摘 要:某批次 YL82B預應力鋼絲用熱軋盤條發生拉拔斷裂,對其不同斷口進行宏觀觀察和微 觀分析。結果表明,盤條斷裂的主要原因是產品存在表面缺陷和異常組織。最后提出了改善盤條 質量的建議。
關鍵詞:盤條;鋼絲;斷裂;顯微組織
中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)06-0058-05
預應力鋼絲用 YL82B 熱軋盤條必須具有成分穩定、純凈度高、組織均勻、表面質量好和索氏體含量符合國家標準要求等特點[1]。如果盤條的顯微組 織中存在馬氏體、全封閉網狀滲碳體和中心偏析等, 以及盤條表面存在裂紋、折疊、夾雜、耳子、結疤、劃 傷等缺陷,則其在使用過程中會發生拉拔斷裂[2]。 筆者單位生產的某批次 YL82B 預應力鋼絲用熱軋盤條質量一直受到用戶的普遍好評,但某些盤條出 現了拉拔斷裂現象,因此需要對這些拉拔斷裂盤條進行系統分析,找到盤條拉拔斷裂的原因。
筆者采用 EVO-18型掃描電鏡對試樣進行斷 口分析,用 AxioImagerA2m 型顯微鏡對試樣的橫 向和縱向進行金相檢驗。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
觀察拉拔斷裂盤條斷口的宏觀形貌,發現主要為小白點狀斷口、刮傷斷口、筆尖狀斷口、斜狀斷口等。
小白點狀斷口較平坦、無明顯頸縮[3]。在斷口 的內部可觀察到大小不等的圓斑缺陷,圓斑心部有 一處淺灰色小白點,小白點周圍區域呈黑灰色,形如 “魚眼狀”(見圖1)。裂紋源位于黑灰色圓斑部位, 裂紋擴展區呈放射狀,最后斷裂區(剪切唇)較小,表 明材料脆性較大。
刮傷斷口一般是在盤條運輸過程中產生的,如 果盤條表面有刮傷缺陷,那么其在拉拔時就容易發 生斷裂,斷口一般為近平齊狀,這種斷口的裂紋源位 于盤條的邊緣缺陷部位(見圖2)。
筆尖狀斷口(見圖3)一般在盤條拉拔的后幾道工序出現,斷口形狀貌似鉛筆筆尖,筆尖的尖頭基本 位于鋼絲的中心部位[4]。
斜狀斷口 一 般 是 在 盤 條 拉 拔 過 程 中 產 生 的, 斜狀斷口部位無明顯的頸縮現象,斷面較平坦,有 金屬光澤,表現為切應力劈裂,又稱為斜劈狀斷口 (見圖4)。這種斷裂多由拉拔鋼絲表面缺陷引起, 一般鋼 絲 表 面 存 在 密 集 分 布 的 橫 裂 紋(見 圖 5)。 當鋼絲表面 缺 陷 達 到 一 定 深 度 后,在 拉 拔 時 極 易 發生斷絲現象。
1.2 微觀分析
1.2.1 小白點狀斷口
小白點狀斷口試樣經過超聲波清洗后,用掃描 電鏡進行觀察分析。斷口黑灰色圓斑中心小白點處 存在較大尺寸的夾雜物,能譜分析結果表明該夾雜 物為復合氧化物,分析結果如圖6所示。
裂紋源小白點區域為準解理斷裂,黑灰色圓斑 區域為韌性斷裂(見圖7),裂紋擴展區微觀形貌為 準解理特征(見圖8)。
“魚眼”狀小白點缺陷稱為“拉伸白點”,與一般 情況下所說的白點性質不同,通常所說的第一類白 點缺陷是一種縫隙,該缺陷的金屬連續性已被破壞, 用熱處理方法無法消除,是不可逆的;“魚眼”狀缺陷 不是受力前就存在的,是在氫、缺陷(如夾雜物等) 和應力的共 同 作 用 下,在 應 變 過 程 中 形 成 的 獨 特 缺陷區,也 稱 為 第 二 類 白 點。第 二 類 白 點 在 受 力 前或使用前通過去氫處理是可以消除的,故可逆。 第一類白點 和 第 二 類 白 點 的 性 質 不 同,二 者 不 可 混淆。
1.2.2 刮傷斷口
用掃描電鏡觀察刮傷斷口,裂紋源區位于試樣 一側邊緣的縱向刮傷缺陷部位,裂紋源區存在沿晶 開裂形貌特征,裂紋源以外的擴展區呈脆性解理斷 裂形貌特征(見圖9)。對應裂紋源部位的盤條側表 面可見明顯的機械損傷痕跡,局部放大后發現該部 位有明顯的橫向細裂紋(見圖10)。
1.2.3 筆尖狀斷口
用冷切方法將筆尖狀斷口試樣沿中心線縱向剖 開,制成試樣后進行金相檢驗,在試樣縱截面可以看 到沿軸心部位呈斷續分布的大小不等的“人”字形 孔洞。
有的筆尖狀斷口試樣縱截面中心部位存在沿軋制方向分布的白亮色中心偏析帶,偏析帶正好位于 筆尖中心部位(見圖11)。這類中心偏析帶一般與 盤條中心存在的磷、鉻、錳元素的成分偏析有關。成 分偏析部位的強度和硬度提高,塑性和韌性降低,在 冷拔過程中,偏析部位與正?；w間不協調的形變 導致偏析帶產生孔隙,孔隙擴展為裂紋后,發生拉拔 斷裂[5]。
沿筆尖狀斷口試樣中心線縱向剖開,制成試樣, 觀察發現試樣心部存在馬氏體組織(見圖12)和網 狀滲碳體(見圖13)。
盤條心部馬氏體組織屬于高碳馬氏體,相對于 基體的索氏體組織,其強度和硬度高,延塑性低。在 隨后的冷拔過程中,不協調的形變導致馬氏體區域 出現孔隙和裂紋,并最終發生筆尖狀斷裂。
試樣中心部位的網狀滲碳體是高碳盤條中的有 害組織。其為一種硬而脆的組織。在冷拔過程中, 由于網狀滲碳體的束縛,晶粒變形小,在盤條拉拔時,該處產生應力集中,形成孔隙和裂紋,最終導致 盤條斷裂。
盤條心部存在成分偏析、脆性馬氏體及網狀滲 碳體等是形成筆尖狀斷口的主要原因。
1.2.4 斜狀斷口
在斜狀斷口及附近密集分布橫裂紋部位取樣, 經超聲波清洗后,在掃描電鏡下觀察,斷口裂紋源部 位為解理形貌(見圖14)。對橫裂紋試樣的表面形 貌進行觀察,橫裂紋內存在大量 “疑似夾雜物”(見 圖15)。對試樣橫裂紋內的“疑似夾雜物”進行能譜 分析,可知其成分主要為氧、鋅、磷、鈣、鐵元素等(見 圖16)。該夾雜物成分與盤條拉拔過程中使用潤滑 粉的成分相近,說明試樣橫裂紋內存在的夾雜物是 拉拔用的潤滑粉,而非原材料中的夾雜物。
將橫裂紋試樣沿中心縱向剖開,發現試樣表面 有一層白亮帶,白亮帶的厚度約為0.25mm,橫裂紋 分布在白亮帶上(見圖17)。用顯微硬度計對試樣組 織 進 行 硬 度 測 定,白 亮 帶 處 的 組 織 硬 度 為 590HV,基體組織硬度為320HV(見圖18)?？梢? 馬氏體組織的顯微硬度要明顯高于正常部位的索氏 體組織。該試樣橫裂紋是由表面形成的異常馬氏體 組織造成的。
2 綜合分析
小白點狀斷口試樣白點處的準解理斷裂原因是 白點中心存在夾雜物形成的微裂紋,試樣在拉伸過 程中,微裂紋周圍的氫分子向白點中心聚集。白點 外圍的黑灰色圓斑纖維區屬于韌性斷裂,主要是氫 分子向白點區域擴散,導致該區域的氫元素含量降 低,該區域為韌性斷裂,其擴展區屬于準解理斷裂, 這是因為該區域的氫分子還沒有完全擴散。這種 “魚眼”狀小白點缺陷是在拉伸斷口上見到的,當產品 經過低溫去氫處理或放置一段時間后,線材中的氫會 慢慢擴散移出,后續進行拉伸試驗時,斷口上不會出 現或少量出現“魚眼狀”缺陷,塑性指標會明顯提高。
刮傷斷口主要是盤條表面受外力刮傷造成的。 這些刮傷都會對盤條表面造成機械損傷,進而造成 應力集中,形成裂紋源。一般在拉拔的矯直工序或 第一道次拉拔就會出現斷裂。
筆尖狀斷口主要是盤條中心存在心部成分偏析、脆性馬氏體、網狀滲碳體等因素造成的。YL82B 鋼屬于過共析高碳鋼,鑄坯中心極易產生嚴重的中 心偏析,高速線材在軋線風冷輥道冷卻時,如冷卻速 度較快,易形成心部馬氏體和細片狀屈氏體組織,冷 卻較慢時又易形成網狀滲碳體。軋制高碳鋼線材 時,控制風冷輥道的風冷速度是非常關鍵的。
斜狀斷口大多是由拉拔過程中鋼絲表面的橫向 缺陷引起的,鋼絲表面密集分布的橫裂紋部位常會 存在一層白亮的馬氏體組織帶。這種組織主要是由 盤條的不圓度超標或耳子造成的,不圓度超標或帶 有耳子的盤條在拉拔時,長軸方向變形較大,在經受 強力摩擦時,鋼絲表面產生馬氏體硬化層,該硬化層 脆性較大,延塑性極差,在隨后的拉拔和卷曲過程 中,較硬的表層比其他部位難于變形,這種不協調變 形導致鋼絲表面產生小裂紋,當小裂紋擴展至一定 深度時鋼絲就會斷裂。
3 結論及建議
YL82B熱軋盤條在線拉伸或拉拔鋼絲過程中 發生斷裂的原因主要是成分嚴重偏析、鋼中存在異 常組織、氫元素含量高、軋后冷卻速度控制不當、線 材不圓度超標、線材表面耳子和結疤,吊裝運輸過程 刮傷等。
建議在生產 YL82B熱軋盤條時,重點關注過熱 度控制、窄成分控制、原輔料受潮狀況及耐火材料進 入鋼液等問題。軋鋼要重點關注高線軋后風冷輥道 冷卻速度控制,線材表面質量控制,打包機壓力以及 下線、倒垛、裝車運輸過程的全程防護,同時盤條在 酸洗、吊運、焊接時,應盡量避免產生冷刮傷現象。
參考文獻:
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[3] 劉瑩,田慶榮,陳國慶,等.淺析 SWRH82B盤條拉拔 斷口典型形貌及特征[J].天津冶金,2011(4):61-63.
[4] 田鵬,王全利,賈元海,等.影響鋼絞線拉拔性能因素 的探討[J].河北冶金,2014,224(8):24-28.
[5] 龔桂仙,陳士華,浦紹康,等.鋼鐵產品缺陷與失效實 例分析圖譜[M].北京:冶金工業出版社,2019.