30M nSi钢棒延迟断裂原因分析及改进

徐龙庆，耿晓东，刘桂华，刘　莹（天津钢铁集团有限公司技术中心，天津300301）



30M nSi钢棒延迟断裂原因分析及改进

徐龙庆，耿晓东，刘桂华，刘莹
（天津钢铁集团有限公司技术中心，天津300301）

[摘要]针对30MnSi管桩钢筋（PC钢棒）延迟脆断的问题，对30MnSi盘条和PC钢棒的化学成分、力学性能、金相组织、断口形貌等进行分析。结果表明：造成PC钢棒延迟脆断的直接原因是钢棒的加工和热处理工艺不当，间接原因是钢中的化学成分和气体含量影响。严格控制盘条的化学成分，适当提高钢中的Si含量，延长盘条的时效处理时间有利于减少钢棒延迟断裂现象的发生。

[关键词]钢棒；延迟脆断；热处理；化学成分；时效；氢致裂纹

修回日期：2015-04-06

1　引言

预应力混凝土用钢棒（简称PC钢棒）是制作预应力混凝土管桩的重要材料，其以盘条为原料，通过阴螺纹拉拔、感应加热、淬火、回火和镦头等工序制成，具有高强韧性、低松弛性、优良的可焊性等优点，广泛应用于高层建筑、桥梁、水利等大型建筑设施工程[1]。PC钢棒虽然是目前最广泛使用的管桩用钢，但其冬季延迟脆断问题始终未能完全消除，成为困扰广大钢棒和管桩厂家主要问题。天钢拥有多年管桩钢生产经验，以产品性能稳定、质量可靠获得了用户广泛好评，但在2014年冬季生产的一批30MnSi盘条在制成PC钢棒后静置过程中，出现了较为严重的脆性断裂问题，引起产品质量部门及技术人员的高度重视，立即组织人员对PC钢棒延迟脆断原因进行研究。

2　断裂机理及影响因素分析

2.1断裂机理分析

PC钢棒在静置和管桩制作过程中发生的脆性断裂现象，通常称为氢致延迟断裂。氢致延迟断裂理论认为钢中的氢在应力梯度的作用下通过位错、晶粒界面等通道扩展到裂纹尖端局部区域高度富集，富集区域的氢浓度达到临界值后，裂纹开始形成和扩展，最终导致材料在外应力远低于断裂应力时产生断裂[2]。另外，研究认为，H在钢中有如下两种扩散方式：一是H由高浓度部位向低浓度部位扩散；二是H由高应力部位向低应力部位扩散[3]。因此，在整体氢浓度不太高的情况下，若钢中残余应力过大，且残余应力分布不均，则钢中的H不断向应力集中部位扩散、集聚，最终引起断裂。

PC钢棒的延迟脆断现象除与钢中的H含量有关外，还与钢的化学成分、加工状态、环境温度和热处理工艺等有关。

2.2化学成分的影响

PC钢棒要求热处理后具有高强韧性、低松弛性以及良好的可焊性，因此在化学成分选择上应以强化基体、增加钢的淬透性为主的合金元素，同时考虑成本因素及我国资源优势，我国在PC钢棒在成分选择上以Si-Mn系列钢为主，主要成分的作用如下：

C：碳在钢中以间隙固溶形式存在，是提高钢强度的最有效元素，还能增加钢的淬透性和淬硬性，但随着C含量的增加，钢的韧性降低，要同时获得高的强度和韧性，必须对钢中的C含量进行严格控制。日本作为预应力混凝土钢棒的鼻祖，其在JIS G3109中对其他合金元素并没有具体规定，但对C的范围进行了明确的限定[4]。

Si：硅可以提高钢的强度、硬度和淬透性。Si在高温条件下热稳定性好，增加钢的抗回火性能，使钢能在较高温度下回火，从而改善钢的韧性和抗延迟断裂性能，因此，在预应力混凝土钢棒中通常采用较多的Si，以增加其回火性能，提高钢回火后的综合性能。

Mn：锰可增加钢的奥氏体稳定性，降低临界冷却速度，提高淬透性，并且使钢淬火后回火过程中组织分解转变速度减慢，提高回火稳定性，从而使钢强度、硬度随回火温度升高而下降的程度减弱。但Mn含量提高使钢在高温下晶粒容易粗化，增加钢的回火脆性。尤其是Si、Mn含量同时高时，这种倾向更严重。

因此，管桩钢在成分选择时，在保证力学性能符合要求的情况下应尽量降低钢中的C含量，适当增加Si含量，同时Mn含量合理添加，以保证钢的延性和塑性。

2.3环境温度影响

环境温度对钢的延迟脆断有重要影响。我国PC钢棒的延迟断裂问题主要发生在北方的冬季，其中以大规格PC钢棒为主，这其实与钢中氢的逃逸速度有关，而氢的逃逸速度与环境温度有直接关系。北方冬季气温低，氢的逃逸速度慢，且大规格钢棒中氢扩散距离长，因此残留于钢中残余氢含量高，同时在冬季生产PC钢棒时，因环境温度影响，钢中的残余应力大，在残余应力和氢扩散共同作用下导致钢棒在冬季延迟断裂问题严重。

2.4热处理工艺影响

30MnSi盘条通过阴螺纹拉拔、感应加热、淬火和回火等工序制成PC钢棒。在淬火过程中，组织由奥氏体瞬间转变为马氏体，由于马氏体相与奥氏体相有较大的比容差，相变后产生较大的组织应力，组织应力与淬火过程中产生的热应力相互叠加，将使钢产生巨大的内部应力。这种应力在后续的正常回火过程中基本可以消除，但在回火温度低的情况下，回火过程虽可以消除一部分残余应力，但淬火时形成的马氏体并不能完全消除，而马氏体相为硬性组织，对裂纹敏感性高。因此，在应力作用下马氏体组织与正常组织界面处最容易形成裂纹，裂纹在应力作用下不断扩展，最终导致断裂。

同时，因回火温度低使钢的抗拉强度提高，产生氢致延迟断裂断裂的敏感性加大，据研究，在抗拉强度大于1 200 MPa时，延迟断裂敏感性急剧增加[3]。

3　 PC钢棒断裂试样分析

3.1表面宏观观察

对PC钢棒断裂试样进行表面宏观观察，断裂试样断口均为脆性平齐断口，断裂源均位于PC钢棒阴螺纹凹槽处，断裂源位置有明显的机械外伤，如图1所示。

图1　宏观断口形貌

3.2断口扫描电镜检测

扫描电镜观察，裂纹源位于试样边缘位置，裂纹线由表面向基体内部呈发散状扩展，如图2（a）所示；最表面裂纹源处钢基体受挤压变形，裂纹源附近形貌表现为沿晶形貌，为脆性断裂所致，如图2（b）所示。

3.3金相组织检测

对30MnSi盘条和PC钢棒进行金相组织检测，盘条组织为正常铁素体+珠光体，组织均匀，如图3（a）所示；PC钢棒组织为回火索氏体+针状马氏体，如图3（b）所示。

图2　PC钢棒扫描电镜形貌

图3　盘条和钢棒横向组织

3.4化学成分及气体含量检测

对30MnSi盘条和PC钢棒进行化学成分及气体含量检测，结果如表1所示。化学成分均符合GB/T5223.3-2005标准要求，但实测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盘条、钢棒化学成分及H含量/w%

3.5力学性能检测

对30MnSi盘条和PC钢棒进行力学性能检测，盘条控制范围逸650，盘条抗拉强度665 MPa，强度适中，PC钢棒抗拉强度1 530耀1 580 MPa，钢棒要求抗拉强度逸1 420 MPa，钢棒抗拉强度偏高。

3.6分析结果

通过对盘条和断裂钢棒试样的断口形貌、化学成分、金相组织和力学性能方面综合分析认为：

钢中C含量高，Si含量低，导致钢的塑性和韧性降低，回火稳定性和抗延迟断裂能力变差。

为了保证热处理后PC钢棒强度符合要求，用户降低了回火温度，虽然也同时调低拉拔速度，间接延长了回火时间，但回火时间的延长无法弥补因回火温度低对组织造成的影响，导致淬火后钢棒内马氏体组织在回火过程中未能完全消除，最终形成回火索氏体+马氏体组织。

因回火温度低和马氏体组织的影响，钢棒的抗拉强度提高、裂纹敏感性增加。

因回火温度低使钢的组织应力和热应力增加，而钢棒螺纹凹槽处为应力最集中部位，在机械擦伤、H聚集和残余应力共同作用下，该处最先形成裂纹，裂纹随时间延长和应力的持续而不断扩展，最终导致断裂。冬季温度低，H在钢中扩散时间长，热处理应力大，因此PC钢棒延迟断裂现象在冬季最容易发生。

4　改进措施

基于以上原因，我厂进行了针对性的工艺优化，具体措施为：炼钢环节通过原料把关、精炼微正压操作和全程保护浇铸等措施降低钢水中的H含量；在成分设计上，适当提高了Si含量，通过试验，PC钢棒延迟问题明显改善；轧钢过程中强化钢的延迟冷却效果，延长盘条时效时间，使钢中的H充分释放，确保盘条H含量低。

5　结论

PC钢棒的回火温度低，抗拉强度高，针状马氏体以及表面机械擦伤是造成钢棒延迟脆断的直接原因；钢中H含量高、Si含量低是造成PC钢棒延迟断裂的间接原因；提高钢中的Si含量可明显改善PC钢棒的抗延迟断裂性能。

参考文献

[1]徐壮，徐倩，徐龙庆.高强度管桩用盘条高线工艺开发[J].天津冶金，2014（4）：16-19.

[2]朱伏先，李艳梅，吴颖.PC钢棒的延迟断裂及其对策[J].金属制品，2003（1）：6-9.

[3]杨边疆，吕利伟.PC钢棒用30MnSi钢断裂探究[J].河北冶金，2012（3）：19-22.

[4]陆辛度，朱保众，潘勤伦.改进预应力混凝土钢棒生产工艺的探讨[J].特殊钢，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

作者简介：徐龙庆（1983—），男，山东聊城人，硕士，工程师，主要从事轧钢方面的研究工作。