30Si₂Mn線材脆性斷裂分析

王前  韓倫杰  陳子坤

（鋼鐵研究總院華東分院，江蘇淮安  223005）

摘  要：分析探討了30Si₂Mn鋼種，軋制線材出現面縮率偏低的原因。線材的斷口為脆性斷裂，主要原因是冬季生產材料應力大，鋼中夾雜物和軋制后氫含量高的共同作用，導致材料的塑性變差。后續進行工藝的優化，有效解決了30Si₂Mn線材斷面收縮率偏低、脆性斷裂的問題。

關鍵詞：30Si₂Mn線材，脆性斷裂，夾雜，氫，時效

1 引言

預應力混凝土棒用鋼具有高強韌性、低松弛性、良好的焊接性等特點，可廣泛用于高強度預應力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預應力構件中，在國內外具有廣闊的市場。30Si₂Mn鋼種是較為典型的預應力混凝土棒鋼種，某公司在生產30Si₂Mn鋼種時，為確保下道工序PC棒材質量穩定，生產的30Si₂Mn線材出廠檢驗時，要求其斷面收縮率大于40%。在前期生產過該類產品，性能滿足要求。然而在12月份生產該產品時，出現批量的斷面收縮率明顯偏低（見表1），同時出現脆性斷裂，無法滿足下道工序的要求。

表1：現場線材性能檢驗

30Si₂Mn 鋼盤條生產工藝流程:

高爐鐵水—100 t 氧氣頂底復吹轉爐冶煉—LF 精煉—150mm × 150 mm 連鑄機—加熱爐—連軋—精整( 風冷輥道集卷、切頭尾、打包、稱重等) —入庫

2.1 宏觀斷口

生產的線材，出現材料性能未達到要求，檢查材料的斷口為脆性斷裂，斷口的斷面上有白色亮點物質，白色亮點區的大小在1-3mm，有的線材斷面上有幾個白色亮點（見圖1）。

圖1：線材的拉伸斷口

2.2 金相檢查

對白色亮點缺陷位置進行標記、制樣，檢驗斷面近距離的正常斷口區、白色亮點區金相組織，結果如圖2、圖3所示。從圖中看出兩個區域的均為組織正常。

圖2：試樣正常區域的組織    圖3：試樣白色亮點區域的組織

2.3 白亮點區域電鏡分析

對斷面收縮率較低的1#、2#試樣的斷口，進行電鏡分析，發白色亮點區，是以一個夾雜物為中心，發散放射狀的條紋，裂紋源為夾雜物。經能譜分析，1#、2#試樣夾雜物的成分主要有Mg、Al、Ca、Si、S元素。同時對斷口的夾雜物進行測量，1#樣、2#樣的夾雜物分別為68μm、 4μm（見圖4、圖5）。后多次對材料斷口進行分析，小尺寸的夾雜物占有較大的比例。

在夾雜物周圍的放射區，進行高倍檢驗如圖6所示，顯示為晶間裂紋。

圖4：1#樣的夾雜物       圖5：2#樣的夾雜物        圖6：1#樣白色亮點區的斷口

經檢驗后分析，產生斷面收縮率偏低，斷口出現白色亮點缺陷的原因：

（1）材料內存在較大顆粒的夾雜物，此處為產生的材料斷裂的裂紋源，造成材料的塑性變差，使斷面收縮率未達到要求，如1#試樣出現的斷面收縮率較低的情況。

（2）在白亮點區域發現的夾雜物非常細小，而也出現材料的斷面收縮率偏低，初步分析材料斷面收縮率偏低、出現脆性斷裂現象，應不主要是由于夾雜物的原因引起的，而是材料應力所致。

（3）出現目視可見的白亮點區域，是由于材料斷裂時，裂紋源周圍的產生微細裂紋，斷裂后這一區域表面不平整，目測出現的異常于其他部位造成的。

經過多次檢驗，在鋼材中出現小尺寸的夾雜物，材料的性能達不到要求占有較大的比例。主要針對造成材料應力的主要因素，進行分析。

3 分析

3.1 “氫”含量對材料性能的影響

從現場軋制線材取的每支試樣，均出現脆性斷裂，且出現晶間裂紋。分析為鋼材在冶煉、軋制過程中，侵入鋼中的氫，沒有得到完全釋放，在冬季生產此鋼種，可能增加材料的應力，而出現的氫致裂紋。為此，對氫含量對材料性能的影響進行研究。

3.1.1 “去氫”退火試驗

為進一步檢驗材料是否由于“氫”造成這種缺陷，采用一個軋制批次，取一個長試樣，分為兩部分，進行去氫退火對比試驗，檢驗結果如下：

表2：去氫退火后材料的性能

圖7：去氫退火前后材料斷口對比

（左側為退火后試樣，右側為退火前試樣）

從表3、圖7可以看出：經過去氫退火后的試樣，經過拉拔后，材料的面縮率有原來的37%左右，提高到55%左右，有較大幅度的提高，拉伸后的斷口為塑性斷口，未發現白色亮點缺陷。

3.1.2 鋼水中氫含量對材料性能的影響

鑒于材料經過去氫退火試驗后，材料的性能有較大幅度的提高，材料在去氫退火過程中，其他應力同時也得以釋放與降低。為進一步了解影響軋材出現脆性斷裂，斷面收縮率偏低的主要因素，在冶煉、軋制生產過程中，專門進行不同氫含量的對比試驗，結果如下：

表3：不同鋼水中氫含量軋材的性能

備注：鋼中的氫含量為澆注前，采用定氫儀測得的鋼水中的氫含量。

從上表可以看出：兩個爐次鋼中的氫含量差別比較大，若是由于這一因素造成材料性能的變化，應該能夠出現較大的差別。而經過性能檢驗，均出現材料的面縮率不合格現象，面縮率差別并不明顯，且也為脆性斷裂。但過真空爐次的材料面縮率，優于未過真空的爐次，說明鋼中的氫含量，對材料的后續加工性能有一定的影響，同時還存在其他影響材料應力的重要因素。

3.2 其他應力對材料性能的影響

在不改變材料組織的前提條件下，研究應力的釋放對材料性能的影響。

3.2.1 人工時效對材料性能的影響

冬季生產此鋼種，可能增加材料的應力。對出現這種缺陷的試樣，進行人工時效對比試驗，試驗結果如表5所示。

表4：人工時效與軋制態試樣性能對比

圖8：Z-1批次時效前后試樣拉伸斷面

（左側為人工時效，右側為熱軋之后直接檢驗）

由上表可以看出：Z-1、Z-2批次進行人工時效，Z-1批次人工時效后的試樣白色亮點明顯減小，Z-2試樣未發現斷面有白色亮點，材料的面縮率均有較大幅度的提高，且均為塑性斷口。

3.2.2 自然時效對材料性能的影響

經過自然時效后，材料的性能如下表所示。

表5：自然時效與軋制態試樣性能對比

從上表可以看出：經過自然時效后，材料的性能可以滿足要求，且在拉伸斷口，很少出現白色亮點缺陷，未出現脆性斷口。

3.2.3 自然時效過程鋼材中氫含量的變化

在自然時效過程中，鋼材的應力得到釋放，氫含量也是進行變化的。取2個線材試樣，試樣加工后，經過不同時間的自然時效過程，檢測鋼中的氫含量，檢驗結果如下：

表6：自然時效過程中，材中氫含量的變化

從上表可以看出：線材中的氫含量有一定的變化，特別是在前期的自然時效過程中，氫的擴散還是較為明顯的。

經過時效的分析可知：該鋼種在軋制過程產生的應力，經過時效后，性能提高較為明顯，通過合理的時效時間，可以滿足下道工序的要求。

3.3 軋制后冷卻狀態對材料性能的影響

線材軋制后產生的應力，對軋材的性能影響較大，在冬季生產，這一問題表現尤為突出。為進一步了解取樣后冷卻狀態對材料性能的影響，現場取樣，有一半試樣自然冷卻，送化驗室進行檢驗；有一半試樣放入線材卷中，隨卷冷卻20min，線卷的最高溫度為260℃，取出試樣的溫度為110℃。檢驗結果如下：

表7：不同冷卻方式，材料的性能

圖9：拉伸斷口試樣

（左側為正常取樣斷口、右側為隨卷冷卻后斷口）

從檢測數據與斷口可以看出：隨卷冷卻后，材料的面縮率提高明顯，多數為塑性斷口；斷口白色亮點缺陷的比例明顯降低，同時呈現變少的趨勢。

冶煉過程通過強化原輔材料的烘烤、精煉造渣與脫氧、保護澆注與耐材的管控、結晶器液面的穩定等措施，重點控制大顆粒夾雜物的產生，減少較大冶金缺陷。

在冬季生產時，高線優化風冷輥道控冷工藝，降低輥道速度；在PF線與車間采取避風冷卻。

冬季生產此類鋼種時，自然時效時間由10天，延長至20天。

通過采取以上措施，生產的30Si2Mn鋼種線材，達到下道工序要求，同時生產的PC棒產品質量穩定。

5 結論

斷口有脆性夾雜物，是材料出現脆性斷裂的一個誘因。鋼水的純凈度低，特別是大顆粒夾雜物，易導致材料的脆性斷裂。

降低鋼中的氫含量，可以提高材料塑性性能，減少脆性斷裂。

冬季高強度鋼生產過程中，線材的應力沒能夠得到釋放，是出現批量性脆性斷裂的主要因素。通過延長時效時間，控制軋制后線材的冷卻，可以避免材料出現批量性脆性斷裂。

參考文獻：

[1] 呂佐明，劉意，劉金源.30MnSi 高強鋼筋冬季易脆斷原因分析. 金屬世界,2006,第6期.

[2] 汪青山. 30MnSi PC 鋼棒低應力脆斷分析. 河北冶金，2017，第八期.