关于钢桶桶底开裂质量问题的分析

文/辛巧娟

最近接到一个制桶同行朋友的求助信，内容如下：

“辛姐：您好！我这边镀锌桶跌落实验桶底开裂很严重，请教你这是什么原因？”

“我们生产好的镀锌桶，质检部测量了卷封后的卷边尺寸及检查了外观质量均合格。跌落后，我们将卷边切开，首先卷层为三重七层圆卷边，而且卷的很好，卷边圆弧处光滑无毛刺。今天跌落了3只桶，跌落高度为2米，Ⅰ类高度2.25米没达到；Ⅱ类1.8米已经达到。”

“下面是跌落实验及发生质量问题桶的图片。”

图1 质量问题图片（最后一张是UN代码）

从他的简述中我们了解到，该桶盛装的物品比重超过1.2，所以要求Ⅰ级钢桶的跌落高度大于1.8米，按照试验标准规定，比重大于1.2的内盛物，其钢桶的跌落高度为比重乘以1.5的系数，他要求为2.25米，所以说明内盛装货物的比重为1.5，从上图中最后一张UN代码中也可以得到证实。这就是说，该包装钢桶盛装货物的重量要达到300公斤。为此我问用户选用多厚的包装钢桶，对方回答均为1.0毫米。

一、钢桶的科学选用依据

在这里我先科普一下，钢桶包装货物时，要科学选用钢桶。用户可根据《钢桶包装用户手册》选择适合盛装自己产品的钢桶。

1、根据内装货物的危险程度选择

《国际海上危险货物运输规则》简称《国际海运危规》和国家标准GB/T325，将装运危险货物的包装容器所必须达到的质量标准分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。Ⅰ类危险货物必须用符合Ⅰ级标准质量要求的钢桶盛装。Ⅱ类危险货物就必须用质量要求为Ⅰ级或Ⅱ级的钢桶盛装，即只能用同类或高于同类危险货物质量标准的钢桶来盛装和运输该产品。

2、根据内盛装货物的性质选择

一般情况下，货物是液态，选择闭口钢桶装运；如货物呈膏状、粉状和块状的可选用中开口、直开口或开口缩颈钢桶。

3、根据钢板的厚度选择

钢桶按材料厚度分:可分为重型桶、中型桶、次中型桶和轻型桶等。材料厚度一般与钢桶的容量大小有一定的关系，表1常见钢桶厚度分类。

表1 常见钢桶厚度分类（单位：mm）

选择钢桶材料厚度时，应考虑既保证钢桶使用性能又要经济合理，一般考虑如下几点：

（1）一次性使用的钢桶，在保证钢桶性能的前提下，应选择较薄的钢板。

（2）内盛装危险货物时，在保证钢桶使用性能的前提下，从安全角度考虑，应选择钢板厚一点的钢桶；盛装一般货物可选薄一点的钢桶。

（3）内装货物密度大时，选择钢桶材料厚一些，内装货物密度小时，选择钢桶材料薄一些。

4、根据内盛物的物理性质选择

货物的物理性质，一般有状态、比重、形态、遇环境变化的特性等，一般情况下，根据这些物理性质来确定钢桶的大小、厚度、开口型式和密封性能，常见货物物理性质及适合选购的钢桶型式如表2。

表2 不同物理性质的货物适合的钢桶类型

从钢桶选择来看，大家应该清楚问题所在了吧，主要是钢桶材料选薄了，1.0mm厚的钢桶，无法满足盛装比重为1.5的Ⅰ类危险货物。当然此钢桶是合格桶，跌落盛装货物后满足不了性能。

二、从钢板材料性质进行分析

大家都清楚，我们订购钢板时都要求供应商提供每卷钢板的产品质量证明书，下面是一份镀锌钢板的材质证明书，我们来分析一下：

图2 产品质量证明书

这份证明书中有钢卷号、炉号、表面质量、尺寸、数量、重量、化学成分及性能指标等参数，对于钢卷号、炉号、表面质量、尺寸、数量、重量这些参数，钢材在进厂检验时都应该得到确认，这里我们主要看其化学成分和性能指标。

表3 桶底顶料化学成分

符合标准要求。

对于材料的屈服强度和抗拉强度，这里先做一下介绍。

屈服强度和屈服点相对应，屈服点是指金属发生塑性变形的那一点，所对应的强度成为屈服强度。抗拉强度指材料抵抗外力的能力，一般拉伸实验时拉断时候的强度。也就是钢材受拉断裂前的最大应力值（b点对应值）称为强度极限或抗拉强度。

图3 应力（kg/mm3）-应变（%）曲线图

屈服强度是金属材料发生屈服（塑性变形）现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。大于屈服强度的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。

表4 材料的物理性质

从材料的力学性能来分析，也是合格的。

三、从微观上进行分析

我们将有裂纹的钢桶剖切开，观察其桶桶底、顶，发现1.0mm厚度的桶底顶卷边处均有从内壁向外突起变形现象存在，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。

图4 开裂钢桶的桶顶（左）和桶底（右）的内表面形状

图5 钢桶桶底开裂处的外表面形状

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，从图中可以看出，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6 裂源附近裂纹扩展区断口形状

图7 远离破裂处断口形状

所以钢桶桶底上的开裂性质为疲劳断裂，疲劳裂纹源位90°折弯附近突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，形成应力集中点。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，随着路途距离的增大，颠簸振动的次数增加，并形成周期性作用力面产生共振现象，应力开始释放，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。

四、结论

问题分析清楚了，对于桶底开裂问题，常见的解决办法，一是增加桶底板材的厚度，二是可以在桶底增加加强筋来防止疲劳开裂的发生。这是最常用也最实际的办法。

对本文开始提出的盛装比重为1.5的货物，钢桶桶底必须更换为1.2mm或更厚的材料，才能从根本上解决问题。