Q235B普通碳素结构钢中C元素含量适中，其强度、塑性、焊接性能较好，广泛用于制造海洋工程结构的次级结构件。次级结构件主要包括扶手、栏杆等，属于非承载部件，主要关注次级结构件的以下几个方面：材料质量、焊接质量、结构外观等。经核查，次级结构件原材料证书符合标准要求，结构外观符合图纸设计要求，经过磁粉检测，焊接部位外观质量符合标准要求。该次级结构件经过长途运输后，发现某焊接部位出现断裂现象。研究人员采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检验等方法分析了焊接件断裂的原因，以防止该类问题再次发生。

1. 理化检验

1.1 宏观观察

次级结构件断裂位置宏观形貌如图1所示。由图1可知：裂纹源起始于侧面定位焊接处，随后逐渐向母材方向扩展延伸，断口母材处光滑平整，呈明显的脆性断裂特征。断裂试样靠近焊缝热影响区处有明显的机械变形，说明断口处受到明显的机械撞击；同时断口母材处有明显的贝纹线，贝纹线是疲劳断裂的显著特征，说明母材在运输过程中受到周期性的疲劳应力。

1.2 化学成分分析

根据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》，采用直读光谱仪对次级结构断裂件进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：次级结构断裂件的Mn元素含量高于GB/T 700—2006《碳素结构钢》对Q235B钢的要求。Mn元素是弱碳化物形成元素，除少数溶于渗碳体外，几乎都溶于铁素体和奥氏体中，要提高钢中铁素体和奥氏体的强度和硬度，通常通过增加Mn元素含量来弥补因碳含量低造成的部分强度损失。

1.3 力学性能测试

根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》进行拉伸试验，结果如 表2所示。由表2可知：Q235B钢次级结构断裂件的抗拉强度高于国家标准GB/T 700—2006《碳素结构钢》对Q235B钢的要求。

根据GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，对次级结构断裂件进行冲击性能测试，结果如表3所示。由表3可知：Q235B 钢次级结构断裂件的冲击性能符合标准要求。

1.4 金相检验

金相检验取样位置及试样外观如图2所示。由图2可知：试样顶端存在明显的机械变形，说明运输过程中次级结构件受到冲击应力作用；断裂起始处位于机械变形的末端，说明机械变形是材料断裂的一个重要原因。

将金相试样置于光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：Q235B钢母材的显微组织为铁素体+ 珠光体，且珠光体沿轧制方向呈带状分布；断口处带状分布珠光体出现明显疲劳变形，说明母材在断裂过程中受到沿断口方向的周期性疲劳应力作用；焊接粗晶区和焊接热影响区存在明显的界面裂纹，同时在粗晶区存在明显的应力裂纹和冷裂纹。焊接时，在靠近焊缝附近的粗晶区，温度为1100℃~Ac3（Ac3为碳钢加热时的相变实际温度），该区域内奥氏体晶粒长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，由于冷却速率快，该区域容易产生内部应力，使粗晶区产生应力裂纹和冷裂纹，冷裂纹具有延迟扩展的性质。

2. 综合分析 

由上述理化检验结果可知：Q235B钢次级结构断裂件的冲击性能符合标准要求，化学成分中Mn元素含量高于标准要求，Mn元素固溶于铁素体和奥氏体中，扩大了奥氏体区，细化了珠光体；Mn元素含量的增加，提高了材料的抗拉强度，造成抗拉强度超过Q235B钢的标准要求。同时，Mn元素含量的增加，提高了材料的碳当量和裂纹敏感系数，对材料的焊接性能有不利影响。

Q235B钢次级结构件装配定位焊接时，由于焊缝长度短，截面积小，冷却速率快，焊缝容易开裂。采用大线能量焊接可以预防焊缝开裂，但会增大组织内应力。该次级结构件焊接时，热影响区存在冷裂纹，这种冷裂纹往往具有延迟的性质。次级结构件受到机械碰撞后，裂纹进一步扩展。同时，次级结构件在长途运输过程中出现摆动，使焊接部位受到周期性的疲劳应力作用，最终导致材料发生疲劳断裂现象。

3. 结语 

（1）次级结构件原材料的Mn 元素含量和抗拉强度高于国家标准GB/T 700—2006对Q235B钢的要求。

（2）次级结构件定位焊接时，焊缝长度短，冷却速率快，焊缝粗晶区存在冷裂纹及应力裂纹。

（3）次级结构件因受到机械撞击，发生机械变形，造成焊缝内部裂纹扩展。

（4）次级结构件在长途运输过程中受到周期性的疲劳应力，造成材料疲劳断裂。

作者：邹文奇，陈思敏

单位：豪氏威马（中国）有限公司

来源：《理化检验-物理分册》2025年第1期