孫 乾，程欣麗，徐瑞亮，何 康，殷 磊，張曉東

（1 萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司，山東 濟南 271104；2 萊鋼集團藍天商旅車業(yè)有限公司，山東 濟南 271104；3 山東魯碧建材有限公司，山東 濟南 271104）

1 前言

低合金熱軋鋼帶產品具有強度高、韌性好、易加工、焊接性好等優(yōu)異性能，被廣泛應用于建筑、橋梁、船舶等行業(yè)［1］，其中，低合金熱軋鋼帶制結構圓管因較好的力學性能和經(jīng)濟性，用于制作塔吊基管［2］。塔吊基管與支撐機架在上下傳動過程中，摩擦過熱，易出現(xiàn)疲勞點蝕；同時面臨風雨、高溫、嚴寒等復雜天氣，表面腐蝕及風力發(fā)生疲勞斷裂，潛在危險尤為突出［3］。針對某建筑單位工程施工過程中疲勞斷裂的低合金鋼帶制塔基管為研究對象，采用金相顯微鏡、場發(fā)射掃描電鏡、EDS 能譜儀等檢驗工具，對試樣缺陷處組織、形貌、成分、析出物等進行觀察分析，詳細分析可能導致疲勞斷裂出現(xiàn)的原因及影響因素，為生產工藝優(yōu)化及施工防護，提供參考依據(jù)。

2 試驗材料及方法

試驗用鋼管為某建筑單位工程施工過程中疲勞斷裂的低合金鋼帶制塔基管，鋼管已服役2 年，設備檢修時由現(xiàn)場施工人員發(fā)現(xiàn)斷裂。采用天龍數(shù)控DK7780 線切割機床對失效鋼管進行切割取樣，試樣經(jīng)磨樣、拋光、洗滌風干后，采用德國斯派克SPECTROLAB 直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析；切割修磨拋光制金相試樣，用4%濃度硝酸酒精侵蝕液侵蝕后，利用OLYMPUS BX53M光學顯微鏡進行金相觀察，原奧氏體晶粒平均尺寸采截線法，利用Image pro軟件測定；采用OLYMPUSBX53M掃描電子顯微鏡觀察失效鋼管疲勞斷口形貌，通過掃描電鏡中EDS 探頭對失效管微區(qū)析出物及雜質進行化學成分分析。

3 結果與討論

3.1 宏觀形貌分析

圓管表面存在明顯銹蝕，斷裂處無明顯宏觀塑性變形，側面防銹黃色油漆已全部磨掉，圓管中間有明顯循環(huán)受載磨損，兩端無明顯磨損，裂紋出現(xiàn)在圓管中部，一側有焊瘤，另一側裂紋明顯，裂紋沿圓管長度方向（鋼帶軋制方向的縱向裂紋）長切深，裂紋側中間成深紫色（或黑色），存在受載過熱及局部不均勻變形，因鋼帶非耐熱鋼，使用過程中的往復摩擦過熱，導致中部摩擦接觸面明顯發(fā)黑；兩端雖無過燒，但有較連續(xù)性坑點，為疲勞點蝕形貌。

垂直于裂紋方向用線切割取樣，發(fā)現(xiàn)縱向裂紋斷口斷面較平坦，無明顯毛刺，有部分銹蝕，裂紋已貫穿鋼帶全厚度，斷口中間有凸臺，凸臺縫隙有明顯橫裂紋，深約厚度的2/3（鋼管厚度為4.5 mm），在往復過載應力作用下，凸臺處極易應力集中產生微裂紋，微裂紋在交變彎曲載荷下成為疲勞裂紋源；圓管內圈最外層存在一圈剪切唇，說明內表面最后斷裂，即該塔基圓管的斷裂過程為從外表面向內表面擴展，且剪切唇區(qū)域約占斷口總面積的10%，表明引起最終斷裂的應力并不大，失效圓管的斷裂模式為往復應力高周期疲勞斷裂。

3.3 SEM 微觀形貌分析

由圖1、表1 可知，譜圖1、2、3 所示為淺色異常組織，主要含F(xiàn)e、O、C、Ca、S、Mn、Si、Al、K、Cl 等元素，主要因為斷裂處及邊界部分被氧化，周圍出現(xiàn)點狀氧化物，氧化物會在晶界產生偏析導致鐵合金晶間斷裂；同時，腐蝕性強的S、Cl元素含量極低，這說明斷裂失效原因與腐蝕關系不大，極可能為疲勞斷裂；含量極低的Si-Ca-Al可能來自煉鋼及精煉環(huán)節(jié)脫氧產物，對斷裂影響不大。譜圖4所示為深色母材基體，主要含F(xiàn)e、O、C、Mn、Si、Ca、Ti等元素，基體組織正常。

表1 裂紋處EDS能譜點的化學成分 %

圖1 斷口處SEM掃描電鏡形貌

3.4 夾雜物與金相組織分析

非金屬夾雜物會割裂鋼基體連續(xù)性，同時夾雜物本身或因其產生的孔洞可等同于微小缺口，當母材承受交變載荷往復作用時，極易導致應力集中和應變集中［4-5］，成為鋼管疲勞斷裂的裂紋源。有研究表明，易變形的塑性夾雜物（如MnS 等A 類夾雜物）由于比母材膨脹系數(shù)大，在基體中產生壓應力影響小，對鋼管的疲勞性能影響較小，而比基體膨脹系數(shù)小的氧化物、硅酸鹽等夾雜物，由于在基體中產生拉應力，對母材疲勞性能影響較大，也是導致管材發(fā)生疲勞斷裂的原因之一［6-7］，故通過顯微鏡對母材進行夾雜物檢驗。由圖2可知，裂紋處及附近基體純凈度極高，未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物。由圖3可知，裂紋處晶粒約10 級裂紋兩端無明顯脫碳及Si、Mn 氧化物析出，可排除鑄坯原始裂紋。裂紋處晶粒細小，為穿晶開裂形貌，裂紋內部晶粒及周邊晶粒存在應力變形，裂紋形態(tài)為應力裂紋，疲勞斷裂形貌。由圖4 可知，對基體金相組織觀察，基體組織晶粒細小，約10級，組織為鐵素體+珠光體，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖2 裂紋處夾雜物100×

圖3 裂紋處金相組織

圖4 鋼管基體金相組織

3.5 拉伸性能檢驗

查詢該鋼管母材鋼帶出廠檢驗質保書，采用線切割從開裂管上取拉伸試樣，并選出與該開裂圓管相同牌號、規(guī)格、彎管工藝制造的正常使用管、焊接后未使用管，分別取樣做拉伸試驗，依照GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》進行力學性能檢驗，結果如表2所示。

表2 拉伸性能檢測結果

由表2可知，出廠鋼帶檢驗成分及性能符合標準要求，制管后拉伸性能受加工硬化、受焊接冷卻方式等因素影響，屈服強度、抗拉強度分別提高約80 MPa 和60 MPa，斷后伸長率降低4%，這是因為母材在室溫下發(fā)生彎管塑性變形，基體內部晶粒沿變形最大方向伸長并轉動，出現(xiàn)位錯纏結，晶格發(fā)生扭曲畸變，同時伴隨晶內和晶間產生碎晶所造成的綜合影響，使晶粒拉長、破碎和纖維化，進一步強化了滑移變形阻力，母材內部積聚了殘余應力，導致母材的強度、硬度提高，塑性、韌性下降［8-9］。

對比彎管焊接后未使用、正常使用及開裂圓管拉伸性能，開裂圓管強度更高，延伸率更低，但增量有限，彎管及焊接工藝對其疲勞斷裂有一定影響，但影響有限。

4 結語

（1）低合金鋼帶制塔基圓管斷裂的原因為疲勞斷裂，裂紋源為圓管中部凸臺縫隙處的橫裂紋，其鋼基體純凈度較高，無明顯影響性能的夾雜物及大顆粒析出物，晶粒細小均勻，金相組織無異常。

（2）鋼管常年服役在戶外，白晝和四季溫差大，雨水、煙氣及高空作業(yè)，服役環(huán)境變化大，導致母材材料的疲勞強度降低，并且高頻次往復作業(yè)，使得鋼管側面防銹油漆磨損脫落，銹層導致的表面缺陷，易形成應力集中的裂紋源，誘導基體發(fā)生斷裂失效。

（3）彎曲焊接后塔基圓管拉伸性能受加工硬化、焊接冷卻方式等因素影響，母材的強度、硬度提高，塑性、韌性下降，力學性能變化極大。優(yōu)化彎管及焊接工藝，盡可能減少加工過程對母材的劃傷等表面缺陷，降低應力集中裂紋源的出現(xiàn)，可有效提高塔基圓管使用壽命。