高碳钢线材残余应力的危害及预防

覃之光 李建华 薛 欢

（武汉钢铁（集团）公司 研究院 湖北 武汉：430080）

高碳钢线材生产入库后，部分盘卷局部会产生自然断裂。据生产统计，自然断裂的高碳钢线材，如82B钢，规格主要集中在直径为11.0mm 及以上，且发生在马氏体转变区，因为线材中存在的拉应力超过钢的临界断裂强度而引起的脆性破坏。拉应力有组织应力，也可能是热应力，或者是二者的相加，所以变形和开裂与组织应力、热应力都有关。

线材在冷却过程中，由于表层和芯部的冷却速度和时间的不一致，形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。在热循环过程中，由于冷却初期表层开始温度低于芯部，收缩也大于芯部而使表层受拉芯部受压，当冷却结束时，线材温度降低到室温，由于芯部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层纵向受压芯部纵向受拉，与冷却初期的应力分布正好相反。这种现象受到冷却速度、材料成分和控冷工艺等因素的影响。当冷却速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大，最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在冷却过程中由于组织的变化即奥氏体向珠光体、马氏体转变时，因比容的增大会伴随线材体积的膨胀，线材各部位先后相变，因马氏体增加的体积大于珠光体，造成体积长大不一致而产生组织应力［1］。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，芯部受压应力，恰好与室温状态下的热应力相反。组织应力的大小与线材在马氏体相变区的冷却速度、直径、材料的化学成分等因素有关。

为了分析高碳钢线材自然断裂的原因，以便在生产中采取针对性措施，开展了线材表面残余应力的测定，得到了不同规格线材残余应力的分布规律，分析了残余应力的影响，试验结果对于高碳钢线材的库内装卸以及用户使用具有一定的指导意义。

1 试验方法

1.1 试验材料

采用200mm×200mm 82B 钢坯，其化学成分见表1。

表1 试验钢化学成分

1.2 试验方法

（1）用82B 钢坯分别轧制直径9.0mm、直径11.0mm、直径12.5mm 线材，采用相同的控冷工艺及冷却速度。

（2）采用X 射线衍射法对三个规格线材表面纵向残余应力进行测定。

2 试验结果

2.1 线材出厂性能

统计了三个规格线材出厂时效拉伸及网碳、中芯马氏体（M）级别的平均值，检验结果见表2，从表2可见，轧制直径从直径9.0mm 提高到直径12.5 mm，抗拉强度、断面收缩率下降，网碳、中心马氏体级别提高，其中，直径提高到φ11.0mm 时网碳中心马氏体级别最高，而直径12.5mm 与直径11.0mm线材的网碳持平、中心马氏体级别略有下降（0.08级）。

表2 线材出厂性能检验结果

采用X 射线衍射方法对三个规格线材表面3个部位的纵向残余应力进行了测定，试样的检验结果见表3。由3可见，直径9.0mm 线材表面全部为压应力，直径11.0mm 线材表面以拉应力为主，侧面也存在压应力，直径12.5mm 线材表面全部为拉应力。

将三个规格线材残余应力的测定结果取平均值，作成表面残余应力分布图，见图1。由图1 可见，随着线材直径的增大，纵向残余应力由压应力变为拉应力。

表3 盘条表面纵向残余应力结果

图1 线材表面残余应力分布

3 分析与讨论

（1）高碳钢线材由于对力学性能有较高的要求，且要满足冷拉加工，一般通过相变前快速冷却保证得到85%以上索氏体的组织。就残余应力而言，这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制开裂的目的。其效果将随高温冷却速度的加快而增大。而且，在相同的冷却条件下，直径越大的线材，虽然实际冷却速度更缓，开裂的危险性却反而愈大。这一切都是由于这类钢的热应力随直径的增大实际冷却速度减慢，热应力减小，组织应力随直径的增大而增加。最后形成以组织应力为主的拉应力作用在线材表面的特点造成的。残余应力测定结果完全验证了上述观点，直径9.0mm 线材表面全部为压应力，直径12.5mm 线材表面全部为拉应力。

（2）实践证明，线材在冷却过程中，只要有相变，热应力和组织应力都会发生。只不过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的。组织应力产生的本质是因为线材各部分组织转变不同步，即有相变时间差的存在。避免相变开裂的原则是设法减小截面内外组织转变的不等时性，由于高碳钢钢坯中心偏析的不连续性，导致线材中心马氏体也是间断分布，因此，仅仅实行马氏体转变区内的缓冷还不足以改变残余应力的性质、预防开裂的形成。

（3）为了减小线材表面的组织应力，可以降低钢种设计中的P、Mn、S含量，减少高碳钢线材的中心偏析［2］。这是因为硫和磷可形成低熔点化合物，使C、Mn、Cr等元素集中在这个熔融区域。在连铸坯中，硫的偏析常伴随着锰，这将很大程度上增加钢材的可硬化性，以至于这些区域可形成马氏体。与此相仿，磷也有降低铸钢时钢水凝固点的趋势。以致其它合金元素如铬也跟着偏析，这也可促使线材控冷时形成中心马氏体。

（4）高碳钢线材在拉丝机上开卷断裂是由线材中心马氏体相变及表面损伤产生的形变马氏体共同作用的结果［2］。对于高碳钢82B，由于直径大于等于11.0mm 线材表面残余应力主要为拉应力，该类线材不宜在马氏体转变温度区（150℃～250℃）装卸，更不得淋雨、急冷，建议在厂内库堆垛缓冷至100℃以下后装车发运，并且在装卸过程中要轻吊轻放，并采取减少线材表面损伤的措施：1）线材出厂增加简易包装；2）线材在生产、储运过程中应防止吊具、铲车钢叉、运载车船的钢铁部件和线材表面产生剧烈摩擦。

4 结束语

（1）高碳钢线材热应力随着直径的增大实际冷却速度减慢，热应力减小，组织应力随直径的增大而增加。最后形成以组织应力为主的拉应力作用在线材表面。对于直径不小于11.0mm 的线材，应降低钢种设计中的P、Mn、S含量，减少高碳钢线材的中心偏析，从而减小马氏体转变的组织应力，并采取马氏体转变区内的缓冷以改变残余应力的性质、预防开裂的形成。

（2）直径大于等于11.0mm 线材不宜在马氏体转变温度区（150℃～250℃）装卸，更不得在该温度区淋雨、急冷，应让线材在厂内库堆垛缓冷至100℃以下后再装车发运，并且在装卸过程中要轻吊轻放，并采取减少线材表面损伤的措施。

［1］R.W.K.霍尼库姆.钢的显微组织和性能［M］.北京：冶金工业出版社，1985.

［2］覃之光.82B线材开卷断裂分析［J］.武汉工程职业技术学院学报，2012，24（2）：25－28.