YL82B盤條黑心白點(diǎn)斷口的形成原因

馮紫萱

(陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司, 漢中 724200)

YL82B盤條作為制造高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)性能和深加工性能等[1-3]，被廣泛用于國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施中。某企業(yè)生產(chǎn)的φ12.5 mm的YL82B盤條，經(jīng)過自然時(shí)效20 d后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，出現(xiàn)黑心白點(diǎn)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(yàn)后出現(xiàn)黑心白點(diǎn)平齊斷口的原因，對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)YL82B黑心白點(diǎn)平齊斷口試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見其化學(xué)成分均滿足內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。

表1 黑心白點(diǎn)斷口試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the samples with black center and white spot fracture (mass fraction) %

1.2 金相檢驗(yàn)

對(duì)YL82B黑心白點(diǎn)平齊斷口試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)和非金屬夾雜物分析，結(jié)果見表2。可見3組試樣的索氏體含量均滿足內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(≥85%(面積分?jǐn)?shù)))要求，但網(wǎng)狀滲碳體級(jí)別均大于內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)最高限(≤2級(jí))，1號(hào)和2號(hào)試樣存在中心馬氏體1.0級(jí)，符合要求(≤2級(jí))。另外，在這3組試樣中均沒有發(fā)現(xiàn)明顯脫碳層，而且這3組試樣晶粒度都是7.0級(jí)。

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

表2 黑心白點(diǎn)斷口試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)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(xué)性能，但網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體屬于脆性組織，對(duì)于盤條鋼而言是一種缺陷組織。2號(hào)試樣的網(wǎng)狀滲碳體及馬氏體組織形貌如圖1和圖2所示。網(wǎng)狀滲碳體具有分割晶粒、消弱晶粒與晶粒之間結(jié)合力的作用，在拉伸試驗(yàn)中，脆性的網(wǎng)狀滲碳體處易形成裂紋并擴(kuò)展，使YL82B盤條塑性下降并發(fā)生脆斷[5]。馬氏體是一種硬而脆的組織，也會(huì)使鋼的塑性顯著降低，雖然1號(hào)和2號(hào)試樣的馬氏體級(jí)別不高，但在拉伸試驗(yàn)的過程中馬氏體對(duì)脆斷的發(fā)生起著助推作用。網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體的產(chǎn)生都與中心成分偏析和軋制控制冷卻有關(guān)，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(wǎng)狀滲碳體和馬氏體的形成[6-7]。

圖1 2號(hào)試樣的網(wǎng)狀滲碳體微觀形貌Fig.1 Micro morphology of reticular cementite of sample 2

圖2 2號(hào)試樣的馬氏體微觀形貌Fig.2 Micro morphology of martensite of sample 2

3號(hào)試樣的網(wǎng)狀滲碳體和非金屬夾雜物(硅酸鹽類)級(jí)別較大，在YL82B盤條拉伸試驗(yàn)過程中，3號(hào)試樣的網(wǎng)狀滲碳體和非金屬夾雜物起協(xié)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(diǎn)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(qū)較小，在纖維區(qū)中央都有一白點(diǎn)，放射區(qū)占斷口較大面積，剪切唇較薄。一般情況下纖維區(qū)都位于斷口的中央，但1號(hào)試樣黑色纖維區(qū)接近邊緣，結(jié)合下面的能譜分析結(jié)果，筆者認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的主要原因是該處存在大顆粒狀?yuàn)A雜物，導(dǎo)致拉伸試驗(yàn)過程中裂紋從該處產(chǎn)生。2號(hào)、3號(hào)試樣黑色纖維區(qū)基本上都在中央，但可以看出圖3從左到右黑色纖維區(qū)逐漸稍有增大，而纖維區(qū)越大說明塑性越好。

圖3 黑心白點(diǎn)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(duì)3組斷口進(jìn)行分析，結(jié)果見表3，可知1號(hào)和2號(hào)試樣都在白點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)了顆粒狀?yuàn)A雜物。圖4是1號(hào)試樣白點(diǎn)處夾雜物的能譜分析位置，表4是1號(hào)試樣白點(diǎn)處夾雜物的能譜分析結(jié)果。可見1號(hào)和2號(hào)試樣斷口夾雜物均為鋁鈣復(fù)合型硅酸鹽類夾雜物，3號(hào)試樣斷口白點(diǎn)處未發(fā)現(xiàn)顆粒狀?yuàn)A雜物。

表3 黑心白點(diǎn)試樣斷口的分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of the samples with black center and white spot fracture

圖4 1號(hào)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(hào)試樣斷口中心夾雜物的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(jié)合不緊密，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在拉伸試驗(yàn)過程中裂紋首先在夾雜物與鋼基體的周圍形成，并導(dǎo)致盤條脆斷[6]。雖然1號(hào)試樣斷口和2號(hào)試樣斷口都發(fā)現(xiàn)有顆粒狀?yuàn)A雜物，但1號(hào)試樣斷口和2號(hào)試樣斷口的夾雜物對(duì)脆斷的貢獻(xiàn)有所不同，顆粒狀?yuàn)A雜物對(duì)2號(hào)試樣的脆斷起輔助作用，而顆粒狀?yuàn)A雜物對(duì)1號(hào)試樣的脆斷起主要作用，因?yàn)槿绻切牟康木W(wǎng)狀滲碳體和馬氏體起主要作用，那么斷裂源應(yīng)該在中心部位。另外，除了這3組試樣，筆者還對(duì)其他的類似斷口試樣進(jìn)行了掃描電鏡觀察和能譜分析，認(rèn)為如果斷口的黑心和白點(diǎn)出現(xiàn)在邊緣部位，那么發(fā)現(xiàn)顆粒狀?yuàn)A雜物的概率要大于在心部黑心和白點(diǎn)處的。

3號(hào)試樣白點(diǎn)處并沒有發(fā)現(xiàn)夾雜物，這說明黑心白點(diǎn)斷口的白點(diǎn)處并不一定有顆粒狀?yuàn)A雜物，之所以會(huì)形成白點(diǎn)，這與4.0級(jí)的網(wǎng)狀滲碳體有關(guān)。在拉伸試驗(yàn)的過程中，裂紋首先會(huì)在網(wǎng)狀滲碳體與基體交界處形成，試樣雖然經(jīng)過了20 d自然時(shí)效但仍然存在部分應(yīng)力，在這部分的應(yīng)力作用下，裂紋會(huì)快速擴(kuò)展，致使這一區(qū)域較為平坦，反光能力強(qiáng)，顯示為亮白色，等內(nèi)部應(yīng)力釋放后又會(huì)遵循正常的拉伸試驗(yàn)斷裂程序，呈現(xiàn)纖維區(qū)，然后放射區(qū)再到剪切唇[8]。

3 結(jié)論及建議

YL82B盤條黑心白點(diǎn)平齊斷口形成的主要原因是試樣中心存在網(wǎng)狀滲碳體或馬氏體，部分存在大顆粒狀?yuàn)A雜物。這些網(wǎng)狀滲碳體、馬氏體或大顆粒夾雜物是導(dǎo)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(yōu)化各個(gè)階段的工藝參數(shù),使連鑄坯的中心碳偏析指數(shù)下降;通過控制穩(wěn)定連鑄結(jié)晶器的液面,優(yōu)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(zhì)量事故的發(fā)生。