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Q235B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中C元素含量適中，其強(qiáng)度、塑性、焊接性能較好，廣泛用于制造海洋工程結(jié)構(gòu)的次級(jí)結(jié)構(gòu)件。次級(jí)結(jié)構(gòu)件主要包括扶手、欄桿等，屬于非承載部件，主要關(guān)注次級(jí)結(jié)構(gòu)件的以下幾個(gè)方面：材料質(zhì)量、焊接質(zhì)量、結(jié)構(gòu)外觀等。經(jīng)核查，次級(jí)結(jié)構(gòu)件原材料證書符合標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)外觀符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，經(jīng)過磁粉檢測，焊接部位外觀質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。該次級(jí)結(jié)構(gòu)件經(jīng)過長途運(yùn)輸后，發(fā)現(xiàn)某焊接部位出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)等方法分析了焊接件斷裂的原因，以防止該類問題再次發(fā)生。

1. 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

次級(jí)結(jié)構(gòu)件斷裂位置宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：裂紋源起始于側(cè)面定位焊接處，隨后逐漸向母材方向擴(kuò)展延伸，斷口母材處光滑平整，呈明顯的脆性斷裂特征。斷裂試樣靠近焊縫熱影響區(qū)處有明顯的機(jī)械變形，說明斷口處受到明顯的機(jī)械撞擊；同時(shí)斷口母材處有明顯的貝紋線，貝紋線是疲勞斷裂的顯著特征，說明母材在運(yùn)輸過程中受到周期性的疲勞應(yīng)力。

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，采用直讀光譜儀對(duì)次級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂件進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：次級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂件的Mn元素含量高于GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q235B鋼的要求。Mn元素是弱碳化物形成元素，除少數(shù)溶于滲碳體外，幾乎都溶于鐵素體和奧氏體中，要提高鋼中鐵素體和奧氏體的強(qiáng)度和硬度，通常通過增加Mn元素含量來彌補(bǔ)因碳含量低造成的部分強(qiáng)度損失。

1.3 力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如 表2所示。由表2可知：Q235B鋼次級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂件的抗拉強(qiáng)度高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q235B鋼的要求。

根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，對(duì)次級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂件進(jìn)行沖擊性能測試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：Q235B 鋼次級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂件的沖擊性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)取樣位置及試樣外觀如圖2所示。由圖2可知：試樣頂端存在明顯的機(jī)械變形，說明運(yùn)輸過程中次級(jí)結(jié)構(gòu)件受到?jīng)_擊應(yīng)力作用；斷裂起始處位于機(jī)械變形的末端，說明機(jī)械變形是材料斷裂的一個(gè)重要原因。

將金相試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：Q235B鋼母材的顯微組織為鐵素體+ 珠光體，且珠光體沿軋制方向呈帶狀分布；斷口處帶狀分布珠光體出現(xiàn)明顯疲勞變形，說明母材在斷裂過程中受到沿?cái)嗫诜较虻闹芷谛云趹?yīng)力作用；焊接粗晶區(qū)和焊接熱影響區(qū)存在明顯的界面裂紋，同時(shí)在粗晶區(qū)存在明顯的應(yīng)力裂紋和冷裂紋。焊接時(shí)，在靠近焊縫附近的粗晶區(qū)，溫度為1100℃~Ac3（Ac3為碳鋼加熱時(shí)的相變實(shí)際溫度），該區(qū)域內(nèi)奧氏體晶粒長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，由于冷卻速率快，該區(qū)域容易產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，使粗晶區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力裂紋和冷裂紋，冷裂紋具有延遲擴(kuò)展的性質(zhì)。

2. 綜合分析 

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：Q235B鋼次級(jí)結(jié)構(gòu)斷裂件的沖擊性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，化學(xué)成分中Mn元素含量高于標(biāo)準(zhǔn)要求，Mn元素固溶于鐵素體和奧氏體中，擴(kuò)大了奧氏體區(qū)，細(xì)化了珠光體；Mn元素含量的增加，提高了材料的抗拉強(qiáng)度，造成抗拉強(qiáng)度超過Q235B鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，Mn元素含量的增加，提高了材料的碳當(dāng)量和裂紋敏感系數(shù)，對(duì)材料的焊接性能有不利影響。

Q235B鋼次級(jí)結(jié)構(gòu)件裝配定位焊接時(shí)，由于焊縫長度短，截面積小，冷卻速率快，焊縫容易開裂。采用大線能量焊接可以預(yù)防焊縫開裂，但會(huì)增大組織內(nèi)應(yīng)力。該次級(jí)結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)，熱影響區(qū)存在冷裂紋，這種冷裂紋往往具有延遲的性質(zhì)。次級(jí)結(jié)構(gòu)件受到機(jī)械碰撞后，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。同時(shí)，次級(jí)結(jié)構(gòu)件在長途運(yùn)輸過程中出現(xiàn)擺動(dòng)，使焊接部位受到周期性的疲勞應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致材料發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象。

3. 結(jié)語 

（1）次級(jí)結(jié)構(gòu)件原材料的Mn 元素含量和抗拉強(qiáng)度高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700—2006對(duì)Q235B鋼的要求。

（2）次級(jí)結(jié)構(gòu)件定位焊接時(shí)，焊縫長度短，冷卻速率快，焊縫粗晶區(qū)存在冷裂紋及應(yīng)力裂紋。

（3）次級(jí)結(jié)構(gòu)件因受到機(jī)械撞擊，發(fā)生機(jī)械變形，造成焊縫內(nèi)部裂紋擴(kuò)展。

（4）次級(jí)結(jié)構(gòu)件在長途運(yùn)輸過程中受到周期性的疲勞應(yīng)力，造成材料疲勞斷裂。

作者：鄒文奇，陳思敏

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來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2025年第1期