优质预应力钢绞线拉拔断裂因素分析

1.概述

凌钢公司高线机组生产的YL82B钢热轧盘条，用户主要用来冷拔预应力钢绞线。如果盘条的显微组织中存在马氏体、全封闭网状渗碳体和中心偏析等有害组织以及表面存在裂纹、折叠、夹杂、耳子、结疤、分层等对使用有害的缺陷，极易造成用户使用过程中的拉拔断裂[1]。2015年4月开始，凌钢陆续生产YL82B硬线钢，质量一直很稳定，受到用户普遍好评。但2016年8月份以来，客户频繁反映公司盘条质量下降，对用户的使用造成一定影响。因此，有必要对生产在线检验异常试样和用户使用过程中出现的拉拔断裂试样进行系统分析，为凌钢预应力钢绞线用热轧盘条的质量改进提供依据。

2.试样

本次检验试样均来自在线拉伸试样和用户现场取回的质量异议试样，运用蔡司EVO-18扫描电镜、能谱分析仪和蔡司Axio Imager A2m光学显微镜对试样的断口进行形貌观察、能谱分析，并对试样的横向、纵向的显微组织进行分析。

3.检验结果及分析

根据检验试样的宏观断口形貌，将异常试样断口分为：平齐状断口、笔尖状断口、斜茬状断口。

3.1 平齐状断口

3.1.1 黑心白点断口

黑心白点断口常常发生在盘条的在线拉伸试验试样上，断口一般比较光滑，呈平齐状，试样颈缩小，断口上会出现一黑色圆形区域，在黑色区域心部还会有一白点，一般称其为黑心白点断口[2]。低倍下观察，断口宏观上呈现出裂纹源区、纤维区、放射区和较小的剪切唇，扫描电镜下观察，裂纹源区（白点）属于准解理断裂，白点中心存在形状不规则的大尺寸夹杂物，经能谱分析为含有Mg、Al、Si、Ca复合型夹杂物，怀疑为连铸过程中包水口蓄流物或耐火材料进入钢液所致。白点处的准解理断裂认为是白点中心因夹杂物形成微裂纹，导致裂纹周围钢中氢向白点中心聚集进而发生氢脆，产生准解理断裂。白点外围的纤维区（黑色圆形区域）属于韧性断裂，该区域的基本组织为索氏体组织，由于黑色区域的氢向白点区域扩散，导致黑色区域氢含量降低，电镜下观测该区域为韧性断口。放射区属于准解理断裂，主要是该区域氢还没有完全扩散导致，该区域一般经过两周时间的时效，氢会基本扩散完成。

3.1.2 擦伤断口

当盘条表面有擦伤时，用户拉拔时会出现近平齐状断口，这种断口的裂纹源位于盘条的边缘，电镜下观测盘条表面擦伤部位存在显微裂纹，显微裂纹是导致盘条拉拔断裂的主要原因。盘条表面的擦伤主要是盘条在生产过程中，打包压力不合适导致的热态擦伤，以及天车下线、倒垛、装车运输过程中造成，用户在酸洗、吊运、焊接时会造成的冷擦伤。用户在拉拔过程中一般在第一道次即出现断裂。

3.2 笔尖状断口

线材在拉拔后几道过程中出现形状似铅笔笔尖形状的断口，笔尖的尖头基本位于钢丝的中心部位，常称为笔尖状断口[3]。对笔尖状试样纵向沿中心线剖开制成金相试样观察，可以看到沿轴心部位呈断续分布的“人”字形孔洞，尺寸大小不等。对纵向试样腐蚀，可以看到试样纵向心部常存在中心偏析带、网状渗碳体、岛状马氏体等异常组织存在。这些异常组织是造成笔尖状断口的根源。YL82B属于高碳过共析钢，铸坯中心极易产生严重的中心碳偏析，高速线材在风冷辊道冷却时，如冷却较快，易形成心部岛状马氏体组织，如冷却较慢，又易形成网状渗碳体。

3.3 斜茬状断口

斜茬状断口部位无明显的颈缩现象，断面较光滑，有金属光泽，表现为切应力劈裂，又称为斜劈状断口。这种断裂大多数是由钢丝表面缺陷引起的。如钢丝表面存在间断性三角状裂纹或密集分布的横裂纹等缺陷，当缺陷达到一定深度后，拉拔时极易发生断丝现象。

对于钢丝表面的间断性三角状裂纹、裂纹处存在硬化相、硬化相塑性较差，在拉拔外力的作用下，不能与基体组织同步变形。首先在硬化相上形成微裂纹，随着变形的增加，裂纹扩展最终引起断裂。试样裂纹处硬化相部位，存在热影响区并伴随有残留的马氏体相。

分析认为，热影响区和试样表面的马氏体相均，应该是用户在原料接头对焊过程中冷却较快造成的。

对于密集分布的横裂纹试样，断裂起源于横裂纹部位，微观下观察，断裂源附近为解理断口特征，观察横裂纹试样的二次电子形貌，横裂纹内部存在夹杂物，对试样横裂纹内的夹杂物做能谱分析，主要是C、O、P、S、Ca、Fe、Zn元素；与用户盘条拉拔过程中使用润滑粉的成分相近，没有观察到炼钢使用的保护渣等成分，说明夹杂物是拉拔过程中带入的。对横裂纹试样沿中心纵向剖开，抛光后用4%的硝酸酒精浸蚀，发现试样表面有一层白亮带，白亮带上观察到马氏体组织，正常部位组织为索氏体+少量珠光体。

分析认为，该试样一侧的横裂纹是导致线材断裂的主要原因。横裂纹是由表面马氏体硬化层造成的，线材的断裂是用户拉拔过程中没有及时更换拉丝模具造成的。

4.结论

综上所述，对盘条和钢丝出现的几种断口类型进行归纳分析的建议：

4.1 黑心白点断口

主要是盘条中氢含量较高，氢脆导致脆性断裂。当盘条内部存在大颗粒夹杂物时，夹杂物成为主要裂纹源，导致盘条在拉拔时发生脆性断裂。建议关注炼钢原辅料受潮状况及水口蓄流物和耐火材料进入钢液问题。

4.2 盘条表面的擦伤

主要是盘条在生产过程中的热态擦伤，以及天车下线、倒垛、装车运输过程中和用户在酸洗、吊运、焊接时造成的冷擦伤。盘条表面擦伤应引起生产厂家和用户的高度重视。

4.3 钢丝的笔尖状断口

主要是钢丝中心存在马氏体、网状渗碳体、中心偏析、夹杂以及缩孔造成。建议炼钢应控制过热度、提高钢液洁净度、降低铸坯中心正偏析、控制高线轧后冷却速度，可有效避免上述不良组织的产生。

4.4 盘条或钢丝的斜茬状断口

主要是钢丝存在密集分布横裂纹或间断性三角状裂纹所致。建议用户在拉拔时应注意拉丝模具的及时更换和对焊接头时防止焊接接头的过快冷却。