YL82B盘条黑心白点断口的形成原因

2021-12-23冯紫萱

理化检验(物理分册) 2021年12期

冯紫萱

(陕钢集团汉中钢铁有限责任公司, 汉中 724200)

YL82B盘条作为制造高强度、低松弛预应力混凝土结构用钢丝和钢绞线的主要材料，具有均匀的显微组织、较高的索氏体化率、良好的力学性能和深加工性能等[1-3]，被广泛用于国家基础设施中。某企业生产的φ12.5 mm的YL82B盘条，经过自然时效20 d后进行拉伸试验，出现黑心白点脆性平齐断口，断面收缩率不合格。为找出该YL82B盘条拉伸试验后出现黑心白点平齐断口的原因，对其进行了一系列检验和分析，以期提高产品质量。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

采用直读光谱仪对YL82B黑心白点平齐断口试样进行化学成分分析，结果见表1，可见其化学成分均满足内控标准。

表1 黑心白点断口试样的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the samples with black center and white spot fracture (mass fraction) %

1.2 金相检验

对YL82B黑心白点平齐断口试样进行金相检验和非金属夹杂物分析，结果见表2。可见3组试样的索氏体含量均满足内控标准(≥85%(面积分数))要求，但网状渗碳体级别均大于内控标准最高限(≤2级)，1号和2号试样存在中心马氏体1.0级，符合要求(≤2级)。另外，在这3组试样中均没有发现明显脱碳层，而且这3组试样晶粒度都是7.0级。

纵截面非金属夹杂物结果见表2，可见盘条内主要存在的都是C类(硅酸盐类)夹杂物[4]，其中3号试样存在超长硅酸盐类夹杂物。

表2 黑心白点断口试样的金相检验结果Tab.2 Metallographic examination results of the samples with black center and white spot fracture

较高的索氏体含量使YL82B盘条具有良好的综合力学性能，但网状渗碳体和马氏体属于脆性组织，对于盘条钢而言是一种缺陷组织。2号试样的网状渗碳体及马氏体组织形貌如图1和图2所示。网状渗碳体具有分割晶粒、消弱晶粒与晶粒之间结合力的作用，在拉伸试验中，脆性的网状渗碳体处易形成裂纹并扩展，使YL82B盘条塑性下降并发生脆断[5]。马氏体是一种硬而脆的组织，也会使钢的塑性显著降低，虽然1号和2号试样的马氏体级别不高，但在拉伸试验的过程中马氏体对脆断的发生起着助推作用。网状渗碳体和马氏体的产生都与中心成分偏析和轧制控制冷却有关，因此，可以通过降低连铸坯中心成分偏析和控制轧制的吐丝温度和冷却速度，减少网状渗碳体和马氏体的形成[6-7]。

图1 2号试样的网状渗碳体微观形貌Fig.1 Micro morphology of reticular cementite of sample 2

图2 2号试样的马氏体微观形貌Fig.2 Micro morphology of martensite of sample 2

3号试样的网状渗碳体和非金属夹杂物(硅酸盐类)级别较大，在YL82B盘条拉伸试验过程中，3号试样的网状渗碳体和非金属夹杂物起协同作用，造成了试样的脆断。

1.3 断口分析

1.3.1 断口宏观分析

这3组YL82B盘条黑心白点平齐断口试样的宏观形貌如图3所示，可见断口都没有明显缩颈，黑色纤维区较小，在纤维区中央都有一白点，放射区占断口较大面积，剪切唇较薄。一般情况下纤维区都位于断口的中央，但1号试样黑色纤维区接近边缘，结合下面的能谱分析结果，笔者认为造成这种现象的主要原因是该处存在大颗粒状夹杂物，导致拉伸试验过程中裂纹从该处产生。2号、3号试样黑色纤维区基本上都在中央，但可以看出图3从左到右黑色纤维区逐渐稍有增大，而纤维区越大说明塑性越好。

图3 黑心白点试样断口的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of the samples with black center and white spot fracture:a) sample 1; b) sample 2; c) sample 3

1.3.2 断口微观形貌及能谱分析

用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对3组断口进行分析，结果见表3，可知1号和2号试样都在白点处发现了颗粒状夹杂物。图4是1号试样白点处夹杂物的能谱分析位置，表4是1号试样白点处夹杂物的能谱分析结果。可见1号和2号试样断口夹杂物均为铝钙复合型硅酸盐类夹杂物，3号试样断口白点处未发现颗粒状夹杂物。

表3 黑心白点试样断口的分析结果Tab.3 Analysis results of the samples with black center and white spot fracture

图4 1号试样断口中心夹杂物的EDS分析位置Fig.4 EDS analysis position of the inclusion in fracture center of sample 1

表4 1号试样断口中心夹杂物的EDS分析结果(质量分数)Tab.4 EDS analysis results of the inclusion in fracture center of sample 1 (mass fraction) %

2 分析与讨论

大颗粒夹杂物有可能是卷入熔渣造成的，而夹杂物与钢基体结合不紧密，产生内应力，在拉伸试验过程中裂纹首先在夹杂物与钢基体的周围形成，并导致盘条脆断[6]。虽然1号试样断口和2号试样断口都发现有颗粒状夹杂物，但1号试样断口和2号试样断口的夹杂物对脆断的贡献有所不同，颗粒状夹杂物对2号试样的脆断起辅助作用，而颗粒状夹杂物对1号试样的脆断起主要作用，因为如果是心部的网状渗碳体和马氏体起主要作用，那么断裂源应该在中心部位。另外，除了这3组试样，笔者还对其他的类似断口试样进行了扫描电镜观察和能谱分析，认为如果断口的黑心和白点出现在边缘部位，那么发现颗粒状夹杂物的概率要大于在心部黑心和白点处的。

3号试样白点处并没有发现夹杂物，这说明黑心白点断口的白点处并不一定有颗粒状夹杂物，之所以会形成白点，这与4.0级的网状渗碳体有关。在拉伸试验的过程中，裂纹首先会在网状渗碳体与基体交界处形成，试样虽然经过了20 d自然时效但仍然存在部分应力，在这部分的应力作用下，裂纹会快速扩展，致使这一区域较为平坦，反光能力强，显示为亮白色，等内部应力释放后又会遵循正常的拉伸试验断裂程序，呈现纤维区，然后放射区再到剪切唇[8]。