SWRH82B鋼盤條拉伸試樣斷口形貌分析①

趙小金， 蘇禎祺， 徐旋旋， 趙 宜

(中天鋼鐵集團有限公司，江蘇 常州 213011)

引 言

SWRH82B高碳鋼(以下簡稱“82B鋼”)盤條是制作高強度預應力鋼絞線的主要原材料。82B鋼盤條在鋼絞線加工過程中要經過多道次冷拔，變形量累計達到60%以上，因此要求82B鋼盤條不僅具有高的抗拉強度，而且要有高的斷面收縮率。大規格82B鋼盤條在熱軋下線時斷面收縮率普遍較低，經過一段時間自然時效后，其數值會升高約10%～15%；即82B鋼盤條存在時效現象，熱軋后自然放置一段時間后斷面收縮率會提高[1]，目前普遍認為這是由于鋼中氣體的析出和相變應力及熱應力釋放的結果[2]。熱軋后的82B鋼盤條經拉伸試驗后，其斷口心部常會出現一圓形黑色區域，通常稱其為黑心；軋制剛下線時，黑心尺寸較小，隨著時效時間的增加，黑心尺寸也逐步增大，直至整個試樣斷口均呈現深灰色。為了深入了解82B鋼盤條拉伸試樣斷口黑心特征的成因，故對82B鋼盤條拉伸試樣斷口形貌特征進行了分析。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

82B鋼熱軋盤條的基本生產工藝流程為：鐵水→混鐵爐→轉爐冶煉→LF爐精煉→連鑄機拉坯→步進式加熱爐加熱→高速線材軋機軋制→吐絲→控冷→檢測→入庫。

試驗所用82B鋼Φ13 mm盤條的化學成分如表1所示。

表1 82B鋼盤條的化學成分/%

1.2 試驗方法

制取82B鋼Φ13 mm盤條生產下線后及自然時效7天、15天、25天后的力學試樣，在同一臺拉伸機上完成拉伸試驗，并記錄試驗結果；同時采用宏觀檢驗、掃描電鏡及能譜儀、金相檢驗等方法對斷口進行分析。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

82B鋼Φ13 mm盤條熱軋下線及自然時效后的力學性能測試結果如表2所示。

由表2可見，82B鋼Φ13 mm盤條在0～25天自然時效過程中，抗拉強度變化較小，而伸長率和斷面收縮率都有增加，其中斷面收縮率變化較大，呈現明顯上升趨勢。在時效初期，塑性值增幅不大，并且波動比較大，有高有低，極不穩定；隨著時效時間的延長，塑性值穩定在某一值以上，如時效15 天以后的斷面收縮率穩定在35%以上。

表2 82B鋼盤條(Φ13 mm)熱軋下線及時效后的力學性能測試結果

2.2 斷口形貌特征分析

2.2.1 熱軋下線

82B鋼盤條熱軋下線后拉伸試樣斷口通常分為三個區域，即纖維區、放射區、剪切唇，簡稱為斷口三要素，如圖1(a)所示。與中、高碳鋼(正火或退火狀態)光圓試樣拉伸試樣斷口形貌相同。

圖1 82B鋼盤條(Φ13 mm)熱軋下線拉伸試樣斷口形貌

1)纖維區

纖維區一般位于斷口中央，也稱塑性變形區，呈粗糙的纖維狀圓形花樣，顏色深灰，也稱為黑心。有時纖維區由許多混亂的纖維頭或一系列細小的圓周棱組成。

在拉伸試驗時，斷裂最先在該區產生。當材料發生塑性變形時，產生縮頸形成三向應力狀態，中心軸向應力隨著縮頸的進展不斷增大，在三向應力作用下，使非金屬夾雜物、滲碳體或其他第二相質點在其與金屬基體界面處產生分離而形成顯微空洞(微孔)，然后空洞長大、聚集形成鋸齒狀的纖維狀斷口[1]。

纖維區微觀特征為大小不一的韌窩，如圖1(b)所示；由于密集的韌窩反光性較差，所以纖維區呈現為深灰色或黑色，在拉伸試樣斷口上形成類似“黑心”形貌。

纖維區為裂紋緩慢擴展區，并伴隨著較大的塑性變形。材料的塑性越好，纖維區面積越大，即“黑心”尺寸及面積越大。

2)放射區

圍繞纖維區的是放射區，呈現放射花樣特征。在放射區內裂紋快速或不穩定擴展，放射棱與裂紋擴展方向一致。放射區的微觀特征呈現解理斷裂或準解理斷裂特征，如圖1(c)所示；因解理小平面并具有較強的反光能力，使放射區的顏色呈灰白色。放射區塑性變形量很小，呈脆性特征。材料塑性越差，則放射區越大；但有時塑性較好的低碳鋼，在受力不均勻時也會產生解理斷裂，形成較大面積的放射區。

3)剪切唇

斷裂的最后階段形成的是剪切唇。剪切唇表面較光滑，與拉伸軸向的夾角約呈45°。剪切唇微觀特征為韌窩，如圖1(d)所示。

4) 小結

因此，根據斷口上纖維區、放射區的比例，就可以粗略地評價82B鋼盤條斷面收縮率的高低。生產上期望82B鋼盤條在熱軋后拉伸試樣斷口中纖維區(即黑心)盡可能大，放射區盡可能小，這樣的斷口形貌才能保證時效后82B鋼盤條的斷面收縮率達到要求。

2.2.2 自然時效后

82B鋼Φ13 mm盤條熱軋下線及經自然時效后的拉伸試樣斷口形貌如圖2所示。剛下線時斷口形貌為黑心纖維區+灰白色放射區+剪切唇，中心部位的黑心較小，放射區較大，剪切唇薄，這時斷面收縮率較小。隨著自然時效時間的延長，中心部位的纖維區不斷擴大，即我們常說的黑心長大，放射區逐漸縮小，剪切唇逐漸增厚，當時效達到25天時，試樣斷口的放射區幾乎消失，纖維區面積擴大到幾乎整個斷面，纖維區和剪切唇相鄰，整個斷口的顏色較黑，形成了全黑色斷口；說明在斷裂過程中，裂紋從試樣中心的纖維區向外擴展時，裂紋源外側的整個區域都有很大的塑性變形，而剪切唇也在該塑性區內形成。顯然，這種情況下塑性較好，變形的約束較小。因此我們也可以講黑心越大，盤條的塑性指標就越好。

圖2 82B鋼盤條(Φ13 mm)熱軋下線及經時效后的拉伸試樣斷口形貌

從上述對自然時效處理前、后斷口形態變化來看，隨著時效時間的延長，心部纖維區不斷擴大，剪切唇逐漸增厚，放射區逐漸縮小，有的試樣放射區甚至消失，這是材料斷面收縮率提高的標志，這與時效過程中的斷面收縮率升高的試驗結果相符，在時效過程中強度變化不大。有研究表明，82B鋼盤條置于室溫下自然時效后，使其緩緩地發生變化，盤條中殘余應力、氣體(氮、氫)等得以消除或減少，從而使斷面收縮率升高[2-5]。

2.3 異常斷口分析

82B鋼盤條在熱軋下線后拉伸試驗時常出現異常斷口，主要有兩類：

(1)拉伸試驗時斷在標點或夾持壓痕處

82B鋼盤條拉伸試驗時常會出現斷在標點處或夾持壓痕處的現象，產生這種斷裂時，斷裂源常在標點處或夾持壓痕處，使斷裂由盤條表面開始，先產生較小面積的塑性變形區，然后裂紋快速擴展直至斷裂，斷口呈脆性平齊形貌，黑心區域(纖維區)也隨之移到斷口邊緣，如圖3所示。這種斷裂方式使得塑性指標有所下降，有時幾乎測量不到斷面收縮率，屬于無效試驗，應重新取樣檢驗。

圖3 82B盤條斷在夾持壓痕處的斷口

(2)拉伸試驗時出現黑心白點的斷口

82B鋼盤條拉伸試驗時有時會出現斷口纖維區中心存在白色小點，稱為黑心白點的斷口。黑心白點區域在斷口上的呈現位置有兩種，一種是出現在斷口的心部，另一種是偏離斷口心部區域，如圖4所示。經掃描電鏡分析，白點區域微觀特征呈現解理斷裂或準解理斷裂特征，黑心區域微觀特征仍呈現韌窩斷裂特征；一般在白點區域心部可發現存在粗大夾雜物，如圖5所示；如果在白點區域心部沒有發現存在粗大夾雜物而是發現有晶體學幾何花樣形貌，則表示白點區心部存在網狀滲碳體，如圖6所示。經過多次檢驗表明，黑心白點區域出現在斷口的心部，則可能是心部存在粗大夾雜物或網狀滲碳體引起的，而黑心白點區域偏離斷口的心部，只能是心部存在粗大夾雜物引起的。

圖4 黑心白點的斷口

圖5 黑心白點斷口的白點區域心部存在粗大夾雜物

圖6 存在網狀滲碳體的白點區域微觀形貌

當82B鋼盤條中心部位存在粗大夾雜物或網狀滲碳體時，由于粗大夾雜物或網狀滲碳體在拉伸試驗時處于應力集中狀態，斷裂最先從粗大夾雜物或網狀滲碳體處發生，然后在內應力作用下裂紋快速擴展，此時斷裂區域呈現解理斷裂特征，斷面比較平坦，反光能力較強，顏色呈灰白色；待局部內應力得到釋放后，又恢復了正常的拉伸斷裂過程，即遵循纖維區、放射區、剪切唇的斷裂過程，故形成了黑心白點的斷口。82B鋼盤條拉伸試樣斷口出現黑心白點形貌需要具備兩個條件:一個是盤條心部存在粗大的夾雜物或網狀滲碳體，另一個是盤條自身存在較大的內應力；二者缺一不可。所以，這種斷口形貌在82B鋼盤條剛下線時的拉伸試驗中可見到，而經自然時效后的拉伸試驗中則較少觀察到。

3 結束語

(1)82B鋼盤條熱軋后拉伸試樣斷口出現的黑心區，實為斷口上的纖維區。剛下線時的拉伸試樣斷口纖維區較小、其斷面收縮率低；隨著自然時效時間的延長，纖維區逐漸增大，斷面收縮率隨之提高。

(2)出現黑心白點的異常斷口原因是由于82B鋼盤條心部存在粗大夾雜物或網狀滲碳體，同時盤條自身存在較大的內應力。