覃之光 李建華 薛 歡

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司 研究院 湖北 武漢：430080）

高碳鋼線材生產(chǎn)入庫后，部分盤卷局部會產(chǎn)生自然斷裂。據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，自然斷裂的高碳鋼線材，如82B鋼，規(guī)格主要集中在直徑為11.0mm 及以上，且發(fā)生在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，因?yàn)榫€材中存在的拉應(yīng)力超過鋼的臨界斷裂強(qiáng)度而引起的脆性破壞。拉應(yīng)力有組織應(yīng)力，也可能是熱應(yīng)力，或者是二者的相加，所以變形和開裂與組織應(yīng)力、熱應(yīng)力都有關(guān)。

線材在冷卻過程中，由于表層和芯部的冷卻速度和時(shí)間的不一致，形成溫差，就會導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力，即熱應(yīng)力。在熱循環(huán)過程中，由于冷卻初期表層開始溫度低于芯部，收縮也大于芯部而使表層受拉芯部受壓，當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí)，線材溫度降低到室溫，由于芯部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層縱向受壓芯部縱向受拉，與冷卻初期的應(yīng)力分布正好相反。這種現(xiàn)象受到冷卻速度、材料成分和控冷工藝等因素的影響。當(dāng)冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大，最后形成的殘余應(yīng)力就愈大。另一方面鋼在冷卻過程中由于組織的變化即奧氏體向珠光體、馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，因比容的增大會伴隨線材體積的膨脹，線材各部位先后相變，因馬氏體增加的體積大于珠光體，造成體積長大不一致而產(chǎn)生組織應(yīng)力［1］。組織應(yīng)力變化的最終結(jié)果是表層受拉應(yīng)力，芯部受壓應(yīng)力，恰好與室溫狀態(tài)下的熱應(yīng)力相反。組織應(yīng)力的大小與線材在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度、直徑、材料的化學(xué)成分等因素有關(guān)。

為了分析高碳鋼線材自然斷裂的原因，以便在生產(chǎn)中采取針對性措施，開展了線材表面殘余應(yīng)力的測定，得到了不同規(guī)格線材殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，分析了殘余應(yīng)力的影響，試驗(yàn)結(jié)果對于高碳鋼線材的庫內(nèi)裝卸以及用戶使用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用200mm×200mm 82B 鋼坯，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)鋼化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

（1）用82B 鋼坯分別軋制直徑9.0mm、直徑11.0mm、直徑12.5mm 線材，采用相同的控冷工藝及冷卻速度。

（2）采用X 射線衍射法對三個(gè)規(guī)格線材表面縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 線材出廠性能

統(tǒng)計(jì)了三個(gè)規(guī)格線材出廠時(shí)效拉伸及網(wǎng)碳、中芯馬氏體（M）級別的平均值，檢驗(yàn)結(jié)果見表2，從表2可見，軋制直徑從直徑9.0mm 提高到直徑12.5 mm，抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率下降，網(wǎng)碳、中心馬氏體級別提高，其中，直徑提高到φ11.0mm 時(shí)網(wǎng)碳中心馬氏體級別最高，而直徑12.5mm 與直徑11.0mm線材的網(wǎng)碳持平、中心馬氏體級別略有下降（0.08級）。

表2 線材出廠性能檢驗(yàn)結(jié)果

采用X 射線衍射方法對三個(gè)規(guī)格線材表面3個(gè)部位的縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行了測定，試樣的檢驗(yàn)結(jié)果見表3。由3可見，直徑9.0mm 線材表面全部為壓應(yīng)力，直徑11.0mm 線材表面以拉應(yīng)力為主，側(cè)面也存在壓應(yīng)力，直徑12.5mm 線材表面全部為拉應(yīng)力。

將三個(gè)規(guī)格線材殘余應(yīng)力的測定結(jié)果取平均值，作成表面殘余應(yīng)力分布圖，見圖1。由圖1 可見，隨著線材直徑的增大，縱向殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。

表3 盤條表面縱向殘余應(yīng)力結(jié)果

圖1 線材表面殘余應(yīng)力分布

3 分析與討論

（1）高碳鋼線材由于對力學(xué)性能有較高的要求，且要滿足冷拉加工，一般通過相變前快速冷卻保證得到85%以上索氏體的組織。就殘余應(yīng)力而言，這樣做由于能增加抵消組織應(yīng)力作用的熱應(yīng)力值，故能減少工件表面上的拉應(yīng)力而達(dá)到抑制開裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且，在相同的冷卻條件下，直徑越大的線材，雖然實(shí)際冷卻速度更緩，開裂的危險(xiǎn)性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應(yīng)力隨直徑的增大實(shí)際冷卻速度減慢，熱應(yīng)力減小，組織應(yīng)力隨直徑的增大而增加。最后形成以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力作用在線材表面的特點(diǎn)造成的。殘余應(yīng)力測定結(jié)果完全驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)，直徑9.0mm 線材表面全部為壓應(yīng)力，直徑12.5mm 線材表面全部為拉應(yīng)力。

（2）實(shí)踐證明，線材在冷卻過程中，只要有相變，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都會發(fā)生。只不過熱應(yīng)力在組織轉(zhuǎn)變以前就已經(jīng)產(chǎn)生了，而組織應(yīng)力則是在組織轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的。組織應(yīng)力產(chǎn)生的本質(zhì)是因?yàn)榫€材各部分組織轉(zhuǎn)變不同步，即有相變時(shí)間差的存在。避免相變開裂的原則是設(shè)法減小截面內(nèi)外組織轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性，由于高碳鋼鋼坯中心偏析的不連續(xù)性，導(dǎo)致線材中心馬氏體也是間斷分布，因此，僅僅實(shí)行馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷還不足以改變殘余應(yīng)力的性質(zhì)、預(yù)防開裂的形成。

（3）為了減小線材表面的組織應(yīng)力，可以降低鋼種設(shè)計(jì)中的P、Mn、S含量，減少高碳鋼線材的中心偏析［2］。這是因?yàn)榱蚝土卓尚纬傻腿埸c(diǎn)化合物，使C、Mn、Cr等元素集中在這個(gè)熔融區(qū)域。在連鑄坯中，硫的偏析常伴隨著錳，這將很大程度上增加鋼材的可硬化性，以至于這些區(qū)域可形成馬氏體。與此相仿，磷也有降低鑄鋼時(shí)鋼水凝固點(diǎn)的趨勢。以致其它合金元素如鉻也跟著偏析，這也可促使線材控冷時(shí)形成中心馬氏體。

（4）高碳鋼線材在拉絲機(jī)上開卷斷裂是由線材中心馬氏體相變及表面損傷產(chǎn)生的形變馬氏體共同作用的結(jié)果［2］。對于高碳鋼82B，由于直徑大于等于11.0mm 線材表面殘余應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，該類線材不宜在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)（150℃～250℃）裝卸，更不得淋雨、急冷，建議在廠內(nèi)庫堆垛緩冷至100℃以下后裝車發(fā)運(yùn)，并且在裝卸過程中要輕吊輕放，并采取減少線材表面損傷的措施：1）線材出廠增加簡易包裝；2）線材在生產(chǎn)、儲運(yùn)過程中應(yīng)防止吊具、鏟車鋼叉、運(yùn)載車船的鋼鐵部件和線材表面產(chǎn)生劇烈摩擦。

4 結(jié)束語

（1）高碳鋼線材熱應(yīng)力隨著直徑的增大實(shí)際冷卻速度減慢，熱應(yīng)力減小，組織應(yīng)力隨直徑的增大而增加。最后形成以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力作用在線材表面。對于直徑不小于11.0mm 的線材，應(yīng)降低鋼種設(shè)計(jì)中的P、Mn、S含量，減少高碳鋼線材的中心偏析，從而減小馬氏體轉(zhuǎn)變的組織應(yīng)力，并采取馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷以改變殘余應(yīng)力的性質(zhì)、預(yù)防開裂的形成。

（2）直徑大于等于11.0mm 線材不宜在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)（150℃～250℃）裝卸，更不得在該溫度區(qū)淋雨、急冷，應(yīng)讓線材在廠內(nèi)庫堆垛緩冷至100℃以下后再裝車發(fā)運(yùn)，并且在裝卸過程中要輕吊輕放，并采取減少線材表面損傷的措施。

［1］R.W.K.霍尼庫姆.鋼的顯微組織和性能［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

［2］覃之光.82B線材開卷斷裂分析［J］.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，24（2）：25－28.