30Si2Mn线材脆性断裂分析

30Si₂Mn线材脆性断裂分析

王前  韩伦杰  陈子坤

（钢铁研究总院华东分院，江苏淮安  223005）

摘  要：分析探讨了30Si₂Mn钢种，轧制线材出现面缩率偏低的原因。线材的断口为脆性断裂，主要原因是冬季生产材料应力大，钢中夹杂物和轧制后氢含量高的共同作用，导致材料的塑性变差。后续进行工艺的优化，有效解决了30Si₂Mn线材断面收缩率偏低、脆性断裂的问题。

关键词：30Si₂Mn线材，脆性断裂，夹杂，氢，时效

1 引言

预应力混凝土棒用钢具有高强韧性、低松弛性、良好的焊接性等特点，可广泛用于高强度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，在国内外具有广阔的市场。30Si₂Mn钢种是较为典型的预应力混凝土棒钢种，某公司在生产30Si₂Mn钢种时，为确保下道工序PC棒材质量稳定，生产的30Si₂Mn线材出厂检验时，要求其断面收缩率大于40%。在前期生产过该类产品，性能满足要求。然而在12月份生产该产品时，出现批量的断面收缩率明显偏低（见表1），同时出现脆性断裂，无法满足下道工序的要求。

表1：现场线材性能检验

30Si₂Mn 钢盘条生产工艺流程:

高炉铁水—100 t 氧气顶底复吹转炉冶炼—LF 精炼—150mm × 150 mm 连铸机—加热炉—连轧—精整( 风冷辊道集卷、切头尾、打包、称重等) —入库

2.1 宏观断口

生产的线材，出现材料性能未达到要求，检查材料的断口为脆性断裂，断口的断面上有白色亮点物质，白色亮点区的大小在1-3mm，有的线材断面上有几个白色亮点（见图1）。

图1：线材的拉伸断口

2.2 金相检查

对白色亮点缺陷位置进行标记、制样，检验断面近距离的正常断口区、白色亮点区金相组织，结果如图2、图3所示。从图中看出两个区域的均为组织正常。

图2：试样正常区域的组织    图3：试样白色亮点区域的组织

2.3 白亮点区域电镜分析

对断面收缩率较低的1#、2#试样的断口，进行电镜分析，发白色亮点区，是以一个夹杂物为中心，发散放射状的条纹，裂纹源为夹杂物。经能谱分析，1#、2#试样夹杂物的成分主要有Mg、Al、Ca、Si、S元素。同时对断口的夹杂物进行测量，1#样、2#样的夹杂物分别为68μm、 4μm（见图4、图5）。后多次对材料断口进行分析，小尺寸的夹杂物占有较大的比例。

在夹杂物周围的放射区，进行高倍检验如图6所示，显示为晶间裂纹。

图4：1#样的夹杂物       图5：2#样的夹杂物        图6：1#样白色亮点区的断口

经检验后分析，产生断面收缩率偏低，断口出现白色亮点缺陷的原因：

（1）材料内存在较大颗粒的夹杂物，此处为产生的材料断裂的裂纹源，造成材料的塑性变差，使断面收缩率未达到要求，如1#试样出现的断面收缩率较低的情况。

（2）在白亮点区域发现的夹杂物非常细小，而也出现材料的断面收缩率偏低，初步分析材料断面收缩率偏低、出现脆性断裂现象，应不主要是由于夹杂物的原因引起的，而是材料应力所致。

（3）出现目视可见的白亮点区域，是由于材料断裂时，裂纹源周围的产生微细裂纹，断裂后这一区域表面不平整，目测出现的异常于其他部位造成的。

经过多次检验，在钢材中出现小尺寸的夹杂物，材料的性能达不到要求占有较大的比例。主要针对造成材料应力的主要因素，进行分析。

3 分析

3.1 “氢”含量对材料性能的影响

从现场轧制线材取的每支试样，均出现脆性断裂，且出现晶间裂纹。分析为钢材在冶炼、轧制过程中，侵入钢中的氢，没有得到完全释放，在冬季生产此钢种，可能增加材料的应力，而出现的氢致裂纹。为此，对氢含量对材料性能的影响进行研究。

3.1.1 “去氢”退火试验

为进一步检验材料是否由于“氢”造成这种缺陷，采用一个轧制批次，取一个长试样，分为两部分，进行去氢退火对比试验，检验结果如下：

表2：去氢退火后材料的性能

图7：去氢退火前后材料断口对比

（左侧为退火后试样，右侧为退火前试样）

从表3、图7可以看出：经过去氢退火后的试样，经过拉拔后，材料的面缩率有原来的37%左右，提高到55%左右，有较大幅度的提高，拉伸后的断口为塑性断口，未发现白色亮点缺陷。

3.1.2 钢水中氢含量对材料性能的影响

鉴于材料经过去氢退火试验后，材料的性能有较大幅度的提高，材料在去氢退火过程中，其他应力同时也得以释放与降低。为进一步了解影响轧材出现脆性断裂，断面收缩率偏低的主要因素，在冶炼、轧制生产过程中，专门进行不同氢含量的对比试验，结果如下：

表3：不同钢水中氢含量轧材的性能

备注：钢中的氢含量为浇注前，采用定氢仪测得的钢水中的氢含量。

从上表可以看出：两个炉次钢中的氢含量差别比较大，若是由于这一因素造成材料性能的变化，应该能够出现较大的差别。而经过性能检验，均出现材料的面缩率不合格现象，面缩率差别并不明显，且也为脆性断裂。但过真空炉次的材料面缩率，优于未过真空的炉次，说明钢中的氢含量，对材料的后续加工性能有一定的影响，同时还存在其他影响材料应力的重要因素。

3.2 其他应力对材料性能的影响

在不改变材料组织的前提条件下，研究应力的释放对材料性能的影响。

3.2.1 人工时效对材料性能的影响

冬季生产此钢种，可能增加材料的应力。对出现这种缺陷的试样，进行人工时效对比试验，试验结果如表5所示。

表4：人工时效与轧制态试样性能对比

图8：Z-1批次时效前后试样拉伸断面

（左侧为人工时效，右侧为热轧之后直接检验）

由上表可以看出：Z-1、Z-2批次进行人工时效，Z-1批次人工时效后的试样白色亮点明显减小，Z-2试样未发现断面有白色亮点，材料的面缩率均有较大幅度的提高，且均为塑性断口。

3.2.2 自然时效对材料性能的影响

经过自然时效后，材料的性能如下表所示。

表5：自然时效与轧制态试样性能对比

从上表可以看出：经过自然时效后，材料的性能可以满足要求，且在拉伸断口，很少出现白色亮点缺陷，未出现脆性断口。

3.2.3 自然时效过程钢材中氢含量的变化

在自然时效过程中，钢材的应力得到释放，氢含量也是进行变化的。取2个线材试样，试样加工后，经过不同时间的自然时效过程，检测钢中的氢含量，检验结果如下：

表6：自然时效过程中，材中氢含量的变化

从上表可以看出：线材中的氢含量有一定的变化，特别是在前期的自然时效过程中，氢的扩散还是较为明显的。

经过时效的分析可知：该钢种在轧制过程产生的应力，经过时效后，性能提高较为明显，通过合理的时效时间，可以满足下道工序的要求。

3.3 轧制后冷却状态对材料性能的影响

线材轧制后产生的应力，对轧材的性能影响较大，在冬季生产，这一问题表现尤为突出。为进一步了解取样后冷却状态对材料性能的影响，现场取样，有一半试样自然冷却，送化验室进行检验；有一半试样放入线材卷中，随卷冷却20min，线卷的最高温度为260℃，取出试样的温度为110℃。检验结果如下：

表7：不同冷却方式，材料的性能

图9：拉伸断口试样

（左侧为正常取样断口、右侧为随卷冷却后断口）

从检测数据与断口可以看出：随卷冷却后，材料的面缩率提高明显，多数为塑性断口；断口白色亮点缺陷的比例明显降低，同时呈现变少的趋势。

冶炼过程通过强化原辅材料的烘烤、精炼造渣与脱氧、保护浇注与耐材的管控、结晶器液面的稳定等措施，重点控制大颗粒夹杂物的产生，减少较大冶金缺陷。

在冬季生产时，高线优化风冷辊道控冷工艺，降低辊道速度；在PF线与车间采取避风冷却。

冬季生产此类钢种时，自然时效时间由10天，延长至20天。

通过采取以上措施，生产的30Si2Mn钢种线材，达到下道工序要求，同时生产的PC棒产品质量稳定。

5 结论

断口有脆性夹杂物，是材料出现脆性断裂的一个诱因。钢水的纯净度低，特别是大颗粒夹杂物，易导致材料的脆性断裂。

降低钢中的氢含量，可以提高材料塑性性能，减少脆性断裂。

冬季高强度钢生产过程中，线材的应力没能够得到释放，是出现批量性脆性断裂的主要因素。通过延长时效时间，控制轧制后线材的冷却，可以避免材料出现批量性脆性断裂。

参考文献：

[1] 吕佐明，刘意，刘金源.30MnSi 高强钢筋冬季易脆断原因分析. 金属世界,2006,第6期.

[2] 汪青山. 30MnSi PC 钢棒低应力脆断分析. 河北冶金，2017，第八期.