PC鋼棒30MnSi延遲斷裂失效分析及改進(jìn)措施

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司研究院，安徽 蕪湖 241002)

PC鋼棒是一種用30MnSi熱軋盤(pán)條經(jīng)過(guò)矯直、拉拔、刻槽后經(jīng)調(diào)質(zhì)后加工成的預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒，該產(chǎn)品具有抗拔強(qiáng)度高、低松弛、綜合力學(xué)性能優(yōu)、壽命長(zhǎng)且耐彎曲等優(yōu)點(diǎn)，由于外觀具有連續(xù)的螺旋溝槽，產(chǎn)品與混凝土的黏結(jié)性能特別牢固，在保證質(zhì)量的同時(shí)還降低了施工成本縮短工程周期，所以是螺紋鋼和建筑線材的替代產(chǎn)品，市場(chǎng)遠(yuǎn)景尤為廣闊。因此預(yù)應(yīng)力鋼棒是制造預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC管樁)的重要材料[1]。目前已應(yīng)用在鐵路、公路、建筑工地及水利建設(shè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，可以縮短施工工期，降低施工難度，節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境，作為PC鋼棒原料的30MnSi熱軋盤(pán)條，市場(chǎng)應(yīng)用更為廣闊。

1 PC鋼棒延遲斷裂概念及機(jī)理

1.1 PC鋼棒延遲斷裂的概念

PC鋼棒的延遲斷裂是指PC鋼棒成品收卷后，在靜止?fàn)顟B(tài)下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間突然斷裂的一種情況，這種斷裂的形式一般是由于材料內(nèi)應(yīng)力在環(huán)境中釋放過(guò)程中發(fā)生的氫致斷裂，通常稱之為“延遲斷裂”或“滯后斷裂”，其斷裂的特點(diǎn)為脆性斷裂。

1.2 PC鋼棒延遲斷裂形成機(jī)理

氫進(jìn)入鋼材主要分為兩種情況，可分為“內(nèi)氫”和“外氫”。鋼材在冶煉軋制過(guò)程以及客戶的酸洗、調(diào)質(zhì)過(guò)程中有一部分的氫未能完全釋放，在盤(pán)條靜置時(shí)，隨著時(shí)間的延遲，鋼材中的氫逐漸產(chǎn)生作用，并最終造成斷裂的情況，這種延遲斷裂稱為“內(nèi)氫”引起的斷裂。而客戶在加工管樁環(huán)節(jié)的蒸養(yǎng)工序及后續(xù)鐓頭工序墩頭斷裂的現(xiàn)象以及PC鋼棒與混凝土黏結(jié)后，再靜置時(shí)出現(xiàn)的管樁內(nèi)延遲斷裂及墩頭脫落的現(xiàn)象則認(rèn)為是“外氫”的影響[2]。PC棒產(chǎn)生延遲斷裂原因主要是鋼材中存在造成應(yīng)力集中的各種類型的缺陷，比如鋼材表面的裂紋、大顆粒的夾雜物以及脆弱的相變界面，這些缺陷處應(yīng)力集中而引發(fā)斷裂，但氫致斷裂屬于較典型的延遲斷裂類型。

2 生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介

(1)蕪湖新興30MnSi鋼盤(pán)條生產(chǎn)工藝流程:高爐鐵水→120 t BOF→LF精煉→澆鑄180 mm×180 mm方連鑄坯→高線進(jìn)步梁式加熱爐→軋制→精整(風(fēng)冷輥道集卷、切頭尾、打包、稱重、打牌、卸卷) →入庫(kù)。

(2)用戶30MnSi PC鋼棒生產(chǎn)工藝流程：Φ12 mm 30MnSi盤(pán)條開(kāi)卷→除鱗除皮或酸洗→矯直→拉拔→拉壓刻槽Φ10.7mm 螺紋型鋼棒→高頻感應(yīng)加熱920～945 ℃→淬火→高頻感應(yīng)加熱430～450 ℃→回火→冷卻→收集成卷→性能檢驗(yàn)→合格品發(fā)貨。力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度要求1 420～1 550 MPa、伸長(zhǎng)率要求>7%。

3 試樣端口形貌及缺陷分析

3.1 試樣端口宏觀形貌

從所取斷裂鋼棒的宏觀形貌觀察，如圖1所示。從圖1可以看出鋼棒斷裂橫截面與鋼棒縱向呈垂直形態(tài)，斷口處平整且無(wú)塑性變形特征，這種斷裂形態(tài)為典型的脆性斷裂。

圖1 斷裂鋼棒宏觀形貌

3.2 斷口金相組織分析

對(duì)缺陷PC鋼棒橫截面截取25 mm長(zhǎng)，檢驗(yàn)金相組織為回火索氏體組織，組織為正常鋼棒組織，組織圖片如圖2所示。

圖2 斷口金相組織(回火索氏體組織)

3.3 鋼棒非金屬夾雜物檢測(cè)

對(duì)缺陷PC鋼棒在缺陷附近截取試樣檢測(cè)夾雜物控制情況，檢測(cè)結(jié)果表明夾雜物水平B類1.0級(jí)，Ds類1.0級(jí)，檢測(cè)合格，如圖3、圖4所示。

圖3 夾雜物DS 1.0

圖4 夾雜物B 1.0

3.4 對(duì)試樣性能檢測(cè)

斷裂鋼棒室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，試樣抗拉強(qiáng)度1 492～1 504 MPa，伸長(zhǎng)率10.6%～13%，符合客戶要求，客戶成品強(qiáng)度要求：1 420～1 550 MPa，伸長(zhǎng)率大于7%。

表1 鋼棒力學(xué)性能檢測(cè)

3.5 缺陷試樣斷口微觀分析

缺陷試樣斷口宏觀形貌如圖5所示：斷口平齊，為脆性斷裂；通過(guò)掃描電鏡觀察缺陷裂紋源如圖6所示，根據(jù)斷口表面放射狀條紋方向可判斷出鋼棒的斷裂起源于螺紋鋼棒凸楞處[3]。斷口微觀分析：通過(guò)掃描電鏡觀察裂紋起源部位，具有典型沿晶斷裂特征，如圖7所示。另對(duì)缺陷鋼棒在體視顯微鏡下觀察，結(jié)果表明鋼棒裂紋起始部位外部裂紋源凸棱處有擦傷缺陷，檢測(cè)如圖8所示。

圖5 斷口宏觀形貌

圖6 斷口形貌(20X)

圖7 裂紋源處沿晶斷裂形態(tài)(1000X)凸棱處橫向擦傷(20X)

圖8 裂紋源附近

4 探討及控制措施

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果綜合分析：裂紋起源部位為典型沿晶斷口特征，結(jié)合鋼棒斷裂是鋼棒在盤(pán)卷狀態(tài)下放置一段時(shí)間發(fā)生脆性斷裂這一事實(shí)，可確定是氫致延遲斷裂。對(duì)于PC鋼棒材料而言在應(yīng)力集中處易于發(fā)生氫致延遲斷裂。30MnSi盤(pán)條經(jīng)調(diào)質(zhì)處理收卷盤(pán)卷時(shí)，在盤(pán)卷的外緣成形較高的拉應(yīng)力，如果鋼棒外表面存在擦劃傷等缺陷，則會(huì)導(dǎo)致缺陷處應(yīng)力的集中，此時(shí)鋼棒中的氫會(huì)不斷地向高應(yīng)力處擴(kuò)散聚集，即鋼棒缺陷處聚集，而最終引起鋼棒的氫脆斷裂。

為防止PC鋼棒氫致延遲斷裂，我們可以從生產(chǎn)環(huán)節(jié)的增氫及引起應(yīng)力集中環(huán)節(jié)控制，達(dá)到預(yù)防氫脆斷裂的目的。主要通過(guò)以下五個(gè)方面控制：

(1)加強(qiáng)冶煉過(guò)程原輔材料的烘烤，原輔材料中水分是增氫的重要原因，如中間包的烘烤、水口烘烤、合金、增碳劑、保護(hù)渣、石灰、廢鋼等烘烤，降低鋼液增氫。

(2)鋼水澆鑄過(guò)程應(yīng)進(jìn)行保護(hù)澆注，大包套管氬封保護(hù)，中間包沖擊區(qū)及覆蓋劑要及時(shí)加入嚴(yán)防鋼水裸露二次氧化，連鑄澆鑄過(guò)程做好大包套管、浸入式水口密封等，防止蒸汽外溢引起增氫。

(3)強(qiáng)化精煉措施，降低鋼種P、S含量，控制鋼中Mn含量在合適范圍，MnS夾雜有滲氫的屬性。研究證實(shí)雜質(zhì)元素磷降低晶界結(jié)合強(qiáng)度，硫在腐蝕環(huán)境下促進(jìn)氫的吸收[4]，易導(dǎo)致材料沿晶斷裂。

(4)優(yōu)化軋制生產(chǎn)過(guò)程控制，提高盤(pán)條表面質(zhì)量，消除表面裂紋、耳子、結(jié)疤等缺陷，盤(pán)卷頭尾缺陷剪切干凈，提高出廠盤(pán)條表面質(zhì)量。

(5)減少盤(pán)卷運(yùn)輸過(guò)程中的擦、劃傷，在冬季寒冷氣候條件下應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)自然時(shí)效時(shí)間，降低應(yīng)力避免脆斷。

5 結(jié) 論

(1)缺陷PC鋼棒30MnSi斷裂屬于氫致延遲斷裂(氫脆)，H是延遲斷裂的最大誘因，因此在各個(gè)生產(chǎn)工序要盡量減少鋼液增氫。

(2)鋼棒表面如存有機(jī)械擦傷等缺陷，將會(huì)引起應(yīng)力進(jìn)一步集中，加速氫致延遲斷裂的進(jìn)程，最終導(dǎo)致PC鋼棒的斷裂。