SPCC钢桶开裂原因分析
文/吉静
摘要：SPCC钢桶在运输过程中出现破裂。从断口特征、化学成分、力学性能、显微组织等方面对其开裂原因进行了分析。结果表明：因为运输过程形成周期性作力，产生了疲劳裂纹，最终导致钢桶开裂。
关键词：SPCC；钢桶；疲劳；开裂
钢桶是重要的运输包装容器，广泛应用于存储和运装液体、浆料及化学原料，每年用于危险品包装运输的钢桶也在大量增加，光广东一省每年盛装易燃液体出口的闭口钢桶就超过了几十万个。
来自国内某厂的SPCC钢桶在装满液体后运输千余公里后出现底部破裂，为了查明原因对开裂样品进行分析。
1、失效材料分析
1.1 样品宏观分析
由图1、图2可以看出，将钢桶切割后检查发现，桶顶和桶底的卷边处均有从内壁向外壁突起变形现象存在，桶顶上的突起有7~8处，桶底上的突起有2~3处，其中1处发生开裂，裂纹基本沿径向分布。切割取样后发现桶底开裂发生在卷边附近90°折弯处的两侧，与桶顶上的突起变形部位相比开裂处的变形幅度较大，见图3。
图1 开裂钢桶的桶顶（左）和桶底（右）的内表面形貌
图2 钢桶桶底开裂处的内外表面形貌
图3 钢桶的桶顶和桶底卷边处的截面形貌
1.2 化学成分分析
从桶顶和桶底上取样，进行化学成分分析，结果如表1所示：
表1 化学成分分析结果
| 样品部位 |
碳（C） |
硅（Si） |
锰（Mn） |
磷（P） |
氮（N） |
硫（S） |
标准要求 |
≤0.15 |
-- |
≤0.60 |
≤0.10 |
-- |
≤0.025 |
桶顶 |
0.03 |
0.05 |
0.19 |
0.013 |
0.005 |
0.001 |
桶底 |
0.02 |
0.04 |
0.20 |
0015 |
0.004 |
0.001 |
检测结果符合JIS G3141-2005《冷轧碳素钢钢板及钢带》中对SPCC钢板化学成分的要求。
1.3 力学性能分析
从桶顶和桶底上切取拉伸样品，进行拉伸试验，分成两组：两组取样方向垂直（称为横向和纵向样品）。JIS G3141-2005《冷轧碳素钢钢板及钢带》中对SPCC钢板拉伸性能未做要求，对于纵横试验的拉伸性能对比，也未发现显著差异。见表2。
表2 力学性能测试结果
| 样品来源 |
厚度（mm） |
屈服强度（MPa） |
抗拉强度（MPa） |
延伸率（%） |
纵向桶顶样品 |
1.023 |
333 |
347 |
47.5 |
纵向桶底样品 |
1.034 |
312 |
354 |
46.5 |
横向桶顶样品 |
1.030 |
327 |
354 |
42.0 |
横向桶底样品 |
1.000 |
327 |
356 |
47.0 |
1.4 显微组织分析
1.4.1 金相组织
在桶底上对开裂处及未开裂部位进行取样，分别制备金相样品，进行显微组织分析。
从图4可以看出金相组织均为：铁素体+球粒状渗碳体。晶粒度为7~8级。组织均匀，游离渗碳体弥散分布，未见明显链状分布。
（a）未开裂部位金相组织；（b）开裂部位金相组织
图4 钢桶金相组织
1.4.2 扫描电镜微观分析
将裂纹打开后在扫描电镜下观察裂纹断口的形貌，结果发现钢桶开裂始于钢桶桶底的内壁侧，裂源的断口上存在呈八字形分布的裂纹扩展台阶，由图5、图6可以看出，裂纹扩展区的断口形貌呈现疲劳辉纹特征，在远离桶底90°折弯处（水平位置）内壁侧的断口上也存在疲劳辉纹特征。
图5 裂源附近裂纹扩展区断口SEM形貌
图6 远离破裂处断口的SEM形貌
2、结论
钢桶桶底上的开裂性质为疲劳断裂，疲劳裂纹源位90°折弯附近起变形幅度最大位置的内壁。
钢板在90°折弯时，折弯部位内壁的形变相对较大，钢桶承载时如果在内壁形变量较大的区域发生幅度较大的突起变形，容易造成该处的内壁表面发生破裂，形成裂纹源。钢桶在运输过程中存在颠簸现象，可能形成周期性作用力，造成疲劳裂纹从钢桶桶底内壁的裂纹源向外壁扩展，最终导致钢桶桶底疲劳开裂。
3、结论
（1）该钢桶发生了疲劳断裂。断裂原因是钢桶在运输过程中存在颠簸现象，可能形成周期性作用力，造成疲劳裂纹从钢桶桶底内壁的裂纹向外壁扩展，最终导致钢桶桶底疲劳开裂。
（2）建议适当增加钢桶厚度，在桶底增加波浪形来防止此类破裂再次发生。
