PC钢棒30MnSi断裂的失效分析★

任宏瑞， 曹 宇， 李福龙， 王 炎， 金 铎， 高小丽

（1.吕梁学院化学化工系， 山西 吕梁 033000；2.吕梁市城乡规划局， 山西 吕梁 033000）

PC钢棒具有高强度、高韧性、低松弛性、可焊接性、与混凝土握裹力强等特点，被认为是“资源节约型”和“环境友好型”绿色钢材，广泛应用于高强预应力混凝土离心管桩、电杆、高架桥墩、铁路轨枕等预应力构件中[1-4]。预应力混凝土构件生产工艺流程为：PC钢棒→锯切→短部加热→墩头→做骨架→给拉应力→混凝土浇筑。吕梁市某钢厂PC钢棒30MnSi在墩头时发生了断裂现象，对断裂PC钢棒进行断口分析、化学成分分析、硬度检测、非金属夹杂物测定和显微组织分析，以探究其断裂的原因。

1 断口分析

1.1 断口宏观分析

图1所示为PC钢棒30MnSi断口宏观形貌。由图1-1中可以看出，试样断裂位置为PC钢棒的螺纹处。由图1-2可以看出，断口表面崎岖不平，有少量的塑性变形，断口表面大部分为暗色，有极少数的银白色亮点，且断口表面有较多污染物与铁锈，裂纹源和扩展区不明显，出现这种现象的原因可能是试样断裂以后搁置时间较长。

1.2 断口微观分析

将试样的断口部分切割下来，然后用丙酮溶液对断口进行超声清洗。清洗后于扫描电镜下观察其断口形貌。

图1 PC钢棒30MnSi断口宏观形貌

图2为试样断口的SEM图。从图2-1，图2-2可以看出，试样断口上有少量的二次裂纹。由图2-3可以看出，试样断口表面有明显的河流状花样，说明此钢棒的断裂有脆性断裂。由图2-4可以看出，试样断口表面有部分韧窝，说明此钢棒的断裂也有韧性断裂。因此，此钢棒的断裂既有脆性断裂，又有韧性断裂。

图2 试样断口的SEM图（不同部位的微观形貌图）

2 化学成分分析

对试样进行化学成分分析，结果见表1。从表1中可以看出，PC钢棒30MnSi的化学成分符合零件标准成分，不是造成断裂的原因。

表1 PC钢棒30MnSi的化学成分表 %

3 硬度检测

如图3所示，测定试样横截面上从心部到边部5个位置处的硬度，每个位置测定5次，取平均值，结果如表2。由表2可以看出，试样从心部到边部的硬度值极不均匀，依次增大。这是由于30MnSi热轧盘条的热处理工艺不当造成的，可能的原因是热处理过程中加热的速度和冷却的速度过快造成的。

图3 PC钢棒30MnSi横截面硬度检测点

表2 PC钢棒30MnSi横截面不同位置处的硬度值

4 微观分析

4.1 试样横截面的SEM图

取PC钢棒的横截面，经过粗抛、精抛后于扫描电镜下进行观察，结果如图4。由图4可以看出，试样横截面上有球状的非金属夹杂物，没有微裂纹。根据GB/T 10561—2005[5]对其进行分析，该夹杂物为1.0级的球状氧化物。这可能是造成断裂的原因。

4.2 试样纵截面的SEM图

取PC钢棒的纵截面，经过粗抛、精抛后于扫描电镜下进行观察，结果如图5。由图5-1可以看出，试样的边部有密集的微裂纹。图5-2为图5-1的放大图。由图5-2可以看出，微裂纹内部有黑色的夹杂物，根据其外形和颜色可以定性的判断，此夹杂物为硅酸盐类夹杂物，并且裂纹有沿着夹杂物扩展的趋势。由图5-3，5-4可以看出，试样的心部也有微裂纹，并且微裂纹有相互联结长大的趋势。图5-2为单个的微裂纹，图5-3是单个的微裂纹相互联结长大形成的[6]。因此，纵截面上微裂纹及其扩展是造成断裂的原因之一。

图4 试样横截面的SEM图

图5 试样纵截面的SEM图

4.3 试样的组织分析

将精抛后试样的横截面用4%硝酸酒精溶液侵蚀，对其组织进行观察，结果如图6。由图6可以看出，试样的基体组织为均匀的铁素体和珠光体，金相组织正常。

图6 试样横截面侵蚀后的SEM图

5 分析与讨论

PC钢棒是由热轧盘条30MnSi经热处理后制成，热处理后的PC钢棒的抗拉强度达到1 400 MPa以上，是一种技术含量很高的预应力钢材。因此，这对PC钢棒所用原材料30MnSi钢提出了更高的要求，盘条成分要均匀稳定，钢的纯净度要高，机械性能和表面质量要好等。

1）从化学成分和显微组织分析，断裂的PC钢棒化学成分符合标准，显微组织正常。

2）从硬度方面分析，PC钢棒从心部到边部硬度逐渐增大，可能的原因是30MnSi热轧盘条热处理过程中加热不均匀，冷却速度不均匀造成的。

3）从非金属夹杂物和微裂纹角度分析，硅酸盐类夹杂、球状氧化物夹杂和微裂纹的存在是PC钢棒断裂的首要原因。这是因为PC钢棒受到外力时，在夹杂物存在的地方会产生应力集中，当应力超过PC钢棒的抗拉强度时，钢棒就出现了新的微裂纹，微裂纹不断增多，并且相互联结长大导致钢棒断裂。出现非金属夹杂物的原因是30MnSi钢在出钢后的精炼剂不当造成的。

6 结论

30MnSi钢出钢后的精炼剂不当和30MnSi热轧盘条的热处理工艺不当是造成PC钢棒断裂的主要原因。

1）全程保护浇注，出钢后对钢水进行钙处理，使夹杂物变成容易从钢水中排出的钙铝酸盐，以减少30MnSi钢中夹杂物的含量。

2）热处理过程中控制加热的速度和冷却的速度，避免出现钢棒硬度的不均匀。

[1] 李继康，李文成.30MnSi钢棒断裂原因分析[J].金属热处理，2011（9）：420-424.

[2] 王燕，张桂芹，赵文成.PC钢棒30MnSi开裂失效分析[J].热加工工艺，2012，41（13）：226-227.

[3] 张飞鹏，董海鹏，李永现.合金元素对高强PC钢棒力学性能的影响[J].金属热处理，2014，39（1）：99-101.

[4] 肖桂枝，邸洪双.热处理工艺对30MnSiPC钢棒耐延迟断裂性能的影响[J].钢铁，2008，43（1）：68-72.

[5] 中国钢标准化委员会.钢中非金属夹杂物含量的测定显微检验法标准评级图：GB/T 10561—2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

[6] 周漪，梅华生，赵宗涵，等.路灯灯管支架断裂失效分析[J].精密成形工程，2005（6）：100-104.