預(yù)應(yīng)力鋼絞線SWRH82B斷裂分析

申麗娟 萬長杰 李國軍 薛佳鵬

(濟(jì)源鋼鐵集團(tuán)有限公司)

0 前言

SWRH82B(以下簡稱82B)是金屬制品行業(yè)生產(chǎn)中高碳產(chǎn)品的主要原料，目前廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)生產(chǎn)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲繩、胎圈鋼絲、石油管線等產(chǎn)品，對82B產(chǎn)品的性能及其均勻性有很高的要求。用戶在使用82B盤條過程中，某些批號(hào)發(fā)生脆斷現(xiàn)象。為此，針對82B盤條脆斷降低金屬制品合格率的問題，對82B盤條筆尖狀斷裂的受力過程、塑性變形、斷口形貌及組織進(jìn)行了分析研究，找出了降低金屬制品合格率的原因，提出了改善82B產(chǎn)品質(zhì)量的具體措施，以達(dá)到改善82B盤條質(zhì)量的目的。下面筆者就82B盤條筆尖狀斷裂的原因分析及改進(jìn)情況做一介紹。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為跟蹤用戶投料生產(chǎn)時(shí)取回，用戶生產(chǎn)過程為：酸洗→磷化→皂化→拉拔→絞線，脆斷現(xiàn)象發(fā)生在拉拔過程和絞線過程中，其化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與分析儀器

試驗(yàn)主要設(shè)備和分析儀器有：ARL3460型直讀光譜儀，蔡司光學(xué)顯微鏡，蔡司掃描電子顯微鏡(SEM)。

表1 試驗(yàn)用82B高碳鋼盤條的化學(xué)成分 w%

1.3 試驗(yàn)方法

在斷裂試樣的斷口附近使用金相切割機(jī)截取金相試樣，將試樣縱向磨平至軸心部，使用蔡司光學(xué)顯微鏡進(jìn)行心部顯微組織分析、使用蔡司掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)行微觀形貌分析、使用能譜分析儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 結(jié)果與討論

為研究82B筆尖狀斷裂的形成原因，進(jìn)行了鋼絲拉拔過程中的受力分析、塑性變形分析、筆尖狀斷口形貌分析和金相分析。

2.1 鋼絲拉拔過程中的受力分析

82B盤條在拉拔過程中主要受以下三種力的影響，即：拉拔力、正壓力、摩擦力。

1)拉拔力。拉拔力主要用于克服鋼絲塑性變形時(shí)的變形抗力和阻力。拉拔力作用于被拉金屬的前端，在拉拔力的作用下，鋼絲在變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力，軸向由于拉拔力的作用，為拉應(yīng)力，徑向和周向由于受到周圍金屬的約束為壓應(yīng)力。因此，在拉拔過程中，鋼絲在變形區(qū)內(nèi)處于一向受拉，兩向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。作用力為拉力，變形時(shí)，金屬處于一向受拉、兩向受壓的應(yīng)力狀態(tài)是拉拔過程的基本力學(xué)特征。

2)正壓力。正壓力是伴隨盤條的拉拔力而產(chǎn)生的，其方向是垂直于拉絲模的模壁，并對鋼絲產(chǎn)生壓縮作用。

3)摩擦力。摩擦力是拉拔時(shí)由于鋼絲在變形帶和定徑帶接觸面上產(chǎn)生的外摩擦而產(chǎn)生的力，是鋼絲和模具間的接觸表面產(chǎn)生相對滑動(dòng)的結(jié)果。摩擦力的方向總是與鋼絲運(yùn)動(dòng)方向相反，且與正壓力方向垂直。

2.2 鋼絲拉拔過程的塑性變形分析

拉拔時(shí)鋼絲在?？字械淖冃螘r(shí)不均勻的，這是由于外摩擦力和模具角度影響的結(jié)果。研究者們采用網(wǎng)格法研究了拉拔過程中金屬的變形分布和流動(dòng)規(guī)律，通過拉拔前后網(wǎng)格的變化來定性的說明金屬在模具中的變形分布及流動(dòng)規(guī)律。

1)軸向變形特點(diǎn)：鋼絲軸線上的變形是軸向拉伸，徑向和周向上壓縮。而其他周邊上的單元變形除了受到軸向拉伸、徑向和周向上壓縮外，還有存在剪切變形。

2)橫截面變形特點(diǎn)：網(wǎng)格的橫截面在拉拔前是直線，進(jìn)入變形區(qū)后開始變成弧形線，凸向鋼絲的拉拔方向，并且弧形線的曲率由入口到出口端面逐漸增大。這種變化表明，在拉拔過程中周邊層的金屬軸向流動(dòng)速度小于中心層。這是由于摩擦力的影響，使得周邊層金屬受到較大的切變形和彎曲變形，外層金屬主要在壓應(yīng)力作用下變形，而中心層則主要在拉應(yīng)力作用下變形，導(dǎo)致外層金屬沿軸向的流動(dòng)速度較中心層金屬要慢，隨著模角的增大和摩擦系數(shù)的增加，這種金屬流動(dòng)速度的不均勻性會(huì)越加明顯。

2.3 筆尖狀斷口分析

82B盤條筆尖狀斷口的宏觀形貌如圖1所示。在SEM下觀察到的筆尖狀斷口形貌較為規(guī)則，為淺韌窩，存在局部塑形變形(如圖2所示)，斷口處比較干凈，沒有發(fā)現(xiàn)夾雜物，從而說明脆斷不是由于夾雜物的存在而引起的。

2.4 金相分析

在Φ6.16 mm斷口處截取金相試樣，縱向磨制拋光后觀察，軸心部存在“V”形微裂紋，“V”字頂端在軸線上，兩側(cè)裂紋與軸心線相交約45°，在裂紋底部則為倒“V”字形，如圖3所示。

材料在拉拔過程中表層金屬變形大，心部金屬變形小，這種變形的不均勻性，將導(dǎo)致鋼絲在中心軸線上逐步形成速度不連續(xù)點(diǎn)。根據(jù)秒流量相等原理，為了保持拉拔過程的穩(wěn)定進(jìn)行，勢必引起金屬的相互牽制，在中心軸線上產(chǎn)生很大的附加拉應(yīng)力。當(dāng)拉拔變形到一定程度，超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，或者是材料某部位存在薄弱環(huán)節(jié)時(shí)，就會(huì)形成中心裂紋。

表層金屬既要沿軸向流動(dòng)，又要向心部流動(dòng)，而且還要受到模孔的摩擦阻礙，因此導(dǎo)致表層金屬沿軸向的流動(dòng)始終滯后于心部。這種金屬的不均勻流動(dòng)而引起的附加應(yīng)力使得中心裂紋逐步呈V形擴(kuò)展，斷裂后呈現(xiàn)出筆尖狀斷口的形貌特征。

鋼絲中心裂紋一旦產(chǎn)生以后，心部和表層金屬的附加應(yīng)力就會(huì)得到松弛，變形達(dá)到新的平衡狀態(tài);當(dāng)不均勻的變形累積到一定程度后，中心區(qū)域又會(huì)形成新的裂紋并呈“V”形擴(kuò)展。理論上，這種裂紋應(yīng)該呈規(guī)則的周期性，但往往被材料內(nèi)在質(zhì)量的波動(dòng)而打亂。

因此，材料內(nèi)部質(zhì)量差是產(chǎn)生中心裂紋的內(nèi)因，軸向拉應(yīng)力和金屬的不均勻變形引起的附加應(yīng)力是拉拔過程中鋼絲心部產(chǎn)生裂紋并呈“V”形擴(kuò)展直至斷裂的推動(dòng)力。因此材料內(nèi)部質(zhì)量差是鋼絲中心裂紋源產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。

將試樣腐蝕后觀察，縱向組織心部存在組織偏析帶，如圖4所示。斷口處心部偏析帶的組織中有馬氏體和網(wǎng)狀碳化物存在，如圖5所示。

為分析筆尖處的元素偏析程度，在筆尖處進(jìn)行了能譜(EDS)分析，筆尖處元素分布如圖6所示，筆尖處元素含量見表2。

圖6 筆尖處EDS分析

表2 筆尖處元素含量 %

由圖6和表2可以看出，筆尖處的碳含量高達(dá)14.17%，Mn含量高達(dá)1.11%，偏析處Mn等合金元素含量較高，合金元素溶解到奧氏體中后，會(huì)增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而使C曲線右移，而且合金元素等碳化物形成元素溶入奧氏體中不但使C曲線右移，而且還會(huì)改變C曲線的形狀。組織分析表明，盤條心部存在網(wǎng)狀碳化物和馬氏體的異常組織。這是由于盤條受到化學(xué)成分偏析的影響，在軋制控冷過程中，由于心部局部增碳，二次滲碳體沿晶界優(yōu)先析出生長為網(wǎng)狀滲碳體;心部合金元素的偏析會(huì)改變軋制冷卻過程中的等溫轉(zhuǎn)變曲線，從而為心部馬氏體的形成創(chuàng)造條件。心部馬氏體硬而脆，幾乎不能變形，網(wǎng)狀滲碳體也屬于典型的硬脆相，在拉拔過程中，這些硬脆相與基體無法保持協(xié)調(diào)變形，從而很容易導(dǎo)致在異常組織和基體交界處形成微裂紋，并沿著與鋼絲軸向呈45°的方向發(fā)生剪切開裂，形成V”形裂紋。

3 改進(jìn)措施

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少筆尖狀斷口的產(chǎn)生，建議從增大索氏體含量比例和降低連鑄過熱度等方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 增大索氏體比例

索氏體和珠光體均屬于片狀珠光體，片狀珠光體的金屬材料的抗拉強(qiáng)度主要取決于珠光體的片間距，索氏體具有更細(xì)的片間距，其綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)高于粗片狀珠光體的綜合力學(xué)性能，在拉拔過程中粗大滲碳體片導(dǎo)致裂紋源的形成和擴(kuò)展符合E.Smith模型，在切應(yīng)力作用下位錯(cuò)源優(yōu)先在珠光體內(nèi)的鐵素體開動(dòng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到滲碳體處受阻而形成塞積，在塞積頭處拉引力的作用下使?jié)B碳體片開裂。根據(jù)碳化物裂紋的擴(kuò)展條件可知，碳化物厚度越大，則裂紋擴(kuò)展所需要的力越低，即其斷裂韌性越低。因此細(xì)化碳化物片層厚度，特別是滲碳體與鐵素體片層厚度之比，即增大索氏體比例，將提高斷裂韌性，改善拉拔性能。

3.2 優(yōu)化生產(chǎn)工藝

在保證鋼水流動(dòng)性的前提下，要盡量降低連鑄過熱度，隨著過熱度的降低，鋼液的凝固所用時(shí)間越少，從而抑制了碳元素的選分結(jié)晶，從而降低碳偏析程度［2］。另外還要合理控制二冷強(qiáng)度和拉坯速度［3］以及選擇合理有效的電磁攪拌方式，從而提高鑄坯的實(shí)物質(zhì)量，減少心部化學(xué)成分偏析;在軋制方面，在保證奧氏體化均勻的前提下，采取低溫軋制，防止表面脫碳，同時(shí)還要盡量降低劃傷、折疊等盤條的表面缺陷。

4 結(jié)論

1)筆尖狀斷裂主要是由于心部存在化學(xué)成分偏析，形成馬氏體、網(wǎng)狀碳化物等硬脆相，在拉拔過程中硬脆相易與基體形成微裂紋。

2)心部碳元素偏析造成心部局部增碳，二次滲碳體沿晶界優(yōu)先析出生長為網(wǎng)狀滲碳體組織。

3)心部合金元素偏析改變軋制冷卻過程中的等溫轉(zhuǎn)變曲線，為心部馬氏體的形成創(chuàng)造條件，形成馬氏體組織。

［1］ 鐘群鵬，趙子華，張崢.斷口學(xué)的發(fā)展及微觀斷裂機(jī)理［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2005，27(3)：358-370.

［2］ 崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：58-59.

［3］ 韓靜，馮軍，陳偉慶.連鑄工藝參數(shù)對高碳鋼小方坯內(nèi)部質(zhì)量的影響.河南冶金，2005，13(1)：11-13.