SWRH82B钢盘条拉伸试样断口形貌分析①

赵小金， 苏祯祺， 徐旋旋， 赵 宜

(中天钢铁集团有限公司，江苏 常州 213011)

引 言

SWRH82B高碳钢(以下简称“82B钢”)盘条是制作高强度预应力钢绞线的主要原材料。82B钢盘条在钢绞线加工过程中要经过多道次冷拔，变形量累计达到60%以上，因此要求82B钢盘条不仅具有高的抗拉强度，而且要有高的断面收缩率。大规格82B钢盘条在热轧下线时断面收缩率普遍较低，经过一段时间自然时效后，其数值会升高约10%～15%；即82B钢盘条存在时效现象，热轧后自然放置一段时间后断面收缩率会提高[1]，目前普遍认为这是由于钢中气体的析出和相变应力及热应力释放的结果[2]。热轧后的82B钢盘条经拉伸试验后，其断口心部常会出现一圆形黑色区域，通常称其为黑心；轧制刚下线时，黑心尺寸较小，随着时效时间的增加，黑心尺寸也逐步增大，直至整个试样断口均呈现深灰色。为了深入了解82B钢盘条拉伸试样断口黑心特征的成因，故对82B钢盘条拉伸试样断口形貌特征进行了分析。

1 试验过程

1.1 试验材料

82B钢热轧盘条的基本生产工艺流程为：铁水→混铁炉→转炉冶炼→LF炉精炼→连铸机拉坯→步进式加热炉加热→高速线材轧机轧制→吐丝→控冷→检测→入库。

试验所用82B钢Φ13 mm盘条的化学成分如表1所示。

表1 82B钢盘条的化学成分/%

1.2 试验方法

制取82B钢Φ13 mm盘条生产下线后及自然时效7天、15天、25天后的力学试样，在同一台拉伸机上完成拉伸试验，并记录试验结果；同时采用宏观检验、扫描电镜及能谱仪、金相检验等方法对断口进行分析。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

82B钢Φ13 mm盘条热轧下线及自然时效后的力学性能测试结果如表2所示。

由表2可见，82B钢Φ13 mm盘条在0～25天自然时效过程中，抗拉强度变化较小，而伸长率和断面收缩率都有增加，其中断面收缩率变化较大，呈现明显上升趋势。在时效初期，塑性值增幅不大，并且波动比较大，有高有低，极不稳定；随着时效时间的延长，塑性值稳定在某一值以上，如时效15 天以后的断面收缩率稳定在35%以上。

表2 82B钢盘条(Φ13 mm)热轧下线及时效后的力学性能测试结果

2.2 断口形貌特征分析

2.2.1 热轧下线

82B钢盘条热轧下线后拉伸试样断口通常分为三个区域，即纤维区、放射区、剪切唇，简称为断口三要素，如图1(a)所示。与中、高碳钢(正火或退火状态)光圆试样拉伸试样断口形貌相同。

图1 82B钢盘条(Φ13 mm)热轧下线拉伸试样断口形貌

1)纤维区

纤维区一般位于断口中央，也称塑性变形区，呈粗糙的纤维状圆形花样，颜色深灰，也称为黑心。有时纤维区由许多混乱的纤维头或一系列细小的圆周棱组成。

在拉伸试验时，断裂最先在该区产生。当材料发生塑性变形时，产生缩颈形成三向应力状态，中心轴向应力随着缩颈的进展不断增大，在三向应力作用下，使非金属夹杂物、渗碳体或其他第二相质点在其与金属基体界面处产生分离而形成显微空洞(微孔)，然后空洞长大、聚集形成锯齿状的纤维状断口[1]。

纤维区微观特征为大小不一的韧窝，如图1(b)所示；由于密集的韧窝反光性较差，所以纤维区呈现为深灰色或黑色，在拉伸试样断口上形成类似“黑心”形貌。

纤维区为裂纹缓慢扩展区，并伴随着较大的塑性变形。材料的塑性越好，纤维区面积越大，即“黑心”尺寸及面积越大。

2)放射区

围绕纤维区的是放射区，呈现放射花样特征。在放射区内裂纹快速或不稳定扩展，放射棱与裂纹扩展方向一致。放射区的微观特征呈现解理断裂或准解理断裂特征，如图1(c)所示；因解理小平面并具有较强的反光能力，使放射区的颜色呈灰白色。放射区塑性变形量很小，呈脆性特征。材料塑性越差，则放射区越大；但有时塑性较好的低碳钢，在受力不均匀时也会产生解理断裂，形成较大面积的放射区。

3)剪切唇

断裂的最后阶段形成的是剪切唇。剪切唇表面较光滑，与拉伸轴向的夹角约呈45°。剪切唇微观特征为韧窝，如图1(d)所示。

4) 小结

因此，根据断口上纤维区、放射区的比例，就可以粗略地评价82B钢盘条断面收缩率的高低。生产上期望82B钢盘条在热轧后拉伸试样断口中纤维区(即黑心)尽可能大，放射区尽可能小，这样的断口形貌才能保证时效后82B钢盘条的断面收缩率达到要求。

2.2.2 自然时效后

82B钢Φ13 mm盘条热轧下线及经自然时效后的拉伸试样断口形貌如图2所示。刚下线时断口形貌为黑心纤维区+灰白色放射区+剪切唇，中心部位的黑心较小，放射区较大，剪切唇薄，这时断面收缩率较小。随着自然时效时间的延长，中心部位的纤维区不断扩大，即我们常说的黑心长大，放射区逐渐缩小，剪切唇逐渐增厚，当时效达到25天时，试样断口的放射区几乎消失，纤维区面积扩大到几乎整个断面，纤维区和剪切唇相邻，整个断口的颜色较黑，形成了全黑色断口；说明在断裂过程中，裂纹从试样中心的纤维区向外扩展时，裂纹源外侧的整个区域都有很大的塑性变形，而剪切唇也在该塑性区内形成。显然，这种情况下塑性较好，变形的约束较小。因此我们也可以讲黑心越大，盘条的塑性指标就越好。

图2 82B钢盘条(Φ13 mm)热轧下线及经时效后的拉伸试样断口形貌

从上述对自然时效处理前、后断口形态变化来看，随着时效时间的延长，心部纤维区不断扩大，剪切唇逐渐增厚，放射区逐渐缩小，有的试样放射区甚至消失，这是材料断面收缩率提高的标志，这与时效过程中的断面收缩率升高的试验结果相符，在时效过程中强度变化不大。有研究表明，82B钢盘条置于室温下自然时效后，使其缓缓地发生变化，盘条中残余应力、气体(氮、氢)等得以消除或减少，从而使断面收缩率升高[2-5]。

2.3 异常断口分析

82B钢盘条在热轧下线后拉伸试验时常出现异常断口，主要有两类：

(1)拉伸试验时断在标点或夹持压痕处

82B钢盘条拉伸试验时常会出现断在标点处或夹持压痕处的现象，产生这种断裂时，断裂源常在标点处或夹持压痕处，使断裂由盘条表面开始，先产生较小面积的塑性变形区，然后裂纹快速扩展直至断裂，断口呈脆性平齐形貌，黑心区域(纤维区)也随之移到断口边缘，如图3所示。这种断裂方式使得塑性指标有所下降，有时几乎测量不到断面收缩率，属于无效试验，应重新取样检验。

图3 82B盘条断在夹持压痕处的断口

(2)拉伸试验时出现黑心白点的断口

82B钢盘条拉伸试验时有时会出现断口纤维区中心存在白色小点，称为黑心白点的断口。黑心白点区域在断口上的呈现位置有两种，一种是出现在断口的心部，另一种是偏离断口心部区域，如图4所示。经扫描电镜分析，白点区域微观特征呈现解理断裂或准解理断裂特征，黑心区域微观特征仍呈现韧窝断裂特征；一般在白点区域心部可发现存在粗大夹杂物，如图5所示；如果在白点区域心部没有发现存在粗大夹杂物而是发现有晶体学几何花样形貌，则表示白点区心部存在网状渗碳体，如图6所示。经过多次检验表明，黑心白点区域出现在断口的心部，则可能是心部存在粗大夹杂物或网状渗碳体引起的，而黑心白点区域偏离断口的心部，只能是心部存在粗大夹杂物引起的。

图4 黑心白点的断口

图5 黑心白点断口的白点区域心部存在粗大夹杂物

图6 存在网状渗碳体的白点区域微观形貌

当82B钢盘条中心部位存在粗大夹杂物或网状渗碳体时，由于粗大夹杂物或网状渗碳体在拉伸试验时处于应力集中状态，断裂最先从粗大夹杂物或网状渗碳体处发生，然后在内应力作用下裂纹快速扩展，此时断裂区域呈现解理断裂特征，断面比较平坦，反光能力较强，颜色呈灰白色；待局部内应力得到释放后，又恢复了正常的拉伸断裂过程，即遵循纤维区、放射区、剪切唇的断裂过程，故形成了黑心白点的断口。82B钢盘条拉伸试样断口出现黑心白点形貌需要具备两个条件:一个是盘条心部存在粗大的夹杂物或网状渗碳体，另一个是盘条自身存在较大的内应力；二者缺一不可。所以，这种断口形貌在82B钢盘条刚下线时的拉伸试验中可见到，而经自然时效后的拉伸试验中则较少观察到。

3 结束语

(1)82B钢盘条热轧后拉伸试样断口出现的黑心区，实为断口上的纤维区。刚下线时的拉伸试样断口纤维区较小、其断面收缩率低；随着自然时效时间的延长，纤维区逐渐增大，断面收缩率随之提高。

(2)出现黑心白点的异常断口原因是由于82B钢盘条心部存在粗大夹杂物或网状渗碳体，同时盘条自身存在较大的内应力。