低合金钢制圆管疲劳断裂的失效分析

孙 乾，程欣丽，徐瑞亮，何 康，殷 磊，张晓东

（1 莱芜钢铁集团银山型钢有限公司，山东 济南 271104；2 莱钢集团蓝天商旅车业有限公司，山东 济南 271104；3 山东鲁碧建材有限公司，山东 济南 271104）

1 前言

低合金热轧钢带产品具有强度高、韧性好、易加工、焊接性好等优异性能，被广泛应用于建筑、桥梁、船舶等行业［1］，其中，低合金热轧钢带制结构圆管因较好的力学性能和经济性，用于制作塔吊基管［2］。塔吊基管与支撑机架在上下传动过程中，摩擦过热，易出现疲劳点蚀；同时面临风雨、高温、严寒等复杂天气，表面腐蚀及风力发生疲劳断裂，潜在危险尤为突出［3］。针对某建筑单位工程施工过程中疲劳断裂的低合金钢带制塔基管为研究对象，采用金相显微镜、场发射扫描电镜、EDS 能谱仪等检验工具，对试样缺陷处组织、形貌、成分、析出物等进行观察分析，详细分析可能导致疲劳断裂出现的原因及影响因素，为生产工艺优化及施工防护，提供参考依据。

2 试验材料及方法

试验用钢管为某建筑单位工程施工过程中疲劳断裂的低合金钢带制塔基管，钢管已服役2 年，设备检修时由现场施工人员发现断裂。采用天龙数控DK7780 线切割机床对失效钢管进行切割取样，试样经磨样、抛光、洗涤风干后，采用德国斯派克SPECTROLAB 直读光谱仪对试样进行化学成分分析；切割修磨抛光制金相试样，用4%浓度硝酸酒精侵蚀液侵蚀后，利用OLYMPUS BX53M光学显微镜进行金相观察，原奥氏体晶粒平均尺寸采截线法，利用Image pro软件测定；采用OLYMPUSBX53M扫描电子显微镜观察失效钢管疲劳断口形貌，通过扫描电镜中EDS 探头对失效管微区析出物及杂质进行化学成分分析。

3 结果与讨论

3.1 宏观形貌分析

圆管表面存在明显锈蚀，断裂处无明显宏观塑性变形，侧面防锈黄色油漆已全部磨掉，圆管中间有明显循环受载磨损，两端无明显磨损，裂纹出现在圆管中部，一侧有焊瘤，另一侧裂纹明显，裂纹沿圆管长度方向（钢带轧制方向的纵向裂纹）长切深，裂纹侧中间成深紫色（或黑色），存在受载过热及局部不均匀变形，因钢带非耐热钢，使用过程中的往复摩擦过热，导致中部摩擦接触面明显发黑；两端虽无过烧，但有较连续性坑点，为疲劳点蚀形貌。

垂直于裂纹方向用线切割取样，发现纵向裂纹断口断面较平坦，无明显毛刺，有部分锈蚀，裂纹已贯穿钢带全厚度，断口中间有凸台，凸台缝隙有明显横裂纹，深约厚度的2/3（钢管厚度为4.5 mm），在往复过载应力作用下，凸台处极易应力集中产生微裂纹，微裂纹在交变弯曲载荷下成为疲劳裂纹源；圆管内圈最外层存在一圈剪切唇，说明内表面最后断裂，即该塔基圆管的断裂过程为从外表面向内表面扩展，且剪切唇区域约占断口总面积的10%，表明引起最终断裂的应力并不大，失效圆管的断裂模式为往复应力高周期疲劳断裂。

3.3 SEM 微观形貌分析

由图1、表1 可知，谱图1、2、3 所示为浅色异常组织，主要含Fe、O、C、Ca、S、Mn、Si、Al、K、Cl 等元素，主要因为断裂处及边界部分被氧化，周围出现点状氧化物，氧化物会在晶界产生偏析导致铁合金晶间断裂；同时，腐蚀性强的S、Cl元素含量极低，这说明断裂失效原因与腐蚀关系不大，极可能为疲劳断裂；含量极低的Si-Ca-Al可能来自炼钢及精炼环节脱氧产物，对断裂影响不大。谱图4所示为深色母材基体，主要含Fe、O、C、Mn、Si、Ca、Ti等元素，基体组织正常。

表1 裂纹处EDS能谱点的化学成分 %

图1 断口处SEM扫描电镜形貌

3.4 夹杂物与金相组织分析

非金属夹杂物会割裂钢基体连续性，同时夹杂物本身或因其产生的孔洞可等同于微小缺口，当母材承受交变载荷往复作用时，极易导致应力集中和应变集中［4-5］，成为钢管疲劳断裂的裂纹源。有研究表明，易变形的塑性夹杂物（如MnS 等A 类夹杂物）由于比母材膨胀系数大，在基体中产生压应力影响小，对钢管的疲劳性能影响较小，而比基体膨胀系数小的氧化物、硅酸盐等夹杂物，由于在基体中产生拉应力，对母材疲劳性能影响较大，也是导致管材发生疲劳断裂的原因之一［6-7］，故通过显微镜对母材进行夹杂物检验。由图2可知，裂纹处及附近基体纯净度极高，未发现明显夹杂物。由图3可知，裂纹处晶粒约10 级裂纹两端无明显脱碳及Si、Mn 氧化物析出，可排除铸坯原始裂纹。裂纹处晶粒细小，为穿晶开裂形貌，裂纹内部晶粒及周边晶粒存在应力变形，裂纹形态为应力裂纹，疲劳断裂形貌。由图4 可知，对基体金相组织观察，基体组织晶粒细小，约10级，组织为铁素体+珠光体，未发现明显异常。

图2 裂纹处夹杂物100×

图3 裂纹处金相组织

图4 钢管基体金相组织

3.5 拉伸性能检验

查询该钢管母材钢带出厂检验质保书，采用线切割从开裂管上取拉伸试样，并选出与该开裂圆管相同牌号、规格、弯管工艺制造的正常使用管、焊接后未使用管，分别取样做拉伸试验，依照GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验室温试验方法》进行力学性能检验，结果如表2所示。

表2 拉伸性能检测结果

由表2可知，出厂钢带检验成分及性能符合标准要求，制管后拉伸性能受加工硬化、受焊接冷却方式等因素影响，屈服强度、抗拉强度分别提高约80 MPa 和60 MPa，断后伸长率降低4%，这是因为母材在室温下发生弯管塑性变形，基体内部晶粒沿变形最大方向伸长并转动，出现位错缠结，晶格发生扭曲畸变，同时伴随晶内和晶间产生碎晶所造成的综合影响，使晶粒拉长、破碎和纤维化，进一步强化了滑移变形阻力，母材内部积聚了残余应力，导致母材的强度、硬度提高，塑性、韧性下降［8-9］。

对比弯管焊接后未使用、正常使用及开裂圆管拉伸性能，开裂圆管强度更高，延伸率更低，但增量有限，弯管及焊接工艺对其疲劳断裂有一定影响，但影响有限。

4 结语

（1）低合金钢带制塔基圆管断裂的原因为疲劳断裂，裂纹源为圆管中部凸台缝隙处的横裂纹，其钢基体纯净度较高，无明显影响性能的夹杂物及大颗粒析出物，晶粒细小均匀，金相组织无异常。

（2）钢管常年服役在户外，白昼和四季温差大，雨水、烟气及高空作业，服役环境变化大，导致母材材料的疲劳强度降低，并且高频次往复作业，使得钢管侧面防锈油漆磨损脱落，锈层导致的表面缺陷，易形成应力集中的裂纹源，诱导基体发生断裂失效。

（3）弯曲焊接后塔基圆管拉伸性能受加工硬化、焊接冷却方式等因素影响，母材的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，力学性能变化极大。优化弯管及焊接工艺，尽可能减少加工过程对母材的划伤等表面缺陷，降低应力集中裂纹源的出现，可有效提高塔基圆管使用寿命。