YL82B盤條黑心白點斷口的形成原因

馮紫萱

(陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司, 漢中 724200)

YL82B盤條作為制造高強度、低松弛預應力混凝土結構用鋼絲和鋼絞線的主要材料，具有均勻的顯微組織、較高的索氏體化率、良好的力學性能和深加工性能等[1-3]，被廣泛用于國家基礎設施中。某企業生產的φ12.5 mm的YL82B盤條，經過自然時效20 d后進行拉伸試驗，出現黑心白點脆性平齊斷口，斷面收縮率不合格。為找出該YL82B盤條拉伸試驗后出現黑心白點平齊斷口的原因，對其進行了一系列檢驗和分析，以期提高產品質量。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

采用直讀光譜儀對YL82B黑心白點平齊斷口試樣進行化學成分分析，結果見表1，可見其化學成分均滿足內控標準。

表1 黑心白點斷口試樣的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the samples with black center and white spot fracture (mass fraction) %

1.2 金相檢驗

對YL82B黑心白點平齊斷口試樣進行金相檢驗和非金屬夾雜物分析，結果見表2。可見3組試樣的索氏體含量均滿足內控標準(≥85%(面積分數))要求，但網狀滲碳體級別均大于內控標準最高限(≤2級)，1號和2號試樣存在中心馬氏體1.0級，符合要求(≤2級)。另外，在這3組試樣中均沒有發現明顯脫碳層，而且這3組試樣晶粒度都是7.0級。

縱截面非金屬夾雜物結果見表2，可見盤條內主要存在的都是C類(硅酸鹽類)夾雜物[4]，其中3號試樣存在超長硅酸鹽類夾雜物。

表2 黑心白點斷口試樣的金相檢驗結果Tab.2 Metallographic examination results of the samples with black center and white spot fracture

較高的索氏體含量使YL82B盤條具有良好的綜合力學性能，但網狀滲碳體和馬氏體屬于脆性組織，對于盤條鋼而言是一種缺陷組織。2號試樣的網狀滲碳體及馬氏體組織形貌如圖1和圖2所示。網狀滲碳體具有分割晶粒、消弱晶粒與晶粒之間結合力的作用，在拉伸試驗中，脆性的網狀滲碳體處易形成裂紋并擴展，使YL82B盤條塑性下降并發生脆斷[5]。馬氏體是一種硬而脆的組織，也會使鋼的塑性顯著降低，雖然1號和2號試樣的馬氏體級別不高，但在拉伸試驗的過程中馬氏體對脆斷的發生起著助推作用。網狀滲碳體和馬氏體的產生都與中心成分偏析和軋制控制冷卻有關，因此，可以通過降低連鑄坯中心成分偏析和控制軋制的吐絲溫度和冷卻速度，減少網狀滲碳體和馬氏體的形成[6-7]。

圖1 2號試樣的網狀滲碳體微觀形貌Fig.1 Micro morphology of reticular cementite of sample 2

圖2 2號試樣的馬氏體微觀形貌Fig.2 Micro morphology of martensite of sample 2

3號試樣的網狀滲碳體和非金屬夾雜物(硅酸鹽類)級別較大，在YL82B盤條拉伸試驗過程中，3號試樣的網狀滲碳體和非金屬夾雜物起協同作用，造成了試樣的脆斷。

1.3 斷口分析

1.3.1 斷口宏觀分析

這3組YL82B盤條黑心白點平齊斷口試樣的宏觀形貌如圖3所示，可見斷口都沒有明顯縮頸，黑色纖維區較小，在纖維區中央都有一白點，放射區占斷口較大面積，剪切唇較薄。一般情況下纖維區都位于斷口的中央，但1號試樣黑色纖維區接近邊緣，結合下面的能譜分析結果，筆者認為造成這種現象的主要原因是該處存在大顆粒狀夾雜物，導致拉伸試驗過程中裂紋從該處產生。2號、3號試樣黑色纖維區基本上都在中央，但可以看出圖3從左到右黑色纖維區逐漸稍有增大，而纖維區越大說明塑性越好。

圖3 黑心白點試樣斷口的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the samples with black center and white spot fracture:a) sample 1; b) sample 2; c) sample 3

1.3.2 斷口微觀形貌及能譜分析

用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對3組斷口進行分析，結果見表3，可知1號和2號試樣都在白點處發現了顆粒狀夾雜物。圖4是1號試樣白點處夾雜物的能譜分析位置，表4是1號試樣白點處夾雜物的能譜分析結果。可見1號和2號試樣斷口夾雜物均為鋁鈣復合型硅酸鹽類夾雜物，3號試樣斷口白點處未發現顆粒狀夾雜物。

表3 黑心白點試樣斷口的分析結果Tab.3 Analysis results of the samples with black center and white spot fracture

圖4 1號試樣斷口中心夾雜物的EDS分析位置Fig.4 EDS analysis position of the inclusion in fracture center of sample 1

表4 1號試樣斷口中心夾雜物的EDS分析結果(質量分數)Tab.4 EDS analysis results of the inclusion in fracture center of sample 1 (mass fraction) %

2 分析與討論

大顆粒夾雜物有可能是卷入熔渣造成的，而夾雜物與鋼基體結合不緊密，產生內應力，在拉伸試驗過程中裂紋首先在夾雜物與鋼基體的周圍形成，并導致盤條脆斷[6]。雖然1號試樣斷口和2號試樣斷口都發現有顆粒狀夾雜物，但1號試樣斷口和2號試樣斷口的夾雜物對脆斷的貢獻有所不同，顆粒狀夾雜物對2號試樣的脆斷起輔助作用，而顆粒狀夾雜物對1號試樣的脆斷起主要作用，因為如果是心部的網狀滲碳體和馬氏體起主要作用，那么斷裂源應該在中心部位。另外，除了這3組試樣，筆者還對其他的類似斷口試樣進行了掃描電鏡觀察和能譜分析，認為如果斷口的黑心和白點出現在邊緣部位，那么發現顆粒狀夾雜物的概率要大于在心部黑心和白點處的。

3號試樣白點處并沒有發現夾雜物，這說明黑心白點斷口的白點處并不一定有顆粒狀夾雜物，之所以會形成白點，這與4.0級的網狀滲碳體有關。在拉伸試驗的過程中，裂紋首先會在網狀滲碳體與基體交界處形成，試樣雖然經過了20 d自然時效但仍然存在部分應力，在這部分的應力作用下，裂紋會快速擴展，致使這一區域較為平坦，反光能力強，顯示為亮白色，等內部應力釋放后又會遵循正常的拉伸試驗斷裂程序，呈現纖維區，然后放射區再到剪切唇[8]。

3 結論及建議

YL82B盤條黑心白點平齊斷口形成的主要原因是試樣中心存在網狀滲碳體或馬氏體，部分存在大顆粒狀夾雜物。這些網狀滲碳體、馬氏體或大顆粒夾雜物是導致斷面收縮率不合格的主要原因。

建議在盤條鋼的冶煉過程中優化各個階段的工藝參數,使連鑄坯的中心碳偏析指數下降;通過控制穩定連鑄結晶器的液面,優化脫氧工序,采用鋼水吹氬等手段,減少大顆粒夾雜物的形成,從而減少此類質量事故的發生。