Q235B通信钢管塔断裂失效

Q235B通信钢管塔断裂失效分析与解决方法范文静孙维连﹡王会强孙铂（河北农业大学机电工程学院,保定,071001）摘要：Q235B碳素结构钢制造通信塔在矫直过程中出现焊接处断裂。采用扫描电镜、光学显微镜、以及力学性能测试等方法，对断裂构件进行了分析，并对化学成分和力学性能进行检测。结果表明，材料原始组织铁素体和珠光体呈带状分布，导致材料出现各向异性。在矫直过程中，应力在焊接处造成集中，超过了材料的抗弯极限，导致其发生脆性开裂。经试验，构件焊接后，采用退火工艺可消除此类故障。关键词：Q235B；通信钢管塔；脆性开裂；失效分析FailureAnalysisandresolvedMethodsofQ235BCommunicationTowerofsteeltubeFanWenJing,SunWeiLian,WangHuiQiang,SunBoElectricalandMechanicalEngineeringCollegeAgriculturalUniversityofHebei,P.R.China,071001Abstract:Q235BconstructionalcarbonsteelCommunicationTowerofsteeltubeiscrackedinweldduringstraightening.UsingofScanningElectronMicroscopy(SEM)，Metallographicalexamination,andMechanicalpropertiesmeasurement,thecrackingwasanalyzed.Besides,thechemicalcompositionandmechanicalpropertiesweretesting.Theresultsshowthatintheprimordialstructuretherearebandedferriteandpearlite,whichbroughtaboutanisotropy.Inthestraightenprocess,Thebandedstructurecausedthestressconcentrationinweld.Theresultantstressexceededtheultimatebendingstrengthofthematerial,andthencausedthebrittlecracking.Whenthecomponenthasbeenjointed,Viatheexamination,introducetheannealtechnicscouldavoidthisfailure.Keywords:Q235B;CommunicationTowerofsteeltube;Brittlecracking;failureanalysis通信塔由数根圆筒形构件连结而成，圆筒周身布有翅片，与杆身焊接一体，以供通信天线安装。外形如图1所示。塔材料为Q235B焊接钢管。翅片和法兰焊在钢管上，部分钢管由于焊接应力产生弯曲，需通过矫直才能使用。具体方法是：并排两根钢管，其两端用钢丝绳固定，中心处用千斤顶外推，出现钢管在翅片与钢管焊接处发生断裂事故，为了查明断裂失效的原因，运用失效分析基本方法［1］，借助金相显微镜和扫描电镜对断口显微组织和断口形貌进行分析。1理化检验与分析1.1化学成分检验为了了解零件的化学成分，采用化学分析法对失效钢管材质进行分析，结果见表1。从材料成分看，该材料成分符合GB/T1299-2000中对Q235B碳素结构钢的要求。表1Q235B碳素结构钢化学成分（wt﹪）Table1ElementalcompositionofQ235Bconstructionalcarbonsteel(wt﹪)项目CSiMnSP样品实测值0.170.230.460.0140.020GB/T1299-20000.12～0.20≤0.300.30～0.70≤0.045≤0.0451.2焊缝区检验对缺陷钢管焊缝处检验，参照直缝电焊钢管标准GB/T13793-92，焊缝尺寸满足标准要求。1.3宏观检验（断口分析）断口宏观形貌如图2所示，可见断口上呈亮灰色、断面平齐且具有强烈的金属光泽和明显的结晶颗粒［2］，断口周边无明显的剪切唇，用扫描电镜观察，见图3、4，其微观形态具有解理或准解理特征的河流花样,具备明显的脆性断裂特征。图1管材外形图2断口宏观形貌Fig.1theshapeofsteeltubeFig.2MacroscopicofFracturesurface图3断口形貌电镜照片图4断口形貌电镜照片Fig.3FractureSEMFig.4FractureSEM1.4力学性能试验与分析对失效钢管断口附近取样，制备试件后，进行力学性能试验，测得结果与标准对比结果见表2。表2力学性能实测值与标准值对比Table2Mechanicalpropertiescontrastofmeasurementanddemandvalue项目σb（MPa）σs（MPa）δ5（﹪）实测值48624223标准值375～500≥235≥26由比较可得，钢管的强度和塑性指标基本符合要求。1.5金相检验根据金相试样取样与制样要求在断口处取样［3］，经磨光，抛光、腐蚀后，用光学显微镜观察到的组织，见图5，按照GB/T10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定评定非金属夹杂物等级为D类2级［4、5。6］,试样显微组织为：铁素体+珠光体，断口处横截面金相组织见图6，纵截面铁素体和珠光体呈带状分布，见图7，按GB/T13299-91评定为B系列4级。图5Q235B钢管夹杂物形态100×图6横截面金相组织形态100×Fig.5InclusioninQ235BsteelFig.6structureincrosssection图7纵截面金相组织形态100×Fig.7BandedStructureinlongitudinalsection2分析与讨论分析结果表明，原始组织虽有非金属夹杂物存在，不至于导致钢管脆性断裂，原始组织呈带状分布，对管材韧性影响显著，是造成矫直过程中断裂主要原因。为了验证这一结论，对断裂处的纵向取样制作冲击试样。冲击后的结果见表3，与Q235B钢材国家标准比较，其冲击韧性出现较大差异。表3断裂试件与Q235B标准冲击功数值对比Table3Fracturewithnationstandardimpactvaluecontrast冲击试样123断裂试件3.0J6.0J15.0J标准27.0J27.0J27.0J3钢管带状组织缺陷的解决方案消除带状组织一般采用正火处理，正火温度根据工件材质和尺寸确定为930～950℃［7］。图8为正火后的显微组织，可以看到，显微组织出现很多针状铁素体，这是由于冷却时，先共析铁素体沿一定的晶面或惯习面呈针状析出，形成魏氏组织。通常使材料的冲击韧度下降，影响材料的力学性能，见表4。为了彻底消除带状组织的影响，选择高温扩散性退火处理。为得到一个更适合的加热温度和保温时间，采用单因素单峰指标函数的一种优选方法--黄金分割法，假定因素范围为某一区间[a,b]，c为[a,b]上利用式（1-1）求得的安排试验的黄金分割点，运用此法，将时间（1～4h）和温度（900～950℃）进行细分，温度分别确定为900℃、916℃、926℃、941℃、950℃；每个温度下对应的保温时间分别确定为1h、2.14h、2.85h、3.55h、4h，ac/ab=cb/ac(1-1)经实验操作，最终选定加热温度为941℃，保温时间为4小时。炉冷到350℃左右出炉空冷，制备试样后，显微组织见图9，可以看到均为等轴晶粒，带状组织消失。将断裂试样和正火及退火后试样制成V型缺口，尺寸：10×10×55mm，做常温冲击试验，冲击结果见表4。表4断裂试件与正火、退火后试件冲击功数值对比Table4Fracturewithnormalization、annealingspecimensimpactvaluecontrast冲击试样123断裂试件3.0J6.0J15.0J正火后试件10.0J12.4J20.0J退火后试件23.0J24.4J21.0J综上，两组的冲击韧性具有明显差距。因此，确定加热941℃并保温4小时随炉冷却的退火处理方法最佳。图8正火后的魏氏组织100×图9退火后的显微组织100×Fig.8WidmanstattenStructureFig.9Microstructureafterannealingafternormalization4结论（1）Q235B碳素结构钢制造通信塔在矫直过程中，由于应力在焊接处造成集中，超过了材料的抗弯极限，导致其焊接处发生脆性开裂。借助金相显微镜和扫描电镜观察断口显微组织形貌，断口呈亮灰色、断面平齐且具有强烈的金属光泽和明显的结晶颗粒，呈明显的脆性断裂特征。断口纵截面原始组织呈严重带状分布，对管材韧性影响显著，造成矫直过程中断裂。（2）建议将构件加热到930～950℃，保温4～5小时后，随炉缓冷，可消除带状组织，提高构件的韧性和塑性后，可对构件变形，进行矫直处理。参考文献：[1]孙维连，等.机械产品失效分析思路及失效案例分析[J].材料热处理学报，2004，25（1）：69-73.[2]屠海令干勇金属材料理化测试全书[M].北京；化学工业出版社，2006，13～20.[3]韩德伟张建新.金相试样制备与显示技术[M].长沙；中南大学出版社，2005.[4]李炯辉林德成.金属材料金相图谱[M].北京；机械工业出版社，2006.317～320.[5]李炯辉等钢铁材料金相图谱[M].上海；上海科学技术出版社，1981.357.[6]胡世炎.破裂故障金相分析[M].四川；四川科学技术出版社.[7]孙维连魏凤兰.工程材料[M].北京；中国农业大学出版社，2006.1，104～107.[8]樊东黎热加工工艺规范.北京；机械工业出版社，2003.[9]石玉斌《Q235A钢冷弯断裂分析》.《鞍钢技术》1999年第8期.[10]王会强，等.《Cr12钳舌模具钢断裂失效分析》.《2007年全国失效分析学术会议》长沙.《金属热处理》编辑部.2007.250-251.[11]StevensonME,McdougallJL,BowmanRD,etal.Failureanalysisofahigh-speedpinionshaft[J].JournalofFailureAnalysisandPrevention,2005,5(2):48-54.[12]RandallRB.Detectionanddiagnosisofincipientbearingfailureinhelicoptergearboxes[J].EngineeringFailureAnalysis,2004,11(2):177-190.[13]XuanHJ,SongJ.Failureanalysisandoptimizationdesignofacentrifugerotor[J].EngineeringFailureAnalysis,2007,14(1):101-109.作者简介：范文静（1983-），女，河北石家庄市人，河北农业大学在读研究生。主要研究方向：材料工程，﹡为责任作者。联系电话：[phone]E-mail:[e-mail]