預應力鋼絲用YL82B熱軋盤條斷裂原因

路 豐, 趙喜慶, 祖義忠

(凌源鋼鐵股份有限公司, 朝陽 122504)

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Axio Imager A2m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。

圖1 小白點狀斷口宏觀形貌

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)。

圖2 盤條表面刮傷宏觀形貌

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]。

圖3 筆尖狀斷口宏觀形貌

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。

圖4 斜劈狀斷口宏觀形貌

圖5 密集分布橫裂紋鋼絲的宏觀形貌

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。

圖6 小白點處夾雜物微觀形貌及其能譜圖

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)。

圖7 小白點狀斷口裂紋源區微觀形貌

圖8 小白點狀斷口擴展區微觀形貌

“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)。

圖9 刮傷斷口裂紋源區和擴展區微觀形貌

圖10 刮傷處橫向細裂紋微觀形貌

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，偏析部位與正常基體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]。

圖11 筆尖狀斷口中心偏析帶微觀形貌

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)。

圖12 筆尖狀斷口中心馬氏體組織微觀形貌

圖13 筆尖狀斷口中心網狀滲碳體組織微觀形貌

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。

圖14 斜狀斷口微觀形貌

圖15 橫裂紋內夾雜物微觀形貌

圖16 橫裂紋夾雜物位置能譜分析

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0.25 mm，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590 HV，基體組織硬度為320 HV(見圖18)。可見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。

圖17 橫裂紋的微觀形貌

圖18 白亮帶處的馬氏體組織微觀形貌

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。