重軌坯斷裂原因探討及分析

郭文霞　武艷香

摘要：本文針對某鋼鐵企業(yè)在軋制重軌時，發(fā)現(xiàn)有兩支重軌坯在加熱爐中加熱過程中出現(xiàn)斷裂而提出。通過對這兩支重軌坯取樣，進行了金相及掃描電鏡分析分析。分析結(jié)果得出：重軌坯內(nèi)存在大量的內(nèi)部缺陷是導(dǎo)致其在加熱過程中斷裂的主要原因。重軌坯的澆鑄工藝控制不當是產(chǎn)生大量內(nèi)部缺陷的主要原因。

關(guān)鍵詞：重軌坯；缺陷；裂紋；氧化脫碳

某鋼鐵企業(yè)在軋制250km/h重軌時，發(fā)現(xiàn)有兩支重軌坯在加熱的過程中在加熱爐中斷裂，斷裂位置距一端約1.5m。經(jīng)了解，鋼坯在爐膛中停留約6個小時，爐膛溫度處于正常工作溫度狀態(tài)。從其中一支鋼坯上的斷裂處割取一塊樣坯（包含有斷裂面）進行了宏觀表面檢驗和金相檢驗分析。

1.表面宏觀檢驗

鋼坯的斷口形貌如圖1所示，在鋼坯的側(cè)面有一明顯的分層殼，鋼坯中的裂紋沿著其結(jié)合面擴展，其分層斷裂面較為光滑，且有氧化鐵皮存在。鋼坯的上表面有粗大的橫向裂紋。

將鋼坯剖開表面用20%的硝酸酒精腐蝕，可以觀察到斷口處的氧化脫碳現(xiàn)象不嚴重，但是在鋼坯表面有裂紋的部位有著較為嚴重的氧化脫碳現(xiàn)象，有一些從斷裂面向內(nèi)部橫向延伸的粗大裂紋卻沒有氧化脫碳現(xiàn)象。沒有缺陷的鋼坯表面氧化脫碳現(xiàn)象輕微（約1mm），在剖開面上發(fā)現(xiàn)有一個較大的孔洞（如圖2所示）。

在鋼坯的兩側(cè)面及中心部位分別取試樣進行了金相制樣，經(jīng)5%硝酸酒精溶液腐蝕后，可以看到鋼坯內(nèi)部有較大的孔洞缺陷存在，與外界相通的缺陷在加熱的過程中產(chǎn)生嚴重的氧化脫碳現(xiàn)象，而沒有與外界連通的則沒有氧化脫碳現(xiàn)象；鋼坯表面有缺陷存在的部位，氧化脫碳要嚴重一些；斷口處的氧化脫碳也不是很嚴重，無缺陷一側(cè)的角部則無明顯氧化脫碳，組織正常。

2.金相檢驗

2.1 金相高倍觀察結(jié)果：

高倍觀察以上試樣，鋼坯內(nèi)部有許多沿晶裂紋，斷裂面附近的裂紋較為粗大，其中還有空洞存在，在鋼坯邊緣有缺陷存在的區(qū)域，粗大的裂紋周圍有明顯的氧化帶，說明氧化脫碳現(xiàn)象嚴重。

外表面沒有缺陷鋼坯邊緣處的氧化脫碳現(xiàn)象輕微，但是存在許多微小的沿晶裂紋；與外部相通的裂紋有氧化脫碳，而內(nèi)部的裂紋則沒有脫碳現(xiàn)象。在鋼坯的上表面的兩側(cè)棱角處發(fā)現(xiàn)的有凸起鼓包的金相觀察可以看出，氧化脫碳現(xiàn)象較為嚴重，內(nèi)部的沿晶裂紋也較為粗大；部分晶界可看到有沿晶界分布的硅、錳氧化物或硅氧化物存在（如圖3所示）。鋼坯內(nèi)部有許多粗大的、無氧化脫碳的裂紋存在。存在缺陷的鋼坯邊緣的基體組織中發(fā)現(xiàn)有少量的魏氏組織存在（如圖4所示）。

2.2 夾雜掃描電鏡能譜分析：

對鋼坯晶界內(nèi)夾雜物進行了掃描電鏡觀察和能譜成份分析，主要為硅、錳氧化物或硅氧化物（如圖5所示）。

3.結(jié)果分析

由宏觀及金相檢驗可以看出，鋼坯中存在較多、較嚴重的表面及內(nèi)部缺陷，尤其是內(nèi)部孔洞及各類沿晶裂紋的存在。當鋼坯在正常的工作溫度加熱過程中，表面會發(fā)生均勻的氧化脫碳現(xiàn)象，但是當鋼坯表面存在缺陷時，有缺陷存在部位的氧化脫碳會加重，當鋼坯內(nèi)部（邊部附近）的晶粒內(nèi)有孔洞存在時，由于孔洞的存在，加快了碳在鋼中的擴散速度，導(dǎo)致脫碳現(xiàn)象會優(yōu)先在這些孔洞周圍發(fā)生；同理，晶界也是優(yōu)先發(fā)生氧化脫碳的部位。

由圖6～7可以看出，這些孔洞的周邊是比較光滑的，且無氧化脫碳現(xiàn)象，由此推斷一部分鋼坯內(nèi)部孔洞的產(chǎn)生可能與鋼中的氣泡有關(guān)。當鋼坯內(nèi)部出現(xiàn)較大的孔洞時，導(dǎo)致其致密度降低，加快了裂紋的擴展速率；而這些基體中的孔洞又會成為裂紋源，在基體中產(chǎn)生新的裂紋，這樣就加快了鋼坯斷裂的速度。

由圖4可以看出，當鋼坯表面有裂紋等缺陷存在時，容易導(dǎo)致該區(qū)域在正常的工作溫度下產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，生成魏氏組織，并有較嚴重的氧化脫碳現(xiàn)象發(fā)生，這可能與裂紋等缺陷的存在增加了基體的過熱度有關(guān)。

鋼坯內(nèi)部產(chǎn)生的大量的沿晶裂紋與連鑄坯的澆鑄工藝不當控制有關(guān)。在連鑄的過程中，坯中的鋼液在冷卻的過程中會發(fā)生收縮。當激冷層的殼形成后，如果連鑄坯的澆鑄工藝控制不當，將導(dǎo)致鋼坯內(nèi)的枝晶間隙不能較好的得到鋼液的補充而產(chǎn)生微小的空洞和裂紋，這些缺陷在鋼坯的棱角部位及邊部尤為集中。更有甚者，當鋼液的收縮程度較大時，由于應(yīng)力的作用會造成部分激冷層的“殼”與基體分層。鋼中的夾雜物也易于在枝晶間集中。這些缺陷的存在破壞了基體的延續(xù)性，另外在鋼坯的加熱過程中這些缺陷會出現(xiàn)加重的傾向，微小的裂紋會擴展成較大的裂紋，而這些較大的裂紋反過來又加速了鋼的氧化脫碳現(xiàn)象。重軌坯屬于高碳鋼，抗變形的能力較強，當內(nèi)應(yīng)力增大時，基體不會因此而發(fā)生塑變以消除或減小內(nèi)應(yīng)力，只能是以裂紋擴展的方式來釋放內(nèi)應(yīng)力。當內(nèi)應(yīng)力非常大時，導(dǎo)致裂紋的快速擴展，形成穿晶裂紋。

由于鋼坯中存在著較多且較大的孔洞以及大量的、微小的沿晶裂紋時，破壞了鋼坯基體的完整性，而且這些孔洞又作為裂紋源產(chǎn)生新的裂紋，這樣就大大縮短了裂紋擴展的距離，使得鋼坯在加熱的過程中，當不斷增大的內(nèi)應(yīng)力超過鋼坯本身最薄弱部位的基體強度時將導(dǎo)致其斷裂。

4.結(jié)論

4.1重軌坯內(nèi)存在大量的內(nèi)部缺陷是導(dǎo)致其在加熱過程中斷裂的主要原因。

4.2重軌坯的澆鑄工藝控制不當是產(chǎn)生大量內(nèi)部缺陷的主要原因。