30M nSi鋼棒延遲斷裂原因分析及改進

徐龍慶，耿曉東，劉桂華，劉　瑩（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

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30M nSi鋼棒延遲斷裂原因分析及改進

徐龍慶，耿曉東，劉桂華，劉瑩
（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

[摘要]針對30MnSi管樁鋼筋（PC鋼棒）延遲脆斷的問題，對30MnSi盤條和PC鋼棒的化學成分、力學性能、金相組織、斷口形貌等進行分析。結果表明：造成PC鋼棒延遲脆斷的直接原因是鋼棒的加工和熱處理工藝不當，間接原因是鋼中的化學成分和氣體含量影響。嚴格控制盤條的化學成分，適當提高鋼中的Si含量，延長盤條的時效處理時間有利于減少鋼棒延遲斷裂現象的發生。

[關鍵詞]鋼棒；延遲脆斷；熱處理；化學成分；時效；氫致裂紋

修回日期：2015-04-06

1　引言

預應力混凝土用鋼棒（簡稱PC鋼棒）是制作預應力混凝土管樁的重要材料，其以盤條為原料，通過陰螺紋拉拔、感應加熱、淬火、回火和鐓頭等工序制成，具有高強韌性、低松弛性、優良的可焊性等優點，廣泛應用于高層建筑、橋梁、水利等大型建筑設施工程[1]。PC鋼棒雖然是目前最廣泛使用的管樁用鋼，但其冬季延遲脆斷問題始終未能完全消除，成為困擾廣大鋼棒和管樁廠家主要問題。天鋼擁有多年管樁鋼生產經驗，以產品性能穩定、質量可靠獲得了用戶廣泛好評，但在2014年冬季生產的一批30MnSi盤條在制成PC鋼棒后靜置過程中，出現了較為嚴重的脆性斷裂問題，引起產品質量部門及技術人員的高度重視，立即組織人員對PC鋼棒延遲脆斷原因進行研究。

2　斷裂機理及影響因素分析

2.1斷裂機理分析

PC鋼棒在靜置和管樁制作過程中發生的脆性斷裂現象，通常稱為氫致延遲斷裂。氫致延遲斷裂理論認為鋼中的氫在應力梯度的作用下通過位錯、晶粒界面等通道擴展到裂紋尖端局部區域高度富集，富集區域的氫濃度達到臨界值后，裂紋開始形成和擴展，最終導致材料在外應力遠低于斷裂應力時產生斷裂[2]。另外，研究認為，H在鋼中有如下兩種擴散方式：一是H由高濃度部位向低濃度部位擴散；二是H由高應力部位向低應力部位擴散[3]。因此，在整體氫濃度不太高的情況下，若鋼中殘余應力過大，且殘余應力分布不均，則鋼中的H不斷向應力集中部位擴散、集聚，最終引起斷裂。

PC鋼棒的延遲脆斷現象除與鋼中的H含量有關外，還與鋼的化學成分、加工狀態、環境溫度和熱處理工藝等有關。

2.2化學成分的影響

PC鋼棒要求熱處理后具有高強韌性、低松弛性以及良好的可焊性，因此在化學成分選擇上應以強化基體、增加鋼的淬透性為主的合金元素，同時考慮成本因素及我國資源優勢，我國在PC鋼棒在成分選擇上以Si-Mn系列鋼為主，主要成分的作用如下：

C：碳在鋼中以間隙固溶形式存在，是提高鋼強度的最有效元素，還能增加鋼的淬透性和淬硬性，但隨著C含量的增加，鋼的韌性降低，要同時獲得高的強度和韌性，必須對鋼中的C含量進行嚴格控制。日本作為預應力混凝土鋼棒的鼻祖，其在JIS G3109中對其他合金元素并沒有具體規定，但對C的范圍進行了明確的限定[4]。

Si：硅可以提高鋼的強度、硬度和淬透性。Si在高溫條件下熱穩定性好，增加鋼的抗回火性能，使鋼能在較高溫度下回火，從而改善鋼的韌性和抗延遲斷裂性能，因此，在預應力混凝土鋼棒中通常采用較多的Si，以增加其回火性能，提高鋼回火后的綜合性能。

Mn：錳可增加鋼的奧氏體穩定性，降低臨界冷卻速度，提高淬透性，并且使鋼淬火后回火過程中組織分解轉變速度減慢，提高回火穩定性，從而使鋼強度、硬度隨回火溫度升高而下降的程度減弱。但Mn含量提高使鋼在高溫下晶粒容易粗化，增加鋼的回火脆性。尤其是Si、Mn含量同時高時，這種傾向更嚴重。

因此，管樁鋼在成分選擇時，在保證力學性能符合要求的情況下應盡量降低鋼中的C含量，適當增加Si含量，同時Mn含量合理添加，以保證鋼的延性和塑性。

2.3環境溫度影響

環境溫度對鋼的延遲脆斷有重要影響。我國PC鋼棒的延遲斷裂問題主要發生在北方的冬季，其中以大規格PC鋼棒為主，這其實與鋼中氫的逃逸速度有關，而氫的逃逸速度與環境溫度有直接關系。北方冬季氣溫低，氫的逃逸速度慢，且大規格鋼棒中氫擴散距離長，因此殘留于鋼中殘余氫含量高，同時在冬季生產PC鋼棒時，因環境溫度影響，鋼中的殘余應力大，在殘余應力和氫擴散共同作用下導致鋼棒在冬季延遲斷裂問題嚴重。

2.4熱處理工藝影響

30MnSi盤條通過陰螺紋拉拔、感應加熱、淬火和回火等工序制成PC鋼棒。在淬火過程中，組織由奧氏體瞬間轉變為馬氏體，由于馬氏體相與奧氏體相有較大的比容差，相變后產生較大的組織應力，組織應力與淬火過程中產生的熱應力相互疊加，將使鋼產生巨大的內部應力。這種應力在后續的正常回火過程中基本可以消除，但在回火溫度低的情況下，回火過程雖可以消除一部分殘余應力，但淬火時形成的馬氏體并不能完全消除，而馬氏體相為硬性組織，對裂紋敏感性高。因此，在應力作用下馬氏體組織與正常組織界面處最容易形成裂紋，裂紋在應力作用下不斷擴展，最終導致斷裂。

同時，因回火溫度低使鋼的抗拉強度提高，產生氫致延遲斷裂斷裂的敏感性加大，據研究，在抗拉強度大于1 200 MPa時，延遲斷裂敏感性急劇增加[3]。

3　 PC鋼棒斷裂試樣分析

3.1表面宏觀觀察

對PC鋼棒斷裂試樣進行表面宏觀觀察，斷裂試樣斷口均為脆性平齊斷口，斷裂源均位于PC鋼棒陰螺紋凹槽處，斷裂源位置有明顯的機械外傷，如圖1所示。

圖1　宏觀斷口形貌

3.2斷口掃描電鏡檢測

掃描電鏡觀察，裂紋源位于試樣邊緣位置，裂紋線由表面向基體內部呈發散狀擴展，如圖2（a）所示；最表面裂紋源處鋼基體受擠壓變形，裂紋源附近形貌表現為沿晶形貌，為脆性斷裂所致，如圖2（b）所示。

3.3金相組織檢測

對30MnSi盤條和PC鋼棒進行金相組織檢測，盤條組織為正常鐵素體+珠光體，組織均勻，如圖3（a）所示；PC鋼棒組織為回火索氏體+針狀馬氏體，如圖3（b）所示。

圖2　PC鋼棒掃描電鏡形貌

圖3　盤條和鋼棒橫向組織

3.4化學成分及氣體含量檢測

對30MnSi盤條和PC鋼棒進行化學成分及氣體含量檢測，結果如表1所示。化學成分均符合GB/T5223.3-2005標準要求，但實測C含量偏高，偏中上限，Si含量偏低，接近控制下限，H含量0.6伊10-6。

表1　30M nSi盤條、鋼棒化學成分及H含量/w%

3.5力學性能檢測

對30MnSi盤條和PC鋼棒進行力學性能檢測，盤條控制范圍逸650，盤條抗拉強度665 MPa，強度適中，PC鋼棒抗拉強度1 530耀1 580 MPa，鋼棒要求抗拉強度逸1 420 MPa，鋼棒抗拉強度偏高。

3.6分析結果

通過對盤條和斷裂鋼棒試樣的斷口形貌、化學成分、金相組織和力學性能方面綜合分析認為：

鋼中C含量高，Si含量低，導致鋼的塑性和韌性降低，回火穩定性和抗延遲斷裂能力變差。

為了保證熱處理后PC鋼棒強度符合要求，用戶降低了回火溫度，雖然也同時調低拉拔速度，間接延長了回火時間，但回火時間的延長無法彌補因回火溫度低對組織造成的影響，導致淬火后鋼棒內馬氏體組織在回火過程中未能完全消除，最終形成回火索氏體+馬氏體組織。

因回火溫度低和馬氏體組織的影響，鋼棒的抗拉強度提高、裂紋敏感性增加。

因回火溫度低使鋼的組織應力和熱應力增加，而鋼棒螺紋凹槽處為應力最集中部位，在機械擦傷、H聚集和殘余應力共同作用下，該處最先形成裂紋，裂紋隨時間延長和應力的持續而不斷擴展，最終導致斷裂。冬季溫度低，H在鋼中擴散時間長，熱處理應力大，因此PC鋼棒延遲斷裂現象在冬季最容易發生。

4　改進措施

基于以上原因，我廠進行了針對性的工藝優化，具體措施為：煉鋼環節通過原料把關、精煉微正壓操作和全程保護澆鑄等措施降低鋼水中的H含量；在成分設計上，適當提高了Si含量，通過試驗，PC鋼棒延遲問題明顯改善；軋鋼過程中強化鋼的延遲冷卻效果，延長盤條時效時間，使鋼中的H充分釋放，確保盤條H含量低。

5　結論

PC鋼棒的回火溫度低，抗拉強度高，針狀馬氏體以及表面機械擦傷是造成鋼棒延遲脆斷的直接原因；鋼中H含量高、Si含量低是造成PC鋼棒延遲斷裂的間接原因；提高鋼中的Si含量可明顯改善PC鋼棒的抗延遲斷裂性能。

參考文獻

[1]徐壯，徐倩，徐龍慶.高強度管樁用盤條高線工藝開發[J].天津冶金，2014（4）：16-19.

[2]朱伏先，李艷梅，吳穎.PC鋼棒的延遲斷裂及其對策[J].金屬制品，2003（1）：6-9.

[3]楊邊疆，呂利偉.PC鋼棒用30MnSi鋼斷裂探究[J].河北冶金，2012（3）：19-22.

[4]陸辛度，朱保眾，潘勤倫.改進預應力混凝土鋼棒生產工藝的探討[J].特殊鋼，1997，18（3）：36-38

Analysison CausesofDelayed Fractureof30M nSiSteelRod and Im provem entM easuresXU Long-qing,GENG Xiao-dong,LIU Gui-huaand LIU Ying

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractAiming atthe problem ofdelayed fracture for30MnSipipe piling reinforced bar (PC steelbar), analysiswasmadeon thechemicalcomposition,mechanicalproperties,microstructureand fracture morpholo原gy of30MnSiwire rod and PC steelrod.Analysisresultsshowed thatthe directreason forthe delayed frac原ture ofPC steelbarwasinappropriate processing and heattreatmentprocess;the indirectreason wasthe in原fluence ofchemicalcomposition and gascontentin steel.Strictlycontrolling thechemicalcomposition ofwire rod,moderately increasing Sicontentin steeland prolonging theageingtime ofwire rod can alleviate theoc原curringofdelayed fracture ofsteelrod.

Key wordssteelrod;delayed fracture;heattreatment;chemicalcomposition;ageing;hydrogeninducedcrack

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.014

作者簡介：徐龍慶（1983—），男，山東聊城人，碩士，工程師，主要從事軋鋼方面的研究工作。