Razones de las propiedades de tracción anormales de las vigas H pesadas

En los últimos años, la construcción de puentes de gran luz, edificios súper altos y grandes instalaciones deportivas ha aumentado la demanda de acero en forma de H con grandes dimensiones, alas y almas gruesas.

El acero pesado de sección en H laminado en caliente, con grandes dimensiones generales, espesor de ala y alma y un alto factor de seguridad contra tensiones, es un material ideal para la construcción de puentes de luces largas y estructuras de acero altas, y también es el foco de la investigación y el desarrollo. En casa y en el extranjero.

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En la prueba de propiedades mecánicas de algunas vigas H de acero pesado, se encontró que había manchas de color blanco plateado de diferentes tamaños en las superficies de fractura de tracción longitudinal y de tracción Z, y la plasticidad del material disminuyó significativamente.

Según los resultados estadísticos de los datos de prueba, el número y el tamaño de las manchas de color blanco plateado tienen una gran influencia en la plasticidad del material.

Cuanto mayor es el tamaño y el número de manchas de color blanco plateado, menor es la plasticidad del material, pero no tiene una influencia obvia en la resistencia a la tracción y el límite elástico del material, lo que indica que las manchas de color blanco plateado tienen una relación directa con la plasticidad del material.

Para descubrir la causa fundamental de este efecto, investigadores de Maanshan Iron and Steel Co., Ltd. y Jiangsu Yonggang Group Co., Ltd. recogieron muestras de materiales pesados ​​de vigas en H con manchas blancas plateadas y llevaron a cabo pruebas de tracción para realizar las pruebas. Inspección y análisis físico-químico de muestras de tracción.

1. Inspección física y química

1.1 Macroobservación

Fig. 1 Macromorfología de la fractura de muestra por tracción.

La superficie de fractura por tracción de la muestra (ver Fig. 1) se observó macroscópicamente.

Se puede observar en la Figura 1 que:

La fractura por tracción longitudinal es relativamente plana, con poca fluctuación y sin deformación plástica obvia.

En la superficie de la fractura hay manchas de color blanco plateado que se asemejan a ojos de pez;

La superficie de fractura por tracción en la dirección Z fluctúa obviamente, pero no hay labio de corte, área de radiación ni área de fibra.

También hay manchas de color blanco plateado que se asemejan a ojos de pez en la superficie de la fractura.

Al observar el lado de la superficie de fractura por tracción longitudinal de la muestra (ver Fig. 2), se encuentra que hay una serie de microporos y grietas a lo largo de la dirección de tracción, y hay un fenómeno de deformación de la piel, que es causado por la fractura de los poros de la muestra durante el proceso de tracción.

Fig. 2 Macromorfología de la superficie de fractura de la muestra de tracción.

1.2 Análisis de composición química

La composición química de la muestra se analizó mediante un espectrómetro de lectura directa y la composición química del material cumplió con los requisitos estándar.

El contenido de hidrógeno de la muestra se determinó mediante el analizador de determinación de hidrógeno y el contenido de hidrógeno (concentración del elemento hidrógeno) alcanzó 10 mg/kg.

Combinado con el análisis macromorfológico de la superficie de la fractura, se puede determinar preliminarmente que las manchas de color blanco plateado en la superficie de la fractura son manchas blancas inducidas por hidrógeno.

1.3 Inspección metalográfica

Fig. 3 Microestructura de fractura de la muestra de tracción.

El examen metalográfico y el análisis de inclusión se realizaron cerca de la superficie de fractura de la muestra y la microestructura fue ferrita + perlita.

La estructura en bandas no era obvia, el tamaño del grano era de 7,5 a 8,0 y no había ninguna otra estructura anormal (ver Fig. 3).

Figura 4

La Figura 4 muestra la morfología de la microestructura de los defectos alrededor de los agujeros en el lado de la muestra estresada.

Se puede ver que la microestructura de los defectos alrededor de los agujeros es ferrita + perlita con signos de deformación, pero no hay ninguna anormalidad en comparación con la microestructura de otras partes, y no se encuentran inclusiones gruesas obvias, segregación estructural ni otras estructuras anormales.

Las inclusiones no metálicas se clasifican de acuerdo con GB/T 10561-2005, Determinación del contenido de inclusiones no metálicas en el acero mediante examen micrográfico de la tabla de clasificación estándar. El nivel de inclusión es bajo y no se encuentran inclusiones de partículas grandes (ver Tabla 1).

Tabla 1 Niveles de inclusión de muestras no metálicas

Ubicación de muestreo Sulfuro (A) Óxido (B) Silicato (C) Óxido globular (D) Partícula única esférica
buena serie Serie gruesa buena serie Serie gruesa buena serie Serie gruesa buena serie Serie gruesa (DS)
Mesa 0 0 0,5 0 0 0 1.0 0,5 0
Mesa 0 0 0,5 0 0 0 0,5 0,5 0,5
Red 0,5 0 0 0,5 0 0 1.0 1.0 1.0
Red 0 0 0,5 0,5 0,5 0 1.5 0 0,5

1.4 Análisis de la micromorfología de las fracturas.

Fig. 5 Morfología SEM de la fractura por tracción longitudinal.
Fig. 6 Morfología SEM de fractura por tracción en dirección Z

Se utilizó el microscopio electrónico de barrido (SEM) para observar la fractura por tracción longitudinal y en dirección Z.

Las figuras 5 y 6 muestran la microestructura de fractura por tensión longitudinal y tensión en la dirección Z, respectivamente.

Hay áreas planas características de diferentes tamaños en la superficie de la fractura de ambos tipos de fractura, es decir, manchas de color blanco plateado que se observan a simple vista.

Existe un límite claro entre esta área y el área circundante, formando un contorno claro con el área de fractura de la matriz.

En la zona plana, la morfología de la fractura interna es similar a una lengua, y en algunas partes hay líneas capilares, que tienen características evidentes de fractura frágil.

La forma de la fractura en esta zona es principalmente una fractura de cuasi escisión.

La apariencia del defecto de alabeo de la superficie en el orificio lateral de la muestra de tracción es similar a la de la fractura por tracción, las cuales son fracturas de cuasi escisión y son esencialmente el mismo tipo de fractura (ver Fig. 7).

Fig. 7 Morfología SEM de defectos cutáneos cortos en orificios laterales de una muestra de tracción longitudinal

Hay hoyuelos de fractura en toda la superficie de la fractura, excepto las manchas blancas plateadas, lo que indica que el área de la mancha blanca plateada en la superficie de la fractura es una fractura frágil de fractura por escisión, y otras áreas todavía son fracturas dúctiles dominadas por hoyuelos (consulte la Figura 8). .

Fig. 8 Morfología de ondulación de fractura SEM

Amplíe el área de la mancha de color blanco plateado en la superficie de la fractura y observe que hay pequeñas inclusiones en el área central.

Los resultados del análisis del espectro energético muestran que los componentes principales son inclusiones compuestas de calcio (ver Figuras 9,10).

Fig. 9 Posición del análisis del espectro de energía y espectro de energía de manchas de color blanco plateado en fractura por tracción longitudinal
Fig. 10 Posición del análisis del espectro de energía y espectro de energía de puntos de color blanco plateado en fractura por tracción en dirección Z

Se puede ver en la morfología microscópica de la superficie de la fractura que el área de la mancha de color blanco plateado inició grietas debido a la fragilización de la matriz y el papel de la segunda fase durante el proceso de tracción, y luego se expandió hasta la fractura, que pertenece a la inducida. Fractura frágil por hidrógeno. .

1.5 Prueba de recocido por deshidrogenación

Para verificar aún más el comportamiento de fragilización por hidrógeno de las muestras, el mismo lote de muestras de tracción se deshidrogenó y recoció a 500 ℃ durante 4 h, y luego se enfrió lentamente en el horno.

El contenido de hidrógeno medido con el determinante de hidrógeno es de 4 mg/kg, que es claramente inferior al contenido antes del recocido (10 mg/kg).

Tabla 2 Propiedades mecánicas de las muestras antes y después del recocido por deshidrogenación

Tratamiento térmico Dirección de tracción Límite de rendimiento/MPa Resistencia a la tracción/MPa Elongación después de la fractura/% Reducción de área/%
Deshidrogenación tensión longitudinal 417 595 22
Antes del recocido Estirar en la dirección z 351 574 33
Deshidrogenación tensión longitudinal 422 602 28
Después del recocido Estirar en la dirección z 359 582 49

Las propiedades mecánicas de la muestra antes y después del recocido por deshidrogenación se muestran en la Tabla 2.

Se puede ver que después del recocido por deshidrogenación, la plasticidad de la muestra mejora significativamente, pero la resistencia mejora menos.

Un gran número de resultados de pruebas muestran que la homogeneidad de la resistencia y la plasticidad de las muestras después del recocido por deshidrogenación también mejoran significativamente.

Fig. 11 Micromorfología de la superficie de fractura después del recocido por deshidrogenación.

La morfología de la fractura de la muestra después del recocido por deshidrogenación se muestra en la Fig.

En este momento, no hay manchas de color blanco plateado en la microsuperficie de la fractura y todas son hoyuelos con una distribución de tamaño uniforme, lo que indica que la fractura de la muestra es una fractura dúctil.

2. Análisis integral

La pesada viga H será inevitablemente invadida por el hidrógeno del vapor de agua atmosférico, el agua del mineral o la aleación y el óxido de la chatarra durante la fundición y el laminado.

El mecanismo de destrucción del hidrógeno en el acero es: debido a que la solubilidad del hidrógeno en el acero líquido es mucho mayor que la del metal sólido, el hidrógeno en el metal líquido permanece en el metal antes de que pueda escapar durante la solidificación del acero pesado con vigas en H durante la fundición. , lo que resulta en la difusión continua y agregación de hidrógeno en el material.

Cuando la agregación local alcanza un cierto contenido, provocará manchas blancas, burbujas de hidrógeno y otros fenómenos.

La agregación local de hidrógeno en el acero hace que el material se vuelva quebradizo, la capacidad de carga y la plasticidad disminuyen.

La brida y el alma de acero pesado en forma de H tienen un espesor de 67,6 mm y 42 mm respectivamente, por lo que el hidrógeno es más difícil de difundir y escapar, acumulándose en el centro, y es más probable que se produzca fragilidad por hidrógeno.

Generalmente el hidrógeno se acumula en piezas con defectos graves, como inclusiones, carburos, microporos, etc.

En el defecto, los átomos de hidrógeno se combinan en moléculas de hidrógeno, lo que genera una tensión evidente y forma burbujas de hidrógeno.

En el proceso de tensión longitudinal y en dirección Z, estos defectos se ubican en la superficie de la pesada viga H, y la burbuja de hidrógeno no es consistente con la deformación de la matriz, lo que resulta en la ruptura de la burbuja, por lo que la piel El defecto de deformación se forma en el lado de la muestra de tracción.

3. Conclusiones y sugerencias

La razón de la superficie de fractura por tracción anormal y la disminución de la plasticidad de las vigas en H pesadas es que el contenido de hidrógeno del material es demasiado alto, lo que resulta en fragilidad por hidrógeno.

La fragilización por hidrógeno se puede eliminar mediante recocido por deshidrogenación, que pertenece a la fragilización por hidrógeno reversible.

Para evitar este tipo de problemas, se sugiere fortalecer el manejo de las materias primas para la fabricación de acero para evitar la invasión de hidrógeno externo debido a la humedad de las materias primas.

En el proceso de fundición, el horno de desgasificación por circulación al vacío se puede utilizar para optimizar la ruta del proceso al vacío para hacer que el hidrógeno inicial escape del acero fundido, a fin de reducir el contenido de hidrógeno en el acero fundido.

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