30MnSi預應力混凝土用鋼棒延遲斷裂原因

孫善波

(日照鋼鐵控股集團有限公司,日照 276806)

PC鋼棒又稱預應力混凝土用鋼棒,是在20世紀60年代開發的一種技術含量很高的預應力鋼材,具有高強度、高韌性、低松弛性、可焊接性與混凝土握裹力強等特點,廣泛應用于高強預應力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預應力構件中[1]。30MnSi PC鋼棒的生產工藝流程為:放線→機械剝殼→拉拔刻槽→多輥調直→感應加熱淬火→感應加熱回火→收線盤卷。某預應力混凝土用鋼棒在靜置過程中發生了延遲斷裂,筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、金相檢驗等方法對其斷裂原因進行分析,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

從斷裂鋼棒上截取試樣,延遲斷裂試樣宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:PC鋼棒斷口表面呈銀白色,裂紋源和擴展區明顯;試樣1的表面無明顯缺陷,試樣2的裂紋源位置存在結疤缺陷。

圖1 延遲斷裂試樣宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對PC 鋼棒進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:PC鋼棒的化學成分符合GB/T 24587—2009《預應力混凝土鋼棒用熱軋盤條》標準要求。

表1 斷裂PC鋼棒的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡和能譜分析

將試樣1和試樣2的斷口放入超聲清洗器中清洗10 min,然后將試樣置于掃描電鏡下觀察,結果如圖2所示,由圖2可知:兩個試樣斷口的裂紋源均位于表面位置,斷口未見大顆粒夾雜物和夾渣,試樣斷口裂紋源處呈“冰糖”狀沿晶開裂形貌,局部位置呈韌窩形貌。PC 鋼棒斷裂裂紋源處呈脆性斷裂特征。

圖2 試樣1,2斷口的SEM 形貌

在結疤處截取試樣3,將試樣3進行超聲清洗后進行掃描電鏡分析,氧化圓點最大尺寸約10μm,對大顆粒氧化圓點進行能譜分析,發現氧化圓點主要成分為O、Mn、Fe、Si等元素,是典型的高溫氧化產物。

1.4 硬度測試

截取PC鋼棒的橫截面,在鋼棒橫截面半徑上等距的6個位置進行洛氏硬度測試,每個位置測3次,計算每個位置的平均硬度。PC鋼棒橫截面硬度測試位置及硬度變化曲線如圖4所示,由圖4可知,PC鋼棒心部到表面的硬度較均勻,說明截面成分均勻,熱處理工藝得當。

1.5 金相檢驗

1.5.1 縱截面夾雜物微觀形貌

取斷裂PC鋼棒的縱截面,制備金相試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知:試樣中非金屬夾雜物呈球狀,未發現微裂紋,根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》對夾雜物含量進行評級,該夾雜物評為D類細系1.0級。

圖5 斷裂PC鋼棒縱截面夾雜物微觀形貌

1.5.2 橫截面微觀形貌

在靠近斷口位置截取橫截面試樣3,4,將其置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知:試樣3有多處微裂紋,裂紋兩側局部存在脫碳;試樣4有結疤缺陷,結疤上有氧化圓點,結疤處存在脫碳,試樣的基體組織均為回火屈氏體。

圖6 試樣3,4的微觀形貌

1.5.3 PC鋼棒原材料橫截面顯微組織形貌

在鋼棒原材料橫截面截取試樣,并置于光學顯微鏡下觀察,基圓上有多處裂紋,深度約為80～100μm,裂紋周圍有氧化圓點,使用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,裂紋兩側存在明顯脫碳和晶粒粗大現象(見圖7)。

圖7 PC鋼棒原材料橫截面裂紋及其周圍微觀形貌

2 綜合分析

斷裂PC鋼棒的化學成分符合GB/T 24587—2009的要求。斷裂鋼棒中心到表面的硬度較均勻;PC鋼棒試樣的夾雜物含量較低,說明夾雜物不是造成PC鋼棒斷裂的原因。

原材料表面存在裂紋和結疤兩類缺陷。對比斷裂的PC鋼棒和原材料試樣可知,兩者裂紋的形態及深度類似。原材料裂紋中充滿氧化鐵,裂紋內氧化層和內部的氧化原點層之間存在一定關系,裂紋內的氧化層可以保護鋼基體不被氧化。隨著氧化時間的延長,裂紋內氧化層逐漸變厚,當氧化時間延長到一定值時,裂紋內氧化層開始處于亞穩狀態,對鋼基體的保護作用開始減弱,鋼基體中開始出現內氧化原點層,隨著氧化時間的延長,基體內的氧化原點層厚度也會增加[2]。綜合以上判斷,PC鋼棒的細裂紋應來自于原材料。

結疤翹起部分的組織與基體相近,并非氧化鐵皮,結疤位置存在大量的氧化圓點。氧化圓點產生的原因為:在高溫(高于1 000℃)環境下,金屬材料中的Si、Mn元素經過高溫氧化,形成了圓點狀氧化物,即氧化圓點。隨著加熱溫度的升高,保溫時間的延長,氧化圓點的數量也隨之增加。當盤圓出現結疤缺陷時,結疤與基體處于半脫離狀態,空氣將結疤處包圍,結疤位置的氧勢會比其他位置高,在結疤處更容易產生氧化圓點并聚集。因此,當在PC鋼棒結疤周圍觀察到大量氧化圓點時,說明在母材上也存在結疤缺陷。

PC鋼棒發生延遲斷裂的實質是材料、環境、應力相互作用而發生的一種環境脆化現象。斷裂的主要原因是材料的各種內部缺陷,誘因是氫。延遲斷裂理論認為,PC鋼棒處于含有氫氣的氣體和可能生成氫原子的水溶液介質中,這些氫氣通過鋼材表面缺陷等侵入鋼材內部后,使材料發生氫致延遲斷裂。氫致延遲斷裂的形成原理是原子氫在應力梯度的作用下,通過位錯通道、晶粒界面等擴散到裂紋尖端局部區域并高度富集,氫氣富集區域的壓力較大,富集區域的氫濃度達到其臨界值后,裂紋開始形成并擴散,最終導致材料在外應力遠低于斷裂應力時發生延遲斷裂[3]。

收卷盤卷時,在盤卷的外緣形成較高的拉應力,如果PC鋼棒外表面存在微裂紋、結疤等缺陷,則會導致缺陷處應力集中,此時氫會不斷地向高應力處聚集,即向鋼棒缺陷處聚集,最終引起鋼棒的氫脆斷裂。當PC鋼棒的表面存在嚴重缺陷時,在放置過程中不需要氫的聚集腐蝕,PC鋼棒在較小應力的作用下,就有可能發生延遲脆斷。

3 結論和建設

(1)控制鑄坯的拉速,使其保持在2.0～2.1 m/min,拉速波動應控制在不大于0.02 m/min。

(2)設定冷卻區出口鑄坯的目標溫度,采用配水軟件計算各冷卻區的冷卻水量,保證結晶器及二冷段進水溫度在合理范圍。

(3)優化軋制生產過程控制,提高盤條的表面質量,消除表面裂紋、結疤等缺陷,提高出廠盤條的表面質量。

(4)在冬季寒冷氣候條件下,成品盤卷應放置在倉庫內,延長時效時間,降低應力,避免材料發生脆斷。