82B鋼線材開卷斷裂分析

覃之光

（武鋼研究院 湖北 武漢：430080）

82B鋼線材開卷斷裂分析

覃之光

（武鋼研究院 湖北 武漢：430080）

通過對82B高碳鋼線材開卷斷裂的斷口形貌觀察及金相組織分析，認(rèn)為線材開卷斷裂是由于線材中心馬氏體的轉(zhuǎn)變與表面損傷共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致線材表面承受拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力可促使線材表面形變馬氏體產(chǎn)生的微裂紋迅速擴(kuò)展，直至斷絲。防止開卷斷裂就需要從控制中心馬氏體及表面損傷等兩方面采取措施。

82B；線材；開卷斷裂；馬氏體相變

0 引 言

高碳鋼82B線材作為預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線以及鋼絲繩等金屬制品的原料，需經(jīng)過連續(xù)冷拉加工，其加工工藝和用途決定了其對原料（線材）的外形尺寸、表面缺陷、化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能［1］等均有較高的要求。

武鋼股份公司條材總廠生產(chǎn)的82B線材累計已達(dá)到100萬噸以上，經(jīng)過持續(xù)的設(shè)備改造及技術(shù)改進(jìn)，該鋼種的出廠性能指標(biāo)得到了顯著提高，實現(xiàn)了批量、穩(wěn)定生產(chǎn)。但不久前生產(chǎn)的一批線材在冷拉加工過程中斷絲嚴(yán)重，一部分線材在粗拉經(jīng)過第一、第二道模具時斷絲，一部分線材開卷后尚未進(jìn)入第一道模具就斷絲，甚至有個別盤卷存在自然斷裂。

1 試樣宏觀形貌

從斷裂試樣中選取4件典型試樣進(jìn)行金相分析，原始盤條直徑為13.0mm，1＃和2＃為開卷斷裂樣，3＃為經(jīng)過第二道拉拔斷裂樣，4＃為自然斷裂樣。宏觀檢查4件斷口試樣均為斜狀形貌，其中，1＃樣、2＃樣、3＃樣靠近斷口的表面均有機(jī)械損傷痕跡缺陷，斷裂源均起于機(jī)械損傷痕處，見圖1、圖2、圖3箭頭所示部位。4＃樣箭頭所示部位的表面有一處縱向黑條帶痕跡，見圖4。

圖4 4＃樣斷口宏觀形貌

2 顯微分析

2.1 缺陷微觀特征

分別在4件斷口試樣取縱、橫截面金相樣進(jìn)行顯微觀察，除1＃樣、4＃樣縱截面上未觀察到裂紋外，2＃樣、3＃樣縱截面上均可觀察到裂紋，但開卷斷裂的2＃樣裂紋與拉拔方向呈銳角，而拉拔斷裂的3＃樣裂紋與拉拔方向接近直角，兩件試樣裂紋內(nèi)及裂紋附近未觀察到顆粒狀氧化產(chǎn)物和異常夾雜物聚集，見圖5～圖6。

2.2 金相組織分析

4件試樣經(jīng)3%硝酸酒精試劑浸蝕后，在金相顯微鏡下觀察，1＃樣、2＃樣、3＃樣組織均為索氏體＋珠光體，中心區(qū)域有馬氏體組織條帶，靠近斷口縱截面的表層均有冷形變的硬化層組織，見圖7～圖11，其中，開卷斷裂的1＃樣、2＃樣中心馬氏體組織條帶明顯寬于拉拔斷裂的3＃試樣。4＃樣試樣未觀察到明顯缺陷，但鋼中氧化物夾雜達(dá)到B2.5級，鋼中組織為索氏體＋珠光體，中心部位有馬氏體組織存在，級別為2.5級，見圖12。

2.3 小結(jié)

檢驗的斷裂盤條均存在中心馬氏體及表面冷形變的硬化層組織，表明該批盤條拉拔斷裂與盤條中心馬氏體和表面機(jī)械損傷有關(guān)。

3 分析與討論

3.1 斷裂原因分析

正常82B鋼在冷速2℃／s～5℃／s時，鋼中組織為索氏體＋珠光體，當(dāng)鑄坯中心碳偏析指數(shù)提高到1.12時，冷速5℃／s就開始產(chǎn)生馬氏體和殘余奧氏體，碳偏析指數(shù)進(jìn)一步提高到1.41，冷速1℃／s就開始產(chǎn)生馬氏體和殘余奧氏體，表明鑄坯碳偏析越嚴(yán)重，鋼的CCT曲線越右移，淬透性越大，相同軋后冷卻條件下生產(chǎn)的線材，偏析嚴(yán)重的鋼越容易形成馬氏體和殘余奧氏體［2］。

3.1.1 開卷斷裂原因分析

試樣斷口起始部位沿盤條表面縱向均存在局部缺陷，其中兩件甩斷試樣可觀察到連續(xù)的橫裂紋，金相顯微觀察，裂紋附近無氧化現(xiàn)象，有冷形變組織，據(jù)此分析，盤條表面裂紋是在相變結(jié)束后產(chǎn)生，因兩件甩斷試樣有冷形變組織，盤條必定是受到了局部碰撞，導(dǎo)致盤條表面局部快速升溫到700℃或更高，當(dāng)與鋼絲基體進(jìn)行熱傳導(dǎo)時能形成很高的溫度梯度，這為馬氏體相變提供了必須的過冷度，同時鋼絲表面已奧氏體化的區(qū)域在應(yīng)力作用下也會誘發(fā)馬氏體相變［3］，表面產(chǎn)生形變馬氏體等硬化層組織，并形成微裂紋，見圖13～14。因線材表面發(fā)生馬氏體相變后，線材中心的殘余奧氏體在相變應(yīng)力作用下，也會向馬氏體轉(zhuǎn)變，因馬氏體體積增加大于珠光體體積增加，馬氏體轉(zhuǎn)變使線材基體中的珠光體承受壓應(yīng)力，線材表面承受拉應(yīng)力，見X射線應(yīng)力測試結(jié)果（表1）。當(dāng)殘余奧氏體含量高時，因拉應(yīng)力足夠，線材表面微裂紋迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致自然斷裂，如4＃樣。當(dāng)殘余奧氏體含量低時，雖然相變產(chǎn)生的拉應(yīng)力不高，但線材在放線架上開卷時，線材將承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合應(yīng)力，因受到應(yīng)力牽引，微裂紋迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致開卷斷裂，如1＃、2＃樣。

表1 線材表面X射線應(yīng)力測試平均值

3.1.2 拉拔斷裂原因分析

拉拔斷裂的3＃試樣裂紋附近無氧化現(xiàn)象，有冷形變組織，且斷口附近還觀察到硬化層組織，因該線材中心馬氏體的含量較少，線材表面承受的拉應(yīng)力較低，線材表面微裂紋擴(kuò)展較慢，即使線材在放線架上開卷受到外力牽引時，線材表面微裂紋也未擴(kuò)展斷裂，但在隨后的粗拉變形過程中隨著變形率的增加而斷裂［4］。

3.2 預(yù)防中心馬氏體及表面損傷的措施

綜上所述，線材在拉絲機(jī)上開卷斷裂是由線材中心馬氏體相變及表面損傷產(chǎn)生的形變馬氏體共同作用的結(jié)果，防止開卷斷裂就需要從這兩方面入手。

線材中心馬氏體主要與鋼種的碳當(dāng)量、連鑄中包鋼水過熱度有關(guān)，降低碳當(dāng)量和過熱度，就能減少高碳鋼盤條的中心偏析。降低鋼種設(shè)計中的P、S含量，也能避免馬氏體的產(chǎn)生。這是因為硫和磷可形成低熔點化合物，使C、Mn、Cr等元素集中在這個熔融區(qū)域。在連鑄坯中，硫的偏析常伴隨著錳，這將很大程度上增加鋼材的可硬化性，以至于這些區(qū)域可形成馬氏體。與此相仿，磷也有降低鑄鋼時鋼水凝固點的趨勢。以致其它合金元素如鉻也跟著偏析，這也可促使盤條控冷時形成馬氏體。此外，適當(dāng)降低線材在相變后期的冷卻速度，保證中心偏析區(qū)域的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變充分，也能減少中心馬氏體的產(chǎn)生。

減少線材表面損傷的措施有：1）線材出廠增加簡易包裝；2）線材在生產(chǎn)、儲運過程中應(yīng)防止吊具、鏟車鋼叉、運載車船的鋼鐵部件和盤條產(chǎn)生劇烈摩擦。

4 結(jié) 論

（1）拉拔斷裂、開卷斷裂到自然斷裂試樣分析結(jié)果表明：線材中心馬氏體條帶逐步變寬、含量增多，當(dāng)線材中心馬氏體達(dá)到2.5級時會發(fā)生自然斷裂。

（2）線材開卷斷裂是由于線材中心馬氏體的轉(zhuǎn)變與表面損傷共同作用的結(jié)果，因中心殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體增加的體積大于轉(zhuǎn)變成珠光體增加的體積，導(dǎo)致線材表面承受拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力可促使線材表面形變馬氏體產(chǎn)生的微裂紋迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致自然斷裂，或在開卷、拉拔變形過程中隨著變形率的增加而斷裂。

［1］ 喬德庸，李曼云.高速軋機(jī)線材生產(chǎn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

［2］ 帥習(xí)元.高碳鋼盤條中心偏析的控制［J］.鋼鐵，2006，41（8）：68－72.

［3］ 徐永成.線材制品生產(chǎn)及使用中形變馬氏體的產(chǎn)生與防止［J］.金屬制品，2003，（3）：12－15.

［4］ 巫寶根.80鋼表面損傷對拉拔斷絲的影響［J］.金屬制品，2005，（3）：39－41.

Fracture Analysis on 82BSteel Wire Rod

QIN Zhiguang

By brittle fracture observation of 82Bsteel wire rod and microstructure analysis，it is believed that the cause of fracture upon its opening is the collision on surface.Because the collision tends to increase the local temperature rapidly and deform martensite，it causes a tensile stress on surface.And the tensile stress may expand the little crack to wire breaking.So，the method of avoiding fracture is to prevent the martensite and surface damage.

82B；wire rod；fracture upon opening；martensite transformation

TG115

A

1671－3524（2012）02－0025－04

（責(zé)任編輯：李文英）

2012－04－16

覃之光（1963～），男，教授級高級工程師.E－mail：qinzhiguang＠wisco，cn