預應力鋼絞線SWRH82B斷裂分析

申麗娟 萬長杰 李國軍 薛佳鵬

(濟源鋼鐵集團有限公司)

0 前言

SWRH82B(以下簡稱82B)是金屬制品行業生產中高碳產品的主要原料，目前廣泛應用于建筑行業生產低松弛預應力鋼絞線、鋼絲繩、胎圈鋼絲、石油管線等產品，對82B產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，某些批號發生脆斷現象。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產品質量的具體措施，以達到改善82B盤條質量的目的。下面筆者就82B盤條筆尖狀斷裂的原因分析及改進情況做一介紹。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為跟蹤用戶投料生產時取回，用戶生產過程為：酸洗→磷化→皂化→拉拔→絞線，脆斷現象發生在拉拔過程和絞線過程中，其化學成分見表1。

1.2 試驗設備與分析儀器

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

表1 試驗用82B高碳鋼盤條的化學成分 w%

1.3 試驗方法

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

2 結果與討論

為研究82B筆尖狀斷裂的形成原因，進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，鋼絲在變形區內產生相應的內力，軸向由于拉拔力的作用，為拉應力，徑向和周向由于受到周圍金屬的約束為壓應力。因此，在拉拔過程中，鋼絲在變形區內處于一向受拉，兩向受壓的應力狀態。作用力為拉力，變形時，金屬處于一向受拉、兩向受壓的應力狀態是拉拔過程的基本力學特征。

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

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

2.2 鋼絲拉拔過程的塑性變形分析

拉拔時鋼絲在模孔中的變形時不均勻的，這是由于外摩擦力和模具角度影響的結果。研究者們采用網格法研究了拉拔過程中金屬的變形分布和流動規律，通過拉拔前后網格的變化來定性的說明金屬在模具中的變形分布及流動規律。

1)軸向變形特點：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：網格的橫截面在拉拔前是直線，進入變形區后開始變成弧形線，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力作用下變形，而中心層則主要在拉應力作用下變形，導致外層金屬沿軸向的流動速度較中心層金屬要慢，隨著模角的增大和摩擦系數的增加，這種金屬流動速度的不均勻性會越加明顯。

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，沒有發現夾雜物，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，將導致鋼絲在中心軸線上逐步形成速度不連續點。根據秒流量相等原理，為了保持拉拔過程的穩定進行，勢必引起金屬的相互牽制，在中心軸線上產生很大的附加拉應力。當拉拔變形到一定程度，超過材料的強度極限時，或者是材料某部位存在薄弱環節時，就會形成中心裂紋。

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

鋼絲中心裂紋一旦產生以后，心部和表層金屬的附加應力就會得到松弛，變形達到新的平衡狀態;當不均勻的變形累積到一定程度后，中心區域又會形成新的裂紋并呈“V”形擴展。理論上，這種裂紋應該呈規則的周期性，但往往被材料內在質量的波動而打亂。

因此，材料內部質量差是產生中心裂紋的內因，軸向拉應力和金屬的不均勻變形引起的附加應力是拉拔過程中鋼絲心部產生裂紋并呈“V”形擴展直至斷裂的推動力。因此材料內部質量差是鋼絲中心裂紋源產生的關鍵因素。

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14.17%，Mn含量高達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，會增大過冷奧氏體的穩定性，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，而且還會改變C曲線的形狀。組織分析表明，盤條心部存在網狀碳化物和馬氏體的異常組織。這是由于盤條受到化學成分偏析的影響，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先析出生長為網狀滲碳體;心部合金元素的偏析會改變軋制冷卻過程中的等溫轉變曲線，從而為心部馬氏體的形成創造條件。心部馬氏體硬而脆，幾乎不能變形，網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調變形，從而很容易導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°的方向發生剪切開裂，形成V”形裂紋。

3 改進措施

為提高產品質量，減少筆尖狀斷口的產生，建議從增大索氏體含量比例和降低連鑄過熱度等方面進行改進。

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度主要取決于珠光體的片間距，索氏體具有更細的片間距，其綜合力學性能遠高于粗片狀珠光體的綜合力學性能，在拉拔過程中粗大滲碳體片導致裂紋源的形成和擴展符合E.Smith模型，在切應力作用下位錯源優先在珠光體內的鐵素體開動，位錯運動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滲碳體片開裂。根據碳化物裂紋的擴展條件可知，碳化物厚度越大，則裂紋擴展所需要的力越低，即其斷裂韌性越低。因此細化碳化物片層厚度，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 優化生產工藝

在保證鋼水流動性的前提下，要盡量降低連鑄過熱度，隨著過熱度的降低，鋼液的凝固所用時間越少，從而抑制了碳元素的選分結晶，從而降低碳偏析程度［2］。另外還要合理控制二冷強度和拉坯速度［3］以及選擇合理有效的電磁攪拌方式，從而提高鑄坯的實物質量，減少心部化學成分偏析;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，同時還要盡量降低劃傷、折疊等盤條的表面缺陷。

4 結論

1)筆尖狀斷裂主要是由于心部存在化學成分偏析，形成馬氏體、網狀碳化物等硬脆相，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先析出生長為網狀滲碳體組織。

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

［1］ 鐘群鵬，趙子華，張崢.斷口學的發展及微觀斷裂機理［J］.機械強度，2005，27(3)：358-370.

［2］ 崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，2007：58-59.

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