Q345D钢板冷弯成型开裂的原因

曾庆林, 王嘉畅, 贾璐菲, 钱 锟, 韩 波

(上海宝冶工程技术有限公司, 上海 200941)

某批次厚板在冷弯压制圆弧成型过程中产生一例开裂，造成材料报废。钢板牌号为Q345D-Z25，正火状态，厚度为60 mm，宽度为400 mm。为找出Q345D钢板开裂的原因，排除安全隐患，笔者通过理化检验，分析了Q345D钢板开裂的原因，以避免该类事故的再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂Q345D钢板长度约为840 mm，弯曲开裂后钢板与水平方向之间的夹角约为30°，见图1。由图1可见，钢板表面有明显压痕，这是钢板表面与弯芯接触挤压造成的，且压痕正下方可见一条垂直于轧制方向并贯穿板宽的裂纹。由图2可见，裂纹两侧存在凹槽，裂纹基本位于凹槽最低点处，进一步观察发现，凹槽沿板厚方向延伸，长度约为40 mm(与裂纹长度基本相同)，与钢板A侧相比，钢板B侧凹槽较窄，板厚方向裂纹长约为45 mm。

图3为Q345D钢板沿裂口压断后的断面形貌。由图3可见，断面整体较为齐平，可见清晰放射状条纹，根据不同的形貌及特征，可将断面大致分为以下3个部分。

图3 开裂Q345D钢板断口的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of cracked Q345D steel plate

(1) 裂纹源：结合放射区特征，可见放射线向板A侧表面汇聚，可知裂纹源位于Q345D钢板A侧近表面处，从凹槽底部开裂；凹槽表面较粗糙，呈条纹状，且断口附近表面发生块状剥落，形成缺口，说明该区域近表面较脆。

(2) 扩展区(剪切唇、放射线纹路、扩展台阶)：扩展区面积较大，为断口面积的80%，且整体较为粗糙，可见明显放射状条纹;扩展区近表面处可见剪切唇特征，钢板近中心处可见明显扩展台阶。

(3) 人为撕裂区：该区域为断口面积的20%，为人为压断区域，可见轻微塑性变形。

综上分析可见，Q345D钢板冷弯挤压处外表面存在贯穿性裂纹(板宽方向)，断口呈脆性断裂特征，裂纹起源于钢板侧面，起裂处存在凹槽，裂纹的产生可能与凹槽有关。

1.2 化学成分分析

从开裂Q345D钢板上取样，根据GB/T 4336-2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法》进行化学成分分析，检测结果见表1。由表1可知，断裂钢板的化学成分符合GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》及质保书中对Q345D-Z25钢的技术要求。

表1 开裂Q345D钢板的化学成分Tab.1 Chemical compositions of cracked Q345D steel plate %

1.3 力学性能试验

分别从开裂Q345D钢板上取拉伸试样、冲击试样、弯曲试样和Z向拉伸试样，根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验标准》、GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》、GB/T 232-2010《金属材料 弯曲试验方法》及GB/T 5313-2010《厚度方向性能钢板》进行力学性能试验，结果见表2～表5。由表2～表5可知，开裂Q345D钢板的力学性能均符合相关标准中对Q345D-Z25钢的技术要求。

表2 拉伸试验结果Tab.2 Tensile test results

表3 冲击试验结果Tab.3 Impact test results

表4 弯曲试验结果Tab.4 Bending test results

表5 Z向拉伸伸长率试验结果Tab.5 Z direction tensile percentage elongation test results

1.4 断口分析

将断口试样清洗后，置于扫描电镜下观察。由图4a)～b)可知，裂纹起始于A侧板厚方向凹槽底部，凹槽底部可见多条平行于断面的裂纹，进一步放大观察发现裂纹源附近呈韧窝形貌。由图4c)～d)可知，扩展区近裂纹源处可见明显放射状条纹，进一步放大观察发现，扩展区呈解理特征，远离凹槽处钢板表面剪切唇处可见韧窝形貌，断口中部扩展台阶处可见韧窝形貌，台阶两侧均呈解理特征。由图4e)可知，人为撕裂区可见韧窝形貌。

图4 开裂Q345D钢板断口不同区域的微观形貌Fig.4 Micro morphology of different areas of fracture of cracked Q345D steel plate:a) crack groove bottom, low magnification; b) crack groove bottom, high magnification; c) extended area, low magnification;d) extended area, high magnification; e) artificial tear zone

1.5 金相检验

1.5.1 夹杂物检验

从开裂Q345D钢板裂纹源处截取纵截面试样，按GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》进行制样，随后在光学显微镜下观察。根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》中的实际检验A法和ISO 4967-1998《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图谱显微检验法》中的ISO评级图进行评定，开裂Q345D钢板非金属夹杂物的评级结果见表6。由表6可知，Q345D钢板的纯净度较好。

表6 开裂Q345D钢板非金属夹杂物的评级结果Tab.6 Non-metallic inclusion rating results of cracked Q345D steel plate

1.5.2 显微组织观察

图5为开裂Q345D钢板不同位置处抛光态和腐蚀态的显微组织形貌，采用4%(质量分数)硝酸酒精溶液进行腐蚀。由图5可知：Q345D钢板近心部的显微组织为铁素体+珠光体，裂纹源及表面的组织为马氏体+少量铁素体；裂纹起始于凹槽底部，经测量，凹槽深度约为1.2 mm，且断口下方已有多处缺口，可见裂纹向钢板内部扩展；钢板表面为切割后形成的硬化层，缺口处硬化层已脱落，此外裂纹源未见明显非金属夹杂物聚集的情况；硬化层处显微组织是马氏体+铁素体，该类组织为钢材在高温下以大于临界冷却速率的速率冷却后得到的，组织较硬且脆，在应力集中条件下极易产生裂纹。

图5 开裂Q345D钢板不同位置处抛光态和腐蚀态的显微组织Fig.5 Polished and corroded microstructure of cracked Q345D steel plate at different positions:a) core, polished state; b) crakc source, polished state; c) crack source, corroded state; d) groove bottom, polished state;e) groove bottom, corroded state; f) groove, corroded state

图6 开裂Q345D钢板热酸蚀后的宏观形貌Fig.6 Macro morphology of cracked Q345D steel plate after hot acid etching

1.6 硬度检验

分别对开裂Q345D钢板裂纹源处、裂纹源附近及钢板心部进行维氏硬度试验，结果见表7。由表7可知，钢板裂纹源处表面硬度约为481 HV1，钢板内部硬度约为181 HV1，表明裂纹源表面组织存在异常，与钢板心部组织有较为显著的差别，这与显微组织观察结果一致。

1.7 热酸蚀试验

在开裂Q345D钢板上截取横向试样，经磨光后，根据GB/T 226-2015，使用体积比为1…1工业盐酸与水的混合溶液进行热酸蚀试验，钢板热酸蚀后的宏观形貌如图6所示。与GB/T 1979-2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》标准中的评级图对比，钢板宏观缺陷检测结果为中心疏松1.0级，一般疏松0.5级。

表7 硬度测试结果Tab.7 Hardness test results

2 分析与讨论

开裂Q345D钢板理化检验结果表明：其化学成分、拉伸性能、冲击性能、Z向拉伸性能均符合GB/T 1591-2008标准及质保书中对Q345D-Z25钢的技术要求，非金属夹杂物和基体组织也未见异常。

通过宏观观察发现，钢板开裂起源于侧边凹槽处，裂纹源及其附近表面的显微组织为马氏体+少量铁素体。断裂钢板为牌号为Q345D-Z25的正火态钢板，正常显微组织应为铁素体+珠光体。钢板心部硬度约为181 HV1，裂纹源处表面硬度为481 HV1，硬度相差较大，表明凹槽处的显微组织异常。低碳钢(碳质量分数小于等于0.25%)的马氏体主要为板条状，是通过将钢加热到奥氏体状态后，以大于临界冷却速度的冷速冷却到相变点以下温度得到的。马氏体具有高强度、高硬度、塑性较差等特点。

冷弯成型时，钢板外凸面首先发生开裂，外凸面尤其是弯芯正对面受拉应力，且应力较大，若存在凹槽，必定会在该处产生明显的应力集中，使得钢板凸面应力分布不均，局部应力过大，超过材料的屈服强度，最终在应力集中最为明显的凹槽底部发生开裂[1-2]。

3 结论

(1) 开裂Q345D钢板切割时在其A侧面形成凹槽，凹槽处为马氏体组织，塑性较差，在弯曲过程中该处产生应力集中，这是Q345D钢板冷弯成型开裂的根本原因。

(2) 建议轧钢厂注意现场切割工具的工作状态，同时增强产品出厂的外观检查力度，防止钢材表面出现此类缺陷。