徐龍慶,耿曉東,劉桂華,劉 瑩(天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,天津300301)
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30M nSi鋼棒延遲斷裂原因分析及改進(jìn)
徐龍慶,耿曉東,劉桂華,劉瑩
(天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,天津300301)
[摘要]針對(duì)30MnSi管樁鋼筋(PC鋼棒)延遲脆斷的問(wèn)題,對(duì)30MnSi盤(pán)條和PC鋼棒的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、斷口形貌等進(jìn)行分析。結(jié)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(dāng),間接原因是鋼中的化學(xué)成分和氣體含量影響。嚴(yán)格控制盤(pán)條的化學(xué)成分,適當(dāng)提高鋼中的Si含量,延長(zhǎng)盤(pán)條的時(shí)效處理時(shí)間有利于減少鋼棒延遲斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。
[關(guān)鍵詞]鋼棒;延遲脆斷;熱處理;化學(xué)成分;時(shí)效;氫致裂紋
修回日期:2015-04-06
預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒(簡(jiǎn)稱(chēng)PC鋼棒)是制作預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的重要材料,其以盤(pán)條為原料,通過(guò)陰螺紋拉拔、感應(yīng)加熱、淬火、回火和鐓頭等工序制成,具有高強(qiáng)韌性、低松弛性、優(yōu)良的可焊性等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁、水利等大型建筑設(shè)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(wèn)題始終未能完全消除,成為困擾廣大鋼棒和管樁廠(chǎng)家主要問(wèn)題。天鋼擁有多年管樁鋼生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),以產(chǎn)品性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠獲得了用戶(hù)廣泛好評(píng),但在2014年冬季生產(chǎn)的一批30MnSi盤(pán)條在制成PC鋼棒后靜置過(guò)程中,出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的脆性斷裂問(wèn)題,引起產(chǎn)品質(zhì)量部門(mén)及技術(shù)人員的高度重視,立即組織人員對(duì)PC鋼棒延遲脆斷原因進(jìn)行研究。
2.1斷裂機(jī)理分析
PC鋼棒在靜置和管樁制作過(guò)程中發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象,通常稱(chēng)為氫致延遲斷裂。氫致延遲斷裂理論認(rèn)為鋼中的氫在應(yīng)力梯度的作用下通過(guò)位錯(cuò)、晶粒界面等通道擴(kuò)展到裂紋尖端局部區(qū)域高度富集,富集區(qū)域的氫濃度達(dá)到臨界值后,裂紋開(kāi)始形成和擴(kuò)展,最終導(dǎo)致材料在外應(yīng)力遠(yuǎn)低于斷裂應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生斷裂[2]。另外,研究認(rèn)為,H在鋼中有如下兩種擴(kuò)散方式:一是H由高濃度部位向低濃度部位擴(kuò)散;二是H由高應(yīng)力部位向低應(yīng)力部位擴(kuò)散[3]。因此,在整體氫濃度不太高的情況下,若鋼中殘余應(yīng)力過(guò)大,且殘余應(yīng)力分布不均,則鋼中的H不斷向應(yīng)力集中部位擴(kuò)散、集聚,最終引起斷裂。
PC鋼棒的延遲脆斷現(xiàn)象除與鋼中的H含量有關(guān)外,還與鋼的化學(xué)成分、加工狀態(tài)、環(huán)境溫度和熱處理工藝等有關(guān)。
2.2化學(xué)成分的影響
PC鋼棒要求熱處理后具有高強(qiáng)韌性、低松弛性以及良好的可焊性,因此在化學(xué)成分選擇上應(yīng)以強(qiáng)化基體、增加鋼的淬透性為主的合金元素,同時(shí)考慮成本因素及我國(guó)資源優(yōu)勢(shì),我國(guó)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(qiáng)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(shí)獲得高的強(qiáng)度和韌性,必須對(duì)鋼中的C含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。日本作為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼棒的鼻祖,其在JIS G3109中對(duì)其他合金元素并沒(méi)有具體規(guī)定,但對(duì)C的范圍進(jìn)行了明確的限定[4]。
Si:硅可以提高鋼的強(qiáng)度、硬度和淬透性。Si在高溫條件下熱穩(wěn)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(yù)應(yīng)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(wěn)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(guò)程中組織分解轉(zhuǎn)變速度減慢,提高回火穩(wěn)定性,從而使鋼強(qiáng)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(shí)高時(shí),這種傾向更嚴(yán)重。
因此,管樁鋼在成分選擇時(shí),在保證力學(xué)性能符合要求的情況下應(yīng)盡量降低鋼中的C含量,適當(dāng)增加Si含量,同時(shí)Mn含量合理添加,以保證鋼的延性和塑性。
2.3環(huán)境溫度影響
環(huán)境溫度對(duì)鋼的延遲脆斷有重要影響。我國(guó)PC鋼棒的延遲斷裂問(wèn)題主要發(fā)生在北方的冬季,其中以大規(guī)格PC鋼棒為主,這其實(shí)與鋼中氫的逃逸速度有關(guān),而氫的逃逸速度與環(huán)境溫度有直接關(guān)系。北方冬季氣溫低,氫的逃逸速度慢,且大規(guī)格鋼棒中氫擴(kuò)散距離長(zhǎng),因此殘留于鋼中殘余氫含量高,同時(shí)在冬季生產(chǎn)PC鋼棒時(shí),因環(huán)境溫度影響,鋼中的殘余應(yīng)力大,在殘余應(yīng)力和氫擴(kuò)散共同作用下導(dǎo)致鋼棒在冬季延遲斷裂問(wèn)題嚴(yán)重。
2.4熱處理工藝影響
30MnSi盤(pán)條通過(guò)陰螺紋拉拔、感應(yīng)加熱、淬火和回火等工序制成PC鋼棒。在淬火過(guò)程中,組織由奧氏體瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,由于馬氏體相與奧氏體相有較大的比容差,相變后產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力,組織應(yīng)力與淬火過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力相互疊加,將使鋼產(chǎn)生巨大的內(nèi)部應(yīng)力。這種應(yīng)力在后續(xù)的正常回火過(guò)程中基本可以消除,但在回火溫度低的情況下,回火過(guò)程雖可以消除一部分殘余應(yīng)力,但淬火時(shí)形成的馬氏體并不能完全消除,而馬氏體相為硬性組織,對(duì)裂紋敏感性高。因此,在應(yīng)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(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂。
同時(shí),因回火溫度低使鋼的抗拉強(qiáng)度提高,產(chǎn)生氫致延遲斷裂斷裂的敏感性加大,據(jù)研究,在抗拉強(qiáng)度大于1 200 MPa時(shí),延遲斷裂敏感性急劇增加[3]。
3.1表面宏觀(guān)觀(guān)察
對(duì)PC鋼棒斷裂試樣進(jìn)行表面宏觀(guān)觀(guān)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(jī)械外傷,如圖1所示。
圖1 宏觀(guān)斷口形貌
3.2斷口掃描電鏡檢測(cè)
掃描電鏡觀(guān)察,裂紋源位于試樣邊緣位置,裂紋線(xiàn)由表面向基體內(nèi)部呈發(fā)散狀擴(kuò)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(xiàn)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(cè)
對(duì)30MnSi盤(pán)條和PC鋼棒進(jìn)行金相組織檢測(cè),盤(pán)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(pán)條和鋼棒橫向組織
3.4化學(xué)成分及氣體含量檢測(cè)
對(duì)30MnSi盤(pán)條和PC鋼棒進(jìn)行化學(xué)成分及氣體含量檢測(cè),結(jié)果如表1所示?;瘜W(xué)成分均符合GB/T5223.3-2005標(biāo)準(zhǔn)要求,但實(shí)測(cè)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(pán)條、鋼棒化學(xué)成分及H含量/w%
3.5力學(xué)性能檢測(cè)
對(duì)30MnSi盤(pán)條和PC鋼棒進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),盤(pán)條控制范圍逸650,盤(pán)條抗拉強(qiáng)度665 MPa,強(qiáng)度適中,PC鋼棒抗拉強(qiáng)度1 530耀1 580 MPa,鋼棒要求抗拉強(qiáng)度逸1 420 MPa,鋼棒抗拉強(qiáng)度偏高。
3.6分析結(jié)果
通過(guò)對(duì)盤(pán)條和斷裂鋼棒試樣的斷口形貌、化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能方面綜合分析認(rèn)為:
鋼中C含量高,Si含量低,導(dǎo)致鋼的塑性和韌性降低,回火穩(wěn)定性和抗延遲斷裂能力變差。
為了保證熱處理后PC鋼棒強(qiáng)度符合要求,用戶(hù)降低了回火溫度,雖然也同時(shí)調(diào)低拉拔速度,間接延長(zhǎng)了回火時(shí)間,但回火時(shí)間的延長(zhǎng)無(wú)法彌補(bǔ)因回火溫度低對(duì)組織造成的影響,導(dǎo)致淬火后鋼棒內(nèi)馬氏體組織在回火過(guò)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(qiáng)度提高、裂紋敏感性增加。
因回火溫度低使鋼的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力增加,而鋼棒螺紋凹槽處為應(yīng)力最集中部位,在機(jī)械擦傷、H聚集和殘余應(yīng)力共同作用下,該處最先形成裂紋,裂紋隨時(shí)間延長(zhǎng)和應(yīng)力的持續(xù)而不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂。冬季溫度低,H在鋼中擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng),熱處理應(yīng)力大,因此PC鋼棒延遲斷裂現(xiàn)象在冬季最容易發(fā)生。
基于以上原因,我廠(chǎng)進(jìn)行了針對(duì)性的工藝優(yōu)化,具體措施為:煉鋼環(huán)節(jié)通過(guò)原料把關(guān)、精煉微正壓操作和全程保護(hù)澆鑄等措施降低鋼水中的H含量;在成分設(shè)計(jì)上,適當(dāng)提高了Si含量,通過(guò)試驗(yàn),PC鋼棒延遲問(wèn)題明顯改善;軋鋼過(guò)程中強(qiáng)化鋼的延遲冷卻效果,延長(zhǎng)盤(pán)條時(shí)效時(shí)間,使鋼中的H充分釋放,確保盤(pán)條H含量低。
PC鋼棒的回火溫度低,抗拉強(qiáng)度高,針狀馬氏體以及表面機(jī)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(xiàn)
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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(jiǎn)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。