優質預應力鋼絞線拉拔斷裂因素分析

1.概述

凌鋼公司高線機組生產的YL82B鋼熱軋盤條，用戶主要用來冷拔預應力鋼絞線。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有害組織以及表面存在裂紋、折疊、夾雜、耳子、結疤、分層等對使用有害的缺陷，極易造成用戶使用過程中的拉拔斷裂[1]。2015年4月開始，凌鋼陸續生產YL82B硬線鋼，質量一直很穩定，受到用戶普遍好評。但2016年8月份以來，客戶頻繁反映公司盤條質量下降，對用戶的使用造成一定影響。因此，有必要對生產在線檢驗異常試樣和用戶使用過程中出現的拉拔斷裂試樣進行系統分析，為凌鋼預應力鋼絞線用熱軋盤條的質量改進提供依據。

2.試樣

本次檢驗試樣均來自在線拉伸試樣和用戶現場取回的質量異議試樣，運用蔡司EVO-18掃描電鏡、能譜分析儀和蔡司Axio Imager A2m光學顯微鏡對試樣的斷口進行形貌觀察、能譜分析，并對試樣的橫向、縱向的顯微組織進行分析。

3.檢驗結果及分析

根據檢驗試樣的宏觀斷口形貌，將異常試樣斷口分為：平齊狀斷口、筆尖狀斷口、斜茬狀斷口。

3.1 平齊狀斷口

3.1.1 黑心白點斷口

黑心白點斷口常常發生在盤條的在線拉伸試驗試樣上，斷口一般比較光滑，呈平齊狀，試樣頸縮小，斷口上會出現一黑色圓形區域，在黑色區域心部還會有一白點，一般稱其為黑心白點斷口[2]。低倍下觀察，斷口宏觀上呈現出裂紋源區、纖維區、放射區和較小的剪切唇，掃描電鏡下觀察，裂紋源區（白點）屬于準解理斷裂，白點中心存在形狀不規則的大尺寸夾雜物，經能譜分析為含有Mg、Al、Si、Ca復合型夾雜物，懷疑為連鑄過程中包水口蓄流物或耐火材料進入鋼液所致。白點處的準解理斷裂認為是白點中心因夾雜物形成微裂紋，導致裂紋周圍鋼中氫向白點中心聚集進而發生氫脆，產生準解理斷裂。白點外圍的纖維區（黑色圓形區域）屬于韌性斷裂，該區域的基本組織為索氏體組織，由于黑色區域的氫向白點區域擴散，導致黑色區域氫含量降低，電鏡下觀測該區域為韌性斷口。放射區屬于準解理斷裂，主要是該區域氫還沒有完全擴散導致，該區域一般經過兩周時間的時效，氫會基本擴散完成。

3.1.2 擦傷斷口

當盤條表面有擦傷時，用戶拉拔時會出現近平齊狀斷口，這種斷口的裂紋源位于盤條的邊緣，電鏡下觀測盤條表面擦傷部位存在顯微裂紋，顯微裂紋是導致盤條拉拔斷裂的主要原因。盤條表面的擦傷主要是盤條在生產過程中，打包壓力不合適導致的熱態擦傷，以及天車下線、倒垛、裝車運輸過程中造成，用戶在酸洗、吊運、焊接時會造成的冷擦傷。用戶在拉拔過程中一般在第一道次即出現斷裂。

3.2 筆尖狀斷口

線材在拉拔后幾道過程中出現形狀似鉛筆筆尖形狀的斷口，筆尖的尖頭基本位于鋼絲的中心部位，常稱為筆尖狀斷口[3]。對筆尖狀試樣縱向沿中心線剖開制成金相試樣觀察，可以看到沿軸心部位呈斷續分布的“人”字形孔洞，尺寸大小不等。對縱向試樣腐蝕，可以看到試樣縱向心部常存在中心偏析帶、網狀滲碳體、島狀馬氏體等異常組織存在。這些異常組織是造成筆尖狀斷口的根源。YL82B屬于高碳過共析鋼，鑄坯中心極易產生嚴重的中心碳偏析，高速線材在風冷輥道冷卻時，如冷卻較快，易形成心部島狀馬氏體組織，如冷卻較慢，又易形成網狀滲碳體。

3.3 斜茬狀斷口

斜茬狀斷口部位無明顯的頸縮現象，斷面較光滑，有金屬光澤，表現為切應力劈裂，又稱為斜劈狀斷口。這種斷裂大多數是由鋼絲表面缺陷引起的。如鋼絲表面存在間斷性三角狀裂紋或密集分布的橫裂紋等缺陷，當缺陷達到一定深度后，拉拔時極易發生斷絲現象。

對于鋼絲表面的間斷性三角狀裂紋、裂紋處存在硬化相、硬化相塑性較差，在拉拔外力的作用下，不能與基體組織同步變形。首先在硬化相上形成微裂紋，隨著變形的增加，裂紋擴展最終引起斷裂。試樣裂紋處硬化相部位，存在熱影響區并伴隨有殘留的馬氏體相。

分析認為，熱影響區和試樣表面的馬氏體相均，應該是用戶在原料接頭對焊過程中冷卻較快造成的。

對于密集分布的橫裂紋試樣，斷裂起源于橫裂紋部位，微觀下觀察，斷裂源附近為解理斷口特征，觀察橫裂紋試樣的二次電子形貌，橫裂紋內部存在夾雜物，對試樣橫裂紋內的夾雜物做能譜分析，主要是C、O、P、S、Ca、Fe、Zn元素；與用戶盤條拉拔過程中使用潤滑粉的成分相近，沒有觀察到煉鋼使用的保護渣等成分，說明夾雜物是拉拔過程中帶入的。對橫裂紋試樣沿中心縱向剖開，拋光后用4%的硝酸酒精浸蝕，發現試樣表面有一層白亮帶，白亮帶上觀察到馬氏體組織，正常部位組織為索氏體+少量珠光體。

分析認為，該試樣一側的橫裂紋是導致線材斷裂的主要原因。橫裂紋是由表面馬氏體硬化層造成的，線材的斷裂是用戶拉拔過程中沒有及時更換拉絲模具造成的。

4.結論

綜上所述，對盤條和鋼絲出現的幾種斷口類型進行歸納分析的建議：

4.1 黑心白點斷口

主要是盤條中氫含量較高，氫脆導致脆性斷裂。當盤條內部存在大顆粒夾雜物時，夾雜物成為主要裂紋源，導致盤條在拉拔時發生脆性斷裂。建議關注煉鋼原輔料受潮狀況及水口蓄流物和耐火材料進入鋼液問題。

4.2 盤條表面的擦傷

主要是盤條在生產過程中的熱態擦傷，以及天車下線、倒垛、裝車運輸過程中和用戶在酸洗、吊運、焊接時造成的冷擦傷。盤條表面擦傷應引起生產廠家和用戶的高度重視。

4.3 鋼絲的筆尖狀斷口

主要是鋼絲中心存在馬氏體、網狀滲碳體、中心偏析、夾雜以及縮孔造成。建議煉鋼應控制過熱度、提高鋼液潔凈度、降低鑄坯中心正偏析、控制高線軋后冷卻速度，可有效避免上述不良組織的產生。

4.4 盤條或鋼絲的斜茬狀斷口

主要是鋼絲存在密集分布橫裂紋或間斷性三角狀裂紋所致。建議用戶在拉拔時應注意拉絲模具的及時更換和對焊接頭時防止焊接接頭的過快冷卻。