基于内聚力模型夹杂物诱发Q235钢坯裂纹萌生与扩展的有限元分析

Abstract

Q235钢凭借其出色的综合性能、低廉的成本和良好的加工性，被广泛应用于建筑、桥梁、压力容器等及时行业。在超高拉速连铸过程中，非金属夹杂物作为典型的不连续缺陷，是诱发铸坯微裂纹并恶化其质量的关键因素。为阐明夹杂物对Q235B钢基体力学性能及界面开裂行为的影响，本研究结合高温单轴拉伸实验与Abaqus有限元模拟，基于内聚力模型建立了嵌入不同特征夹杂物的微观力学模型。系统分析了Q235B钢中典型夹杂物（Al₂O₃、MnS及硅酸类复合夹杂物）在热-力耦合作用下，从界面初始损伤到裂纹萌生与扩展的完整过程。结果表明：非金属夹杂物的种类与几何形态显著影响钢基体中的应力场分布。其中，具有尖锐棱角的复合夹杂物最易引发局部应力集中，其界面峰值应力高达30.5 MPa，在最低外加应力（11.3 MPa）下即率先萌生裂纹，而MnS和Al₂O₃夹杂物的相应值分别为20.7 MPa和23.4 MPa。所有裂纹均在最大界面应力处（α=90°）初始形核，随后应力集中转移至裂纹尖端，驱动裂纹沿界面扩展并最终穿透基体。复合夹杂物因几何形状不规则，其界面承载能力最弱、损伤扩展最快、能量耗散最高，对基体连续性破坏最为严重。本研究通过实验与模拟相结合，揭示了连铸过程中夹杂物/基体界面裂纹的萌生机理与临界条件，为通过控制夹杂物形态（尤其是避免生成尖角状复合夹杂物）来提升Q235钢铸坯质量提供了明确的理论依据。