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在軋制重軌時，發現有兩支重軌坯在加熱爐中加熱過程中出現斷裂而提出。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。分析結果得出：重軌坯內存在大量的內部缺陷是導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生大量內部缺陷的主要原因。

關鍵詞：重軌坯；缺陷；裂紋；氧化脫碳

某鋼鐵企業在軋制250km/h重軌時，發現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。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，在鋼坯的側面有一明顯的分層殼，鋼坯中的裂紋沿著其結合面擴展，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象，有一些從斷裂面向內部橫向延伸的粗大裂紋卻沒有氧化脫碳現象。沒有缺陷的鋼坯表面氧化脫碳現象輕微（約1mm），在剖開面上發現有一個較大的孔洞（如圖2所示）。

在鋼坯的兩側面及中心部位分別取試樣進行了金相制樣，經5%硝酸酒精溶液腐蝕后，可以看到鋼坯內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生嚴重的氧化脫碳現象，而沒有與外界連通的則沒有氧化脫碳現象；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 金相高倍觀察結果：

高倍觀察以上試樣，鋼坯內部有許多沿晶裂紋，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域，粗大的裂紋周圍有明顯的氧化帶，說明氧化脫碳現象嚴重。

外表面沒有缺陷鋼坯邊緣處的氧化脫碳現象輕微，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，而內部的裂紋則沒有脫碳現象。在鋼坯的上表面的兩側棱角處發現的有凸起鼓包的金相觀察可以看出，氧化脫碳現象較為嚴重，內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現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、較嚴重的表面及內部缺陷，尤其是內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，表面會發生均勻的氧化脫碳現象，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，當鋼坯內部（邊部附近）的晶粒內有孔洞存在時，由于孔洞的存在，加快了碳在鋼中的擴散速度，導致脫碳現象會優先在這些孔洞周圍發生；同理，晶界也是優先發生氧化脫碳的部位。

由圖6～7可以看出，這些孔洞的周邊是比較光滑的，且無氧化脫碳現象，由此推斷一部分鋼坯內部孔洞的產生可能與鋼中的氣泡有關。當鋼坯內部出現較大的孔洞時，導致其致密度降低，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，容易導致該區域在正常的工作溫度下產生局部過熱現象，生成魏氏組織，并有較嚴重的氧化脫碳現象發生，這可能與裂紋等缺陷的存在增加了基體的過熱度有關。

鋼坯內部產生的大量的沿晶裂紋與連鑄坯的澆鑄工藝不當控制有關。在連鑄的過程中，坯中的鋼液在冷卻的過程中會發生收縮。當激冷層的殼形成后，如果連鑄坯的澆鑄工藝控制不當，將導致鋼坯內的枝晶間隙不能較好的得到鋼液的補充而產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性，另外在鋼坯的加熱過程中這些缺陷會出現加重的傾向，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象。重軌坯屬于高碳鋼，抗變形的能力較強，當內應力增大時，基體不會因此而發生塑變以消除或減小內應力，只能是以裂紋擴展的方式來釋放內應力。當內應力非常大時，導致裂紋的快速擴展，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，當不斷增大的內應力超過鋼坯本身最薄弱部位的基體強度時將導致其斷裂。

4.結論

4.1重軌坯內存在大量的內部缺陷是導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生大量內部缺陷的主要原因。