30MnSi预应力混凝土用钢棒延迟断裂原因

孙善波

(日照钢铁控股集团有限公司,日照 276806)

PC钢棒又称预应力混凝土用钢棒,是在20世纪60年代开发的一种技术含量很高的预应力钢材,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,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]。30MnSi PC钢棒的生产工艺流程为:放线→机械剥壳→拉拔刻槽→多辊调直→感应加热淬火→感应加热回火→收线盘卷。某预应力混凝土用钢棒在静置过程中发生了延迟断裂,笔者采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、扫描电镜(SEM)和能谱分析、金相检验等方法对其断裂原因进行分析,以防止该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

从断裂钢棒上截取试样,延迟断裂试样宏观形貌如图1所示。由图1可知:PC钢棒断口表面呈银白色,裂纹源和扩展区明显;试样1的表面无明显缺陷,试样2的裂纹源位置存在结疤缺陷。

图1 延迟断裂试样宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对PC 钢棒进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:PC钢棒的化学成分符合GB/T 24587—2009《预应力混凝土钢棒用热轧盘条》标准要求。

表1 断裂PC钢棒的化学成分分析结果 %

1.3 扫描电镜和能谱分析

将试样1和试样2的断口放入超声清洗器中清洗10 min,然后将试样置于扫描电镜下观察,结果如图2所示,由图2可知:两个试样断口的裂纹源均位于表面位置,断口未见大颗粒夹杂物和夹渣,试样断口裂纹源处呈“冰糖”状沿晶开裂形貌,局部位置呈韧窝形貌。PC 钢棒断裂裂纹源处呈脆性断裂特征。

图2 试样1,2断口的SEM 形貌

在结疤处截取试样3,将试样3进行超声清洗后进行扫描电镜分析,氧化圆点最大尺寸约10μm,对大颗粒氧化圆点进行能谱分析,发现氧化圆点主要成分为O、Mn、Fe、Si等元素,是典型的高温氧化产物。

1.4 硬度测试

截取PC钢棒的横截面,在钢棒横截面半径上等距的6个位置进行洛氏硬度测试,每个位置测3次,计算每个位置的平均硬度。PC钢棒横截面硬度测试位置及硬度变化曲线如图4所示,由图4可知,PC钢棒心部到表面的硬度较均匀,说明截面成分均匀,热处理工艺得当。

1.5 金相检验

1.5.1 纵截面夹杂物微观形貌

取断裂PC钢棒的纵截面,制备金相试样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图5所示。由图5可知:试样中非金属夹杂物呈球状,未发现微裂纹,根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》对夹杂物含量进行评级,该夹杂物评为D类细系1.0级。

图5 断裂PC钢棒纵截面夹杂物微观形貌

1.5.2 横截面微观形貌

在靠近断口位置截取横截面试样3,4,将其置于光学显微镜下观察,结果如图6所示。由图6可知:试样3有多处微裂纹,裂纹两侧局部存在脱碳;试样4有结疤缺陷,结疤上有氧化圆点,结疤处存在脱碳,试样的基体组织均为回火屈氏体。

图6 试样3,4的微观形貌

1.5.3 PC钢棒原材料横截面显微组织形貌

在钢棒原材料横截面截取试样,并置于光学显微镜下观察,基圆上有多处裂纹,深度约为80～100μm,裂纹周围有氧化圆点,使用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后,裂纹两侧存在明显脱碳和晶粒粗大现象(见图7)。

图7 PC钢棒原材料横截面裂纹及其周围微观形貌

2 综合分析

断裂PC钢棒的化学成分符合GB/T 24587—2009的要求。断裂钢棒中心到表面的硬度较均匀;PC钢棒试样的夹杂物含量较低,说明夹杂物不是造成PC钢棒断裂的原因。

原材料表面存在裂纹和结疤两类缺陷。对比断裂的PC钢棒和原材料试样可知,两者裂纹的形态及深度类似。原材料裂纹中充满氧化铁,裂纹内氧化层和内部的氧化原点层之间存在一定关系,裂纹内的氧化层可以保护钢基体不被氧化。随着氧化时间的延长,裂纹内氧化层逐渐变厚,当氧化时间延长到一定值时,裂纹内氧化层开始处于亚稳状态,对钢基体的保护作用开始减弱,钢基体中开始出现内氧化原点层,随着氧化时间的延长,基体内的氧化原点层厚度也会增加[2]。综合以上判断,PC钢棒的细裂纹应来自于原材料。

结疤翘起部分的组织与基体相近,并非氧化铁皮,结疤位置存在大量的氧化圆点。氧化圆点产生的原因为:在高温(高于1 000℃)环境下,金属材料中的Si、Mn元素经过高温氧化,形成了圆点状氧化物,即氧化圆点。随着加热温度的升高,保温时间的延长,氧化圆点的数量也随之增加。当盘圆出现结疤缺陷时,结疤与基体处于半脱离状态,空气将结疤处包围,结疤位置的氧势会比其他位置高,在结疤处更容易产生氧化圆点并聚集。因此,当在PC钢棒结疤周围观察到大量氧化圆点时,说明在母材上也存在结疤缺陷。

PC钢棒发生延迟断裂的实质是材料、环境、应力相互作用而发生的一种环境脆化现象。断裂的主要原因是材料的各种内部缺陷,诱因是氢。延迟断裂理论认为,PC钢棒处于含有氢气的气体和可能生成氢原子的水溶液介质中,这些氢气通过钢材表面缺陷等侵入钢材内部后,使材料发生氢致延迟断裂。氢致延迟断裂的形成原理是原子氢在应力梯度的作用下,通过位错通道、晶粒界面等扩散到裂纹尖端局部区域并高度富集,氢气富集区域的压力较大,富集区域的氢浓度达到其临界值后,裂纹开始形成并扩散,最终导致材料在外应力远低于断裂应力时发生延迟断裂[3]。

收卷盘卷时,在盘卷的外缘形成较高的拉应力,如果PC钢棒外表面存在微裂纹、结疤等缺陷,则会导致缺陷处应力集中,此时氢会不断地向高应力处聚集,即向钢棒缺陷处聚集,最终引起钢棒的氢脆断裂。当PC钢棒的表面存在严重缺陷时,在放置过程中不需要氢的聚集腐蚀,PC钢棒在较小应力的作用下,就有可能发生延迟脆断。

3 结论和建设

(1)控制铸坯的拉速,使其保持在2.0～2.1 m/min,拉速波动应控制在不大于0.02 m/min。

(2)设定冷却区出口铸坯的目标温度,采用配水软件计算各冷却区的冷却水量,保证结晶器及二冷段进水温度在合理范围。

(3)优化轧制生产过程控制,提高盘条的表面质量,消除表面裂纹、结疤等缺陷,提高出厂盘条的表面质量。

(4)在冬季寒冷气候条件下,成品盘卷应放置在仓库内,延长时效时间,降低应力,避免材料发生脆断。