的纯洁度较好，其组织为正常退火或正火组织。因此，以上结果表明，托板为纯洁度较好、组织与成分正常的Q235B钢。2）根据托板的维氏硬度检测结果“127HV5”，按GB/T 11721999黑色金属硬度及强度换算值换算后，其抗拉强度约为439MPa，满足GB/T 7002006碳素结构钢中对Q235B钢抗拉强度的要求（370500MPa）。因此，该托板的抗拉强度也符合要求。3）实测托板断口厚度约为4mm，与工艺设计要求的托板厚度4mm一致，符合设计要求。4）故障件裂纹的源区位于焊缝根部热影响区，该位置存在应力集中和焊接残余应力，在没有外力的情况下，不会产生循环应力，其产生的裂纹应为过载裂纹，不会产生疲劳裂纹8。3.3 结论对故障件的调研情况表明，该零件未经使用，且运往同一地方的两件均出现裂纹，运往其他地方的则未出现此问题，因此推断，疲劳裂纹产生的主要原因与运输过程中的振动应力相对较大有关，同时焊接残余应力和应力集中对疲劳裂纹的产生有重要的促进作用。4 建议由于焊接后的残余应力与应力集中不易解决，因此为避免后续出现类似情况，建议运输司机在运输过程中小心谨慎，车速不宜过快，以免因道路不平造成零件大的颠簸而产生较大的振动应力，导致容器罐托板从焊缝热影响区产生裂纹，造成零件失效。同时，建议加强运输时零件的减振措施，以进一步减轻运输过程中产生的振动应力，进而避免托板裂纹的产生。参考文献：1 邓再兴Q235B棒材的加工质量问题及控制措施J 天津冶金，2019（zl）：21-24.2 龙琼，余精喜，李保军，等Ce合金化及喷丸对Q235钢组织和力学性能的影响J上海金属，2020，42（4）：26-34.3 李国建，彭超针对Q235B焊接钢管开裂原因的研究J山西冶金，2020，43（6）：1-3.4 王慧，赵琼，张浩Q235B螺旋焊管焊缝气孔缺陷浅析J甘肃冶金，2021，43（5）：82-84.5 孙少娟，马秋彦，张鹏，等.试析普通碳素结构钢金相试样的制备方法J.冶金与材料，2021，41（1）：137-138.6 李凤丽，李玉岗，谷召坤，等Q235B焊管横裂缺陷分析J天津冶金，2019（2）：27-28.7 董延青，靳建锋，葛昕，等NM450耐磨钢焊接裂纹产生原因探析J宽厚板，2021，27（3）：16-20.8 王春雨，吴雪猛，赵静，等某型航空发动机燃油导管开裂失效分析J航空维修与工程，2021（6）：63-65.20230130