任宏瑞, 曹 宇, 李福龍, 王 炎, 金 鐸, 高小麗
(1.呂梁學(xué)院化學(xué)化工系, 山西 呂梁 033000;2.呂梁市城鄉(xiāng)規(guī)劃局, 山西 呂梁 033000)
PC鋼棒具有高強(qiáng)度、高韌性、低松弛性、可焊接性、與混凝土握裹力強(qiáng)等特點(diǎn),被認(rèn)為是“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”綠色鋼材,廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中[1-4]。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件生產(chǎn)工藝流程為:PC鋼棒→鋸切→短部加熱→墩頭→做骨架→給拉應(yīng)力→混凝土澆筑。呂梁市某鋼廠PC鋼棒30MnSi在墩頭時(shí)發(fā)生了斷裂現(xiàn)象,對(duì)斷裂PC鋼棒進(jìn)行斷口分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、非金屬夾雜物測(cè)定和顯微組織分析,以探究其斷裂的原因。
圖1所示為PC鋼棒30MnSi斷口宏觀形貌。由圖1-1中可以看出,試樣斷裂位置為PC鋼棒的螺紋處。由圖1-2可以看出,斷口表面崎嶇不平,有少量的塑性變形,斷口表面大部分為暗色,有極少數(shù)的銀白色亮點(diǎn),且斷口表面有較多污染物與鐵銹,裂紋源和擴(kuò)展區(qū)不明顯,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是試樣斷裂以后擱置時(shí)間較長。
將試樣的斷口部分切割下來,然后用丙酮溶液對(duì)斷口進(jìn)行超聲清洗。清洗后于掃描電鏡下觀察其斷口形貌。
圖1 PC鋼棒30MnSi斷口宏觀形貌
圖2為試樣斷口的SEM圖。從圖2-1,圖2-2可以看出,試樣斷口上有少量的二次裂紋。由圖2-3可以看出,試樣斷口表面有明顯的河流狀花樣,說明此鋼棒的斷裂有脆性斷裂。由圖2-4可以看出,試樣斷口表面有部分韌窩,說明此鋼棒的斷裂也有韌性斷裂。因此,此鋼棒的斷裂既有脆性斷裂,又有韌性斷裂。
圖2 試樣斷口的SEM圖(不同部位的微觀形貌圖)
對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。從表1中可以看出,PC鋼棒30MnSi的化學(xué)成分符合零件標(biāo)準(zhǔn)成分,不是造成斷裂的原因。
表1 PC鋼棒30MnSi的化學(xué)成分表 %
如圖3所示,測(cè)定試樣橫截面上從心部到邊部5個(gè)位置處的硬度,每個(gè)位置測(cè)定5次,取平均值,結(jié)果如表2。由表2可以看出,試樣從心部到邊部的硬度值極不均勻,依次增大。這是由于30MnSi熱軋盤條的熱處理工藝不當(dāng)造成的,可能的原因是熱處理過程中加熱的速度和冷卻的速度過快造成的。
圖3 PC鋼棒30MnSi橫截面硬度檢測(cè)點(diǎn)
表2 PC鋼棒30MnSi橫截面不同位置處的硬度值
取PC鋼棒的橫截面,經(jīng)過粗拋、精拋后于掃描電鏡下進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4。由圖4可以看出,試樣橫截面上有球狀的非金屬夾雜物,沒有微裂紋。根據(jù)GB/T 10561—2005[5]對(duì)其進(jìn)行分析,該夾雜物為1.0級(jí)的球狀氧化物。這可能是造成斷裂的原因。
取PC鋼棒的縱截面,經(jīng)過粗拋、精拋后于掃描電鏡下進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖5。由圖5-1可以看出,試樣的邊部有密集的微裂紋。圖5-2為圖5-1的放大圖。由圖5-2可以看出,微裂紋內(nèi)部有黑色的夾雜物,根據(jù)其外形和顏色可以定性的判斷,此夾雜物為硅酸鹽類夾雜物,并且裂紋有沿著夾雜物擴(kuò)展的趨勢(shì)。由圖5-3,5-4可以看出,試樣的心部也有微裂紋,并且微裂紋有相互聯(lián)結(jié)長大的趨勢(shì)。圖5-2為單個(gè)的微裂紋,圖5-3是單個(gè)的微裂紋相互聯(lián)結(jié)長大形成的[6]。因此,縱截面上微裂紋及其擴(kuò)展是造成斷裂的原因之一。
圖4 試樣橫截面的SEM圖
圖5 試樣縱截面的SEM圖
將精拋后試樣的橫截面用4%硝酸酒精溶液侵蝕,對(duì)其組織進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖6。由圖6可以看出,試樣的基體組織為均勻的鐵素體和珠光體,金相組織正常。
圖6 試樣橫截面侵蝕后的SEM圖
PC鋼棒是由熱軋盤條30MnSi經(jīng)熱處理后制成,熱處理后的PC鋼棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 400 MPa以上,是一種技術(shù)含量很高的預(yù)應(yīng)力鋼材。因此,這對(duì)PC鋼棒所用原材料30MnSi鋼提出了更高的要求,盤條成分要均勻穩(wěn)定,鋼的純凈度要高,機(jī)械性能和表面質(zhì)量要好等。
1)從化學(xué)成分和顯微組織分析,斷裂的PC鋼棒化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn),顯微組織正常。
2)從硬度方面分析,PC鋼棒從心部到邊部硬度逐漸增大,可能的原因是30MnSi熱軋盤條熱處理過程中加熱不均勻,冷卻速度不均勻造成的。
3)從非金屬夾雜物和微裂紋角度分析,硅酸鹽類夾雜、球狀氧化物夾雜和微裂紋的存在是PC鋼棒斷裂的首要原因。這是因?yàn)镻C鋼棒受到外力時(shí),在夾雜物存在的地方會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力超過PC鋼棒的抗拉強(qiáng)度時(shí),鋼棒就出現(xiàn)了新的微裂紋,微裂紋不斷增多,并且相互聯(lián)結(jié)長大導(dǎo)致鋼棒斷裂。出現(xiàn)非金屬夾雜物的原因是30MnSi鋼在出鋼后的精煉劑不當(dāng)造成的。
30MnSi鋼出鋼后的精煉劑不當(dāng)和30MnSi熱軋盤條的熱處理工藝不當(dāng)是造成PC鋼棒斷裂的主要原因。
1)全程保護(hù)澆注,出鋼后對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理,使夾雜物變成容易從鋼水中排出的鈣鋁酸鹽,以減少30MnSi鋼中夾雜物的含量。
2)熱處理過程中控制加熱的速度和冷卻的速度,避免出現(xiàn)鋼棒硬度的不均勻。
[1] 李繼康,李文成.30MnSi鋼棒斷裂原因分析[J].金屬熱處理,2011(9):420-424.
[2] 王燕,張桂芹,趙文成.PC鋼棒30MnSi開裂失效分析[J].熱加工工藝,2012,41(13):226-227.
[3] 張飛鵬,董海鵬,李永現(xiàn).合金元素對(duì)高強(qiáng)PC鋼棒力學(xué)性能的影響[J].金屬熱處理,2014,39(1):99-101.
[4] 肖桂枝,邸洪雙.熱處理工藝對(duì)30MnSiPC鋼棒耐延遲斷裂性能的影響[J].鋼鐵,2008,43(1):68-72.
[5] 中國鋼標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定顯微檢驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖:GB/T 10561—2005[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.
[6] 周漪,梅華生,趙宗涵,等.路燈燈管支架斷裂失效分析[J].精密成形工程,2005(6):100-104.