30MnSi預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒延遲斷裂原因

孫善波

(日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司,日照 276806)

PC鋼棒又稱預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒,是在20世紀(jì)60年代開發(fā)的一種技術(shù)含量很高的預(yù)應(yīng)力鋼材,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),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]。30MnSi PC鋼棒的生產(chǎn)工藝流程為:放線→機(jī)械剝殼→拉拔刻槽→多輥調(diào)直→感應(yīng)加熱淬火→感應(yīng)加熱回火→收線盤卷。某預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒在靜置過(guò)程中發(fā)生了延遲斷裂,筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

從斷裂鋼棒上截取試樣,延遲斷裂試樣宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:PC鋼棒斷口表面呈銀白色,裂紋源和擴(kuò)展區(qū)明顯;試樣1的表面無(wú)明顯缺陷,試樣2的裂紋源位置存在結(jié)疤缺陷。

圖1 延遲斷裂試樣宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)PC 鋼棒進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:PC鋼棒的化學(xué)成分符合GB/T 24587—2009《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼棒用熱軋盤條》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 斷裂PC鋼棒的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡和能譜分析

將試樣1和試樣2的斷口放入超聲清洗器中清洗10 min,然后將試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖2所示,由圖2可知:兩個(gè)試樣斷口的裂紋源均位于表面位置,斷口未見大顆粒夾雜物和夾渣,試樣斷口裂紋源處呈“冰糖”狀沿晶開裂形貌,局部位置呈韌窩形貌。PC 鋼棒斷裂裂紋源處呈脆性斷裂特征。

圖2 試樣1,2斷口的SEM 形貌

在結(jié)疤處截取試樣3,將試樣3進(jìn)行超聲清洗后進(jìn)行掃描電鏡分析,氧化圓點(diǎn)最大尺寸約10μm,對(duì)大顆粒氧化圓點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)氧化圓點(diǎn)主要成分為O、Mn、Fe、Si等元素,是典型的高溫氧化產(chǎn)物。

1.4 硬度測(cè)試

截取PC鋼棒的橫截面,在鋼棒橫截面半徑上等距的6個(gè)位置進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試,每個(gè)位置測(cè)3次,計(jì)算每個(gè)位置的平均硬度。PC鋼棒橫截面硬度測(cè)試位置及硬度變化曲線如圖4所示,由圖4可知,PC鋼棒心部到表面的硬度較均勻,說(shuō)明截面成分均勻,熱處理工藝得當(dāng)。

1.5 金相檢驗(yàn)

1.5.1 縱截面夾雜物微觀形貌

取斷裂PC鋼棒的縱截面,制備金相試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:試樣中非金屬夾雜物呈球狀,未發(fā)現(xiàn)微裂紋,根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)夾雜物含量進(jìn)行評(píng)級(jí),該夾雜物評(píng)為D類細(xì)系1.0級(jí)。

圖5 斷裂PC鋼棒縱截面夾雜物微觀形貌

1.5.2 橫截面微觀形貌

在靠近斷口位置截取橫截面試樣3,4,將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:試樣3有多處微裂紋,裂紋兩側(cè)局部存在脫碳;試樣4有結(jié)疤缺陷,結(jié)疤上有氧化圓點(diǎn),結(jié)疤處存在脫碳,試樣的基體組織均為回火屈氏體。

圖6 試樣3,4的微觀形貌

1.5.3 PC鋼棒原材料橫截面顯微組織形貌

在鋼棒原材料橫截面截取試樣,并置于光學(xué)顯微鏡下觀察,基圓上有多處裂紋,深度約為80～100μm,裂紋周圍有氧化圓點(diǎn),使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,裂紋兩側(cè)存在明顯脫碳和晶粒粗大現(xiàn)象(見圖7)。

圖7 PC鋼棒原材料橫截面裂紋及其周圍微觀形貌

2 綜合分析

斷裂PC鋼棒的化學(xué)成分符合GB/T 24587—2009的要求。斷裂鋼棒中心到表面的硬度較均勻;PC鋼棒試樣的夾雜物含量較低,說(shuō)明夾雜物不是造成PC鋼棒斷裂的原因。

原材料表面存在裂紋和結(jié)疤兩類缺陷。對(duì)比斷裂的PC鋼棒和原材料試樣可知,兩者裂紋的形態(tài)及深度類似。原材料裂紋中充滿氧化鐵,裂紋內(nèi)氧化層和內(nèi)部的氧化原點(diǎn)層之間存在一定關(guān)系,裂紋內(nèi)的氧化層可以保護(hù)鋼基體不被氧化。隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋內(nèi)氧化層逐漸變厚,當(dāng)氧化時(shí)間延長(zhǎng)到一定值時(shí),裂紋內(nèi)氧化層開始處于亞穩(wěn)狀態(tài),對(duì)鋼基體的保護(hù)作用開始減弱,鋼基體中開始出現(xiàn)內(nèi)氧化原點(diǎn)層,隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng),基體內(nèi)的氧化原點(diǎn)層厚度也會(huì)增加[2]。綜合以上判斷,PC鋼棒的細(xì)裂紋應(yīng)來(lái)自于原材料。

結(jié)疤翹起部分的組織與基體相近,并非氧化鐵皮,結(jié)疤位置存在大量的氧化圓點(diǎn)。氧化圓點(diǎn)產(chǎn)生的原因?yàn)?在高溫(高于1 000℃)環(huán)境下,金屬材料中的Si、Mn元素經(jīng)過(guò)高溫氧化,形成了圓點(diǎn)狀氧化物,即氧化圓點(diǎn)。隨著加熱溫度的升高,保溫時(shí)間的延長(zhǎng),氧化圓點(diǎn)的數(shù)量也隨之增加。當(dāng)盤圓出現(xiàn)結(jié)疤缺陷時(shí),結(jié)疤與基體處于半脫離狀態(tài),空氣將結(jié)疤處包圍,結(jié)疤位置的氧勢(shì)會(huì)比其他位置高,在結(jié)疤處更容易產(chǎn)生氧化圓點(diǎn)并聚集。因此,當(dāng)在PC鋼棒結(jié)疤周圍觀察到大量氧化圓點(diǎn)時(shí),說(shuō)明在母材上也存在結(jié)疤缺陷。

PC鋼棒發(fā)生延遲斷裂的實(shí)質(zhì)是材料、環(huán)境、應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化現(xiàn)象。斷裂的主要原因是材料的各種內(nèi)部缺陷,誘因是氫。延遲斷裂理論認(rèn)為,PC鋼棒處于含有氫氣的氣體和可能生成氫原子的水溶液介質(zhì)中,這些氫氣通過(guò)鋼材表面缺陷等侵入鋼材內(nèi)部后,使材料發(fā)生氫致延遲斷裂。氫致延遲斷裂的形成原理是原子氫在應(yīng)力梯度的作用下,通過(guò)位錯(cuò)通道、晶粒界面等擴(kuò)散到裂紋尖端局部區(qū)域并高度富集,氫氣富集區(qū)域的壓力較大,富集區(qū)域的氫濃度達(dá)到其臨界值后,裂紋開始形成并擴(kuò)散,最終導(dǎo)致材料在外應(yīng)力遠(yuǎn)低于斷裂應(yīng)力時(shí)發(fā)生延遲斷裂[3]。

收卷盤卷時(shí),在盤卷的外緣形成較高的拉應(yīng)力,如果PC鋼棒外表面存在微裂紋、結(jié)疤等缺陷,則會(huì)導(dǎo)致缺陷處應(yīng)力集中,此時(shí)氫會(huì)不斷地向高應(yīng)力處聚集,即向鋼棒缺陷處聚集,最終引起鋼棒的氫脆斷裂。當(dāng)PC鋼棒的表面存在嚴(yán)重缺陷時(shí),在放置過(guò)程中不需要?dú)涞木奂g,PC鋼棒在較小應(yīng)力的作用下,就有可能發(fā)生延遲脆斷。

3 結(jié)論和建設(shè)

(1)控制鑄坯的拉速,使其保持在2.0～2.1 m/min,拉速波動(dòng)應(yīng)控制在不大于0.02 m/min。

(2)設(shè)定冷卻區(qū)出口鑄坯的目標(biāo)溫度,采用配水軟件計(jì)算各冷卻區(qū)的冷卻水量,保證結(jié)晶器及二冷段進(jìn)水溫度在合理范圍。

(3)優(yōu)化軋制生產(chǎn)過(guò)程控制,提高盤條的表面質(zhì)量,消除表面裂紋、結(jié)疤等缺陷,提高出廠盤條的表面質(zhì)量。

(4)在冬季寒冷氣候條件下,成品盤卷應(yīng)放置在倉(cāng)庫(kù)內(nèi),延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間,降低應(yīng)力,避免材料發(fā)生脆斷。