高碳鋼線材殘余應力的危害及預防

覃之光 李建華 薛 歡

（武漢鋼鐵（集團）公司 研究院 湖北 武漢：430080）

高碳鋼線材生產入庫后，部分盤卷局部會產生自然斷裂。據生產統計，自然斷裂的高碳鋼線材，如82B鋼，規格主要集中在直徑為11.0mm 及以上，且發生在馬氏體轉變區，因為線材中存在的拉應力超過鋼的臨界斷裂強度而引起的脆性破壞。拉應力有組織應力，也可能是熱應力，或者是二者的相加，所以變形和開裂與組織應力、熱應力都有關。

線材在冷卻過程中，由于表層和芯部的冷卻速度和時間的不一致，形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力，即熱應力。在熱循環過程中，由于冷卻初期表層開始溫度低于芯部，收縮也大于芯部而使表層受拉芯部受壓，當冷卻結束時，線材溫度降低到室溫，由于芯部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層縱向受壓芯部縱向受拉，與冷卻初期的應力分布正好相反。這種現象受到冷卻速度、材料成分和控冷工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大，最后形成的殘余應力就愈大。另一方面鋼在冷卻過程中由于組織的變化即奧氏體向珠光體、馬氏體轉變時，因比容的增大會伴隨線材體積的膨脹，線材各部位先后相變，因馬氏體增加的體積大于珠光體，造成體積長大不一致而產生組織應力［1］。組織應力變化的最終結果是表層受拉應力，芯部受壓應力，恰好與室溫狀態下的熱應力相反。組織應力的大小與線材在馬氏體相變區的冷卻速度、直徑、材料的化學成分等因素有關。

為了分析高碳鋼線材自然斷裂的原因，以便在生產中采取針對性措施，開展了線材表面殘余應力的測定，得到了不同規格線材殘余應力的分布規律，分析了殘余應力的影響，試驗結果對于高碳鋼線材的庫內裝卸以及用戶使用具有一定的指導意義。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

采用200mm×200mm 82B 鋼坯，其化學成分見表1。

表1 試驗鋼化學成分

1.2 試驗方法

（1）用82B 鋼坯分別軋制直徑9.0mm、直徑11.0mm、直徑12.5mm 線材，采用相同的控冷工藝及冷卻速度。

（2）采用X 射線衍射法對三個規格線材表面縱向殘余應力進行測定。

2 試驗結果

2.1 線材出廠性能

統計了三個規格線材出廠時效拉伸及網碳、中芯馬氏體（M）級別的平均值，檢驗結果見表2，從表2可見，軋制直徑從直徑9.0mm 提高到直徑12.5 mm，抗拉強度、斷面收縮率下降，網碳、中心馬氏體級別提高，其中，直徑提高到φ11.0mm 時網碳中心馬氏體級別最高，而直徑12.5mm 與直徑11.0mm線材的網碳持平、中心馬氏體級別略有下降（0.08級）。

表2 線材出廠性能檢驗結果

采用X 射線衍射方法對三個規格線材表面3個部位的縱向殘余應力進行了測定，試樣的檢驗結果見表3。由3可見，直徑9.0mm 線材表面全部為壓應力，直徑11.0mm 線材表面以拉應力為主，側面也存在壓應力，直徑12.5mm 線材表面全部為拉應力。

將三個規格線材殘余應力的測定結果取平均值，作成表面殘余應力分布圖，見圖1。由圖1 可見，隨著線材直徑的增大，縱向殘余應力由壓應力變為拉應力。

表3 盤條表面縱向殘余應力結果

圖1 線材表面殘余應力分布

3 分析與討論

（1）高碳鋼線材由于對力學性能有較高的要求，且要滿足冷拉加工，一般通過相變前快速冷卻保證得到85%以上索氏體的組織。就殘余應力而言，這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值，故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制開裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且，在相同的冷卻條件下，直徑越大的線材，雖然實際冷卻速度更緩，開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應力隨直徑的增大實際冷卻速度減慢，熱應力減小，組織應力隨直徑的增大而增加。最后形成以組織應力為主的拉應力作用在線材表面的特點造成的。殘余應力測定結果完全驗證了上述觀點，直徑9.0mm 線材表面全部為壓應力，直徑12.5mm 線材表面全部為拉應力。

（2）實踐證明，線材在冷卻過程中，只要有相變，熱應力和組織應力都會發生。只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了，而組織應力則是在組織轉變過程中產生的。組織應力產生的本質是因為線材各部分組織轉變不同步，即有相變時間差的存在。避免相變開裂的原則是設法減小截面內外組織轉變的不等時性，由于高碳鋼鋼坯中心偏析的不連續性，導致線材中心馬氏體也是間斷分布，因此，僅僅實行馬氏體轉變區內的緩冷還不足以改變殘余應力的性質、預防開裂的形成。

（3）為了減小線材表面的組織應力，可以降低鋼種設計中的P、Mn、S含量，減少高碳鋼線材的中心偏析［2］。這是因為硫和磷可形成低熔點化合物，使C、Mn、Cr等元素集中在這個熔融區域。在連鑄坯中，硫的偏析常伴隨著錳，這將很大程度上增加鋼材的可硬化性，以至于這些區域可形成馬氏體。與此相仿，磷也有降低鑄鋼時鋼水凝固點的趨勢。以致其它合金元素如鉻也跟著偏析，這也可促使線材控冷時形成中心馬氏體。

（4）高碳鋼線材在拉絲機上開卷斷裂是由線材中心馬氏體相變及表面損傷產生的形變馬氏體共同作用的結果［2］。對于高碳鋼82B，由于直徑大于等于11.0mm 線材表面殘余應力主要為拉應力，該類線材不宜在馬氏體轉變溫度區（150℃～250℃）裝卸，更不得淋雨、急冷，建議在廠內庫堆垛緩冷至100℃以下后裝車發運，并且在裝卸過程中要輕吊輕放，并采取減少線材表面損傷的措施：1）線材出廠增加簡易包裝；2）線材在生產、儲運過程中應防止吊具、鏟車鋼叉、運載車船的鋼鐵部件和線材表面產生劇烈摩擦。

4 結束語

（1）高碳鋼線材熱應力隨著直徑的增大實際冷卻速度減慢，熱應力減小，組織應力隨直徑的增大而增加。最后形成以組織應力為主的拉應力作用在線材表面。對于直徑不小于11.0mm 的線材，應降低鋼種設計中的P、Mn、S含量，減少高碳鋼線材的中心偏析，從而減小馬氏體轉變的組織應力，并采取馬氏體轉變區內的緩冷以改變殘余應力的性質、預防開裂的形成。

（2）直徑大于等于11.0mm 線材不宜在馬氏體轉變溫度區（150℃～250℃）裝卸，更不得在該溫度區淋雨、急冷，應讓線材在廠內庫堆垛緩冷至100℃以下后再裝車發運，并且在裝卸過程中要輕吊輕放，并采取減少線材表面損傷的措施。

［1］R.W.K.霍尼庫姆.鋼的顯微組織和性能［M］.北京：冶金工業出版社，1985.

［2］覃之光.82B線材開卷斷裂分析［J］.武漢工程職業技術學院學報，2012，24（2）：25－28.