趙小金， 蘇禎祺， 徐旋旋， 趙 宜

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 常州 213011)

引 言

SWRH82B高碳鋼(以下簡(jiǎn)稱“82B鋼”)盤條是制作高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線的主要原材料。82B鋼盤條在鋼絞線加工過程中要經(jīng)過多道次冷拔，變形量累計(jì)達(dá)到60%以上，因此要求82B鋼盤條不僅具有高的抗拉強(qiáng)度，而且要有高的斷面收縮率。大規(guī)格82B鋼盤條在熱軋下線時(shí)斷面收縮率普遍較低，經(jīng)過一段時(shí)間自然時(shí)效后，其數(shù)值會(huì)升高約10%～15%；即82B鋼盤條存在時(shí)效現(xiàn)象，熱軋后自然放置一段時(shí)間后斷面收縮率會(huì)提高[1]，目前普遍認(rèn)為這是由于鋼中氣體的析出和相變應(yīng)力及熱應(yīng)力釋放的結(jié)果[2]。熱軋后的82B鋼盤條經(jīng)拉伸試驗(yàn)后，其斷口心部常會(huì)出現(xiàn)一圓形黑色區(qū)域，通常稱其為黑心；軋制剛下線時(shí)，黑心尺寸較小，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，黑心尺寸也逐步增大，直至整個(gè)試樣斷口均呈現(xiàn)深灰色。為了深入了解82B鋼盤條拉伸試樣斷口黑心特征的成因，故對(duì)82B鋼盤條拉伸試樣斷口形貌特征進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

82B鋼熱軋盤條的基本生產(chǎn)工藝流程為：鐵水→混鐵爐→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→連鑄機(jī)拉坯→步進(jìn)式加熱爐加熱→高速線材軋機(jī)軋制→吐絲→控冷→檢測(cè)→入庫。

試驗(yàn)所用82B鋼Φ13 mm盤條的化學(xué)成分如表1所示。

表1 82B鋼盤條的化學(xué)成分/%

1.2 試驗(yàn)方法

制取82B鋼Φ13 mm盤條生產(chǎn)下線后及自然時(shí)效7天、15天、25天后的力學(xué)試樣，在同一臺(tái)拉伸機(jī)上完成拉伸試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果；同時(shí)采用宏觀檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜儀、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)斷口進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

82B鋼Φ13 mm盤條熱軋下線及自然時(shí)效后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可見，82B鋼Φ13 mm盤條在0～25天自然時(shí)效過程中，抗拉強(qiáng)度變化較小，而伸長(zhǎng)率和斷面收縮率都有增加，其中斷面收縮率變化較大，呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。在時(shí)效初期，塑性值增幅不大，并且波動(dòng)比較大，有高有低，極不穩(wěn)定；隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，塑性值穩(wěn)定在某一值以上，如時(shí)效15 天以后的斷面收縮率穩(wěn)定在35%以上。

表2 82B鋼盤條(Φ13 mm)熱軋下線及時(shí)效后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.2 斷口形貌特征分析

2.2.1 熱軋下線

82B鋼盤條熱軋下線后拉伸試樣斷口通常分為三個(gè)區(qū)域，即纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇，簡(jiǎn)稱為斷口三要素，如圖1(a)所示。與中、高碳鋼(正火或退火狀態(tài))光圓試樣拉伸試樣斷口形貌相同。

圖1 82B鋼盤條(Φ13 mm)熱軋下線拉伸試樣斷口形貌

1)纖維區(qū)

纖維區(qū)一般位于斷口中央，也稱塑性變形區(qū)，呈粗糙的纖維狀圓形花樣，顏色深灰，也稱為黑心。有時(shí)纖維區(qū)由許多混亂的纖維頭或一系列細(xì)小的圓周棱組成。

在拉伸試驗(yàn)時(shí)，斷裂最先在該區(qū)產(chǎn)生。當(dāng)材料發(fā)生塑性變形時(shí)，產(chǎn)生縮頸形成三向應(yīng)力狀態(tài)，中心軸向應(yīng)力隨著縮頸的進(jìn)展不斷增大，在三向應(yīng)力作用下，使非金屬夾雜物、滲碳體或其他第二相質(zhì)點(diǎn)在其與金屬基體界面處產(chǎn)生分離而形成顯微空洞(微孔)，然后空洞長(zhǎng)大、聚集形成鋸齒狀的纖維狀斷口[1]。

纖維區(qū)微觀特征為大小不一的韌窩，如圖1(b)所示；由于密集的韌窩反光性較差，所以纖維區(qū)呈現(xiàn)為深灰色或黑色，在拉伸試樣斷口上形成類似“黑心”形貌。

纖維區(qū)為裂紋緩慢擴(kuò)展區(qū)，并伴隨著較大的塑性變形。材料的塑性越好，纖維區(qū)面積越大，即“黑心”尺寸及面積越大。

2)放射區(qū)

圍繞纖維區(qū)的是放射區(qū)，呈現(xiàn)放射花樣特征。在放射區(qū)內(nèi)裂紋快速或不穩(wěn)定擴(kuò)展，放射棱與裂紋擴(kuò)展方向一致。放射區(qū)的微觀特征呈現(xiàn)解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂特征，如圖1(c)所示；因解理小平面并具有較強(qiáng)的反光能力，使放射區(qū)的顏色呈灰白色。放射區(qū)塑性變形量很小，呈脆性特征。材料塑性越差，則放射區(qū)越大；但有時(shí)塑性較好的低碳鋼，在受力不均勻時(shí)也會(huì)產(chǎn)生解理斷裂，形成較大面積的放射區(qū)。

3)剪切唇

斷裂的最后階段形成的是剪切唇。剪切唇表面較光滑，與拉伸軸向的夾角約呈45°。剪切唇微觀特征為韌窩，如圖1(d)所示。

4) 小結(jié)

因此，根據(jù)斷口上纖維區(qū)、放射區(qū)的比例，就可以粗略地評(píng)價(jià)82B鋼盤條斷面收縮率的高低。生產(chǎn)上期望82B鋼盤條在熱軋后拉伸試樣斷口中纖維區(qū)(即黑心)盡可能大，放射區(qū)盡可能小，這樣的斷口形貌才能保證時(shí)效后82B鋼盤條的斷面收縮率達(dá)到要求。

2.2.2 自然時(shí)效后

82B鋼Φ13 mm盤條熱軋下線及經(jīng)自然時(shí)效后的拉伸試樣斷口形貌如圖2所示。剛下線時(shí)斷口形貌為黑心纖維區(qū)+灰白色放射區(qū)+剪切唇，中心部位的黑心較小，放射區(qū)較大，剪切唇薄，這時(shí)斷面收縮率較小。隨著自然時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，中心部位的纖維區(qū)不斷擴(kuò)大，即我們常說的黑心長(zhǎng)大，放射區(qū)逐漸縮小，剪切唇逐漸增厚，當(dāng)時(shí)效達(dá)到25天時(shí)，試樣斷口的放射區(qū)幾乎消失，纖維區(qū)面積擴(kuò)大到幾乎整個(gè)斷面，纖維區(qū)和剪切唇相鄰，整個(gè)斷口的顏色較黑，形成了全黑色斷口；說明在斷裂過程中，裂紋從試樣中心的纖維區(qū)向外擴(kuò)展時(shí)，裂紋源外側(cè)的整個(gè)區(qū)域都有很大的塑性變形，而剪切唇也在該塑性區(qū)內(nèi)形成。顯然，這種情況下塑性較好，變形的約束較小。因此我們也可以講黑心越大，盤條的塑性指標(biāo)就越好。

圖2 82B鋼盤條(Φ13 mm)熱軋下線及經(jīng)時(shí)效后的拉伸試樣斷口形貌

從上述對(duì)自然時(shí)效處理前、后斷口形態(tài)變化來看，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，心部纖維區(qū)不斷擴(kuò)大，剪切唇逐漸增厚，放射區(qū)逐漸縮小，有的試樣放射區(qū)甚至消失，這是材料斷面收縮率提高的標(biāo)志，這與時(shí)效過程中的斷面收縮率升高的試驗(yàn)結(jié)果相符，在時(shí)效過程中強(qiáng)度變化不大。有研究表明，82B鋼盤條置于室溫下自然時(shí)效后，使其緩緩地發(fā)生變化，盤條中殘余應(yīng)力、氣體(氮、氫)等得以消除或減少，從而使斷面收縮率升高[2-5]。

2.3 異常斷口分析

82B鋼盤條在熱軋下線后拉伸試驗(yàn)時(shí)常出現(xiàn)異常斷口，主要有兩類：

(1)拉伸試驗(yàn)時(shí)斷在標(biāo)點(diǎn)或夾持壓痕處

82B鋼盤條拉伸試驗(yàn)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)斷在標(biāo)點(diǎn)處或夾持壓痕處的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種斷裂時(shí)，斷裂源常在標(biāo)點(diǎn)處或夾持壓痕處，使斷裂由盤條表面開始，先產(chǎn)生較小面積的塑性變形區(qū)，然后裂紋快速擴(kuò)展直至斷裂，斷口呈脆性平齊形貌，黑心區(qū)域(纖維區(qū))也隨之移到斷口邊緣，如圖3所示。這種斷裂方式使得塑性指標(biāo)有所下降，有時(shí)幾乎測(cè)量不到斷面收縮率，屬于無效試驗(yàn)，應(yīng)重新取樣檢驗(yàn)。

圖3 82B盤條斷在夾持壓痕處的斷口

(2)拉伸試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)黑心白點(diǎn)的斷口

82B鋼盤條拉伸試驗(yàn)時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷口纖維區(qū)中心存在白色小點(diǎn)，稱為黑心白點(diǎn)的斷口。黑心白點(diǎn)區(qū)域在斷口上的呈現(xiàn)位置有兩種，一種是出現(xiàn)在斷口的心部，另一種是偏離斷口心部區(qū)域，如圖4所示。經(jīng)掃描電鏡分析，白點(diǎn)區(qū)域微觀特征呈現(xiàn)解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂特征，黑心區(qū)域微觀特征仍呈現(xiàn)韌窩斷裂特征；一般在白點(diǎn)區(qū)域心部可發(fā)現(xiàn)存在粗大夾雜物，如圖5所示；如果在白點(diǎn)區(qū)域心部沒有發(fā)現(xiàn)存在粗大夾雜物而是發(fā)現(xiàn)有晶體學(xué)幾何花樣形貌，則表示白點(diǎn)區(qū)心部存在網(wǎng)狀滲碳體，如圖6所示。經(jīng)過多次檢驗(yàn)表明，黑心白點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)在斷口的心部，則可能是心部存在粗大夾雜物或網(wǎng)狀滲碳體引起的，而黑心白點(diǎn)區(qū)域偏離斷口的心部，只能是心部存在粗大夾雜物引起的。

圖4 黑心白點(diǎn)的斷口

圖5 黑心白點(diǎn)斷口的白點(diǎn)區(qū)域心部存在粗大夾雜物

圖6 存在網(wǎng)狀滲碳體的白點(diǎn)區(qū)域微觀形貌

當(dāng)82B鋼盤條中心部位存在粗大夾雜物或網(wǎng)狀滲碳體時(shí)，由于粗大夾雜物或網(wǎng)狀滲碳體在拉伸試驗(yàn)時(shí)處于應(yīng)力集中狀態(tài)，斷裂最先從粗大夾雜物或網(wǎng)狀滲碳體處發(fā)生，然后在內(nèi)應(yīng)力作用下裂紋快速擴(kuò)展，此時(shí)斷裂區(qū)域呈現(xiàn)解理斷裂特征，斷面比較平坦，反光能力較強(qiáng)，顏色呈灰白色；待局部?jī)?nèi)應(yīng)力得到釋放后，又恢復(fù)了正常的拉伸斷裂過程，即遵循纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇的斷裂過程，故形成了黑心白點(diǎn)的斷口。82B鋼盤條拉伸試樣斷口出現(xiàn)黑心白點(diǎn)形貌需要具備兩個(gè)條件:一個(gè)是盤條心部存在粗大的夾雜物或網(wǎng)狀滲碳體，另一個(gè)是盤條自身存在較大的內(nèi)應(yīng)力；二者缺一不可。所以，這種斷口形貌在82B鋼盤條剛下線時(shí)的拉伸試驗(yàn)中可見到，而經(jīng)自然時(shí)效后的拉伸試驗(yàn)中則較少觀察到。

3 結(jié)束語

(1)82B鋼盤條熱軋后拉伸試樣斷口出現(xiàn)的黑心區(qū)，實(shí)為斷口上的纖維區(qū)。剛下線時(shí)的拉伸試樣斷口纖維區(qū)較小、其斷面收縮率低；隨著自然時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維區(qū)逐漸增大，斷面收縮率隨之提高。

(2)出現(xiàn)黑心白點(diǎn)的異常斷口原因是由于82B鋼盤條心部存在粗大夾雜物或網(wǎng)狀滲碳體，同時(shí)盤條自身存在較大的內(nèi)應(yīng)力。