PC鋼棒30MnSi斷裂的失效分析★

任宏瑞， 曹 宇， 李福龍， 王 炎， 金 鐸， 高小麗

（1.呂梁學(xué)院化學(xué)化工系， 山西 呂梁 033000；2.呂梁市城鄉(xiāng)規(guī)劃局， 山西 呂梁 033000）

PC鋼棒具有高強(qiáng)度、高韌性、低松弛性、可焊接性、與混凝土握裹力強(qiáng)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”綠色鋼材，廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中[1-4]。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件生產(chǎn)工藝流程為：PC鋼棒→鋸切→短部加熱→墩頭→做骨架→給拉應(yīng)力→混凝土澆筑。呂梁市某鋼廠PC鋼棒30MnSi在墩頭時(shí)發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，對(duì)斷裂PC鋼棒進(jìn)行斷口分析、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、非金屬夾雜物測(cè)定和顯微組織分析，以探究其斷裂的原因。

1 斷口分析

1.1 斷口宏觀分析

圖1所示為PC鋼棒30MnSi斷口宏觀形貌。由圖1-1中可以看出，試樣斷裂位置為PC鋼棒的螺紋處。由圖1-2可以看出，斷口表面崎嶇不平，有少量的塑性變形，斷口表面大部分為暗色，有極少數(shù)的銀白色亮點(diǎn)，且斷口表面有較多污染物與鐵銹，裂紋源和擴(kuò)展區(qū)不明顯，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是試樣斷裂以后擱置時(shí)間較長(zhǎng)。

1.2 斷口微觀分析

將試樣的斷口部分切割下來(lái)，然后用丙酮溶液對(duì)斷口進(jìn)行超聲清洗。清洗后于掃描電鏡下觀察其斷口形貌。

圖1 PC鋼棒30MnSi斷口宏觀形貌

圖2為試樣斷口的SEM圖。從圖2-1，圖2-2可以看出，試樣斷口上有少量的二次裂紋。由圖2-3可以看出，試樣斷口表面有明顯的河流狀花樣，說(shuō)明此鋼棒的斷裂有脆性斷裂。由圖2-4可以看出，試樣斷口表面有部分韌窩，說(shuō)明此鋼棒的斷裂也有韌性斷裂。因此，此鋼棒的斷裂既有脆性斷裂，又有韌性斷裂。

圖2 試樣斷口的SEM圖（不同部位的微觀形貌圖）

2 化學(xué)成分分析

對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出，PC鋼棒30MnSi的化學(xué)成分符合零件標(biāo)準(zhǔn)成分，不是造成斷裂的原因。

表1 PC鋼棒30MnSi的化學(xué)成分表 %

3 硬度檢測(cè)

如圖3所示，測(cè)定試樣橫截面上從心部到邊部5個(gè)位置處的硬度，每個(gè)位置測(cè)定5次，取平均值，結(jié)果如表2。由表2可以看出，試樣從心部到邊部的硬度值極不均勻，依次增大。這是由于30MnSi熱軋盤(pán)條的熱處理工藝不當(dāng)造成的，可能的原因是熱處理過(guò)程中加熱的速度和冷卻的速度過(guò)快造成的。

圖3 PC鋼棒30MnSi橫截面硬度檢測(cè)點(diǎn)

表2 PC鋼棒30MnSi橫截面不同位置處的硬度值

4 微觀分析

4.1 試樣橫截面的SEM圖

取PC鋼棒的橫截面，經(jīng)過(guò)粗拋、精拋后于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4。由圖4可以看出，試樣橫截面上有球狀的非金屬夾雜物，沒(méi)有微裂紋。根據(jù)GB/T 10561—2005[5]對(duì)其進(jìn)行分析，該夾雜物為1.0級(jí)的球狀氧化物。這可能是造成斷裂的原因。

4.2 試樣縱截面的SEM圖

取PC鋼棒的縱截面，經(jīng)過(guò)粗拋、精拋后于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5。由圖5-1可以看出，試樣的邊部有密集的微裂紋。圖5-2為圖5-1的放大圖。由圖5-2可以看出，微裂紋內(nèi)部有黑色的夾雜物，根據(jù)其外形和顏色可以定性的判斷，此夾雜物為硅酸鹽類(lèi)夾雜物，并且裂紋有沿著夾雜物擴(kuò)展的趨勢(shì)。由圖5-3，5-4可以看出，試樣的心部也有微裂紋，并且微裂紋有相互聯(lián)結(jié)長(zhǎng)大的趨勢(shì)。圖5-2為單個(gè)的微裂紋，圖5-3是單個(gè)的微裂紋相互聯(lián)結(jié)長(zhǎng)大形成的[6]。因此，縱截面上微裂紋及其擴(kuò)展是造成斷裂的原因之一。

圖4 試樣橫截面的SEM圖

圖5 試樣縱截面的SEM圖

4.3 試樣的組織分析

將精拋后試樣的橫截面用4%硝酸酒精溶液侵蝕，對(duì)其組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6。由圖6可以看出，試樣的基體組織為均勻的鐵素體和珠光體，金相組織正常。

圖6 試樣橫截面侵蝕后的SEM圖

5 分析與討論

PC鋼棒是由熱軋盤(pán)條30MnSi經(jīng)熱處理后制成，熱處理后的PC鋼棒的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 400 MPa以上，是一種技術(shù)含量很高的預(yù)應(yīng)力鋼材。因此，這對(duì)PC鋼棒所用原材料30MnSi鋼提出了更高的要求，盤(pán)條成分要均勻穩(wěn)定，鋼的純凈度要高，機(jī)械性能和表面質(zhì)量要好等。

1）從化學(xué)成分和顯微組織分析，斷裂的PC鋼棒化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)，顯微組織正常。

2）從硬度方面分析，PC鋼棒從心部到邊部硬度逐漸增大，可能的原因是30MnSi熱軋盤(pán)條熱處理過(guò)程中加熱不均勻，冷卻速度不均勻造成的。

3）從非金屬夾雜物和微裂紋角度分析，硅酸鹽類(lèi)夾雜、球狀氧化物夾雜和微裂紋的存在是PC鋼棒斷裂的首要原因。這是因?yàn)镻C鋼棒受到外力時(shí)，在夾雜物存在的地方會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)PC鋼棒的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼棒就出現(xiàn)了新的微裂紋，微裂紋不斷增多，并且相互聯(lián)結(jié)長(zhǎng)大導(dǎo)致鋼棒斷裂。出現(xiàn)非金屬夾雜物的原因是30MnSi鋼在出鋼后的精煉劑不當(dāng)造成的。

6 結(jié)論

30MnSi鋼出鋼后的精煉劑不當(dāng)和30MnSi熱軋盤(pán)條的熱處理工藝不當(dāng)是造成PC鋼棒斷裂的主要原因。

1）全程保護(hù)澆注，出鋼后對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理，使夾雜物變成容易從鋼水中排出的鈣鋁酸鹽，以減少30MnSi鋼中夾雜物的含量。

2）熱處理過(guò)程中控制加熱的速度和冷卻的速度，避免出現(xiàn)鋼棒硬度的不均勻。

[1] 李繼康，李文成.30MnSi鋼棒斷裂原因分析[J].金屬熱處理，2011（9）：420-424.

[2] 王燕，張桂芹，趙文成.PC鋼棒30MnSi開(kāi)裂失效分析[J].熱加工工藝，2012，41（13）：226-227.

[3] 張飛鵬，董海鵬，李永現(xiàn).合金元素對(duì)高強(qiáng)PC鋼棒力學(xué)性能的影響[J].金屬熱處理，2014，39（1）：99-101.

[4] 肖桂枝，邸洪雙.熱處理工藝對(duì)30MnSiPC鋼棒耐延遲斷裂性能的影響[J].鋼鐵，2008，43（1）：68-72.

[5] 中國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定顯微檢驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖：GB/T 10561—2005[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[6] 周漪，梅華生，趙宗涵，等.路燈燈管支架斷裂失效分析[J].精密成形工程，2005（6）：100-104.