盤(pán)條拉拔斷裂是怎么回事？

    某批原材料為φ12mm、材質(zhì)為YL82B的熱軋盤(pán)條，在拉拔加工過(guò)程中，發(fā)生斷裂現(xiàn)象，圖1中左側(cè)斷口從盤(pán)條周邊到心部逐漸凸起，形似筆尖，右側(cè)為與之匹配斷口，呈漏斗狀，這是斷裂起始于截面心部，并逐漸沿周邊向外擴(kuò)展的一種特殊斷裂方式。經(jīng)了解，拉拔工藝為：熱軋盤(pán)條→機(jī)械去皮→拉拔。分別在原材料及斷裂樣品上取化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析，以期查明其斷裂原因。

圖1 斷口形貌

1.理化檢驗(yàn)

（1）化學(xué)成分分析

分別在原材料及拉拔斷裂樣品上取試樣采用瑞士ARL直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可知，化學(xué)成分符合GB/T24238—2009標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

表1 YL82B熱軋盤(pán)條化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）力學(xué)性能

在原材料上取力學(xué)性能試樣，使用美特斯SHT-4106電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，由表2可知，力學(xué)性能符合GB/T24238—2009標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

表2 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

注：盤(pán)條自然時(shí)效≥20天。

（3）金相檢驗(yàn)

在原材料上取金相試樣，使用德國(guó)徠卡DMI5000M智能顯微鏡進(jìn)行顯微觀察，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由表3可知，原材料除顯微組織出現(xiàn)微量的Fe3C外，其他檢驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T24238—2009標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

表3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

    在斷裂試樣上取斷口在體視顯微鏡下觀察，斷口呈典型的筆尖狀斷口，斷裂源位于中心位置，試樣表面沒(méi)有明顯的外觀缺陷，形貌如圖2所示。用線切割方式在斷口處沿試樣中心縱向制取金相試樣，顯微觀察試樣斷口尖端存在沿軸線斷續(xù)分布“V”形裂紋，裂紋形貌如圖3所示。裂紋附近發(fā)現(xiàn)有硫化物類(lèi)夾雜物存在，級(jí)別為1級(jí)，顯微形貌如圖4所示。使用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液浸蝕后，“V”形裂紋處存在網(wǎng)狀滲碳體組織，形貌如圖5所示。低倍下觀察在試樣中心有一條明顯的偏析帶，形貌如圖6所示。

（a） 筆尖形貌（6.5×） （b）側(cè)表面形貌（6.5×）

圖2 斷口形貌

圖3 斷口尖端“V”形裂紋形貌（50×）

圖4 裂紋附近夾雜物形貌（500×）

圖5 內(nèi)部裂紋附近網(wǎng)狀滲碳體組織形貌（500×）

圖6 試樣中心偏析帶（8×）

     在斷口附近取橫向試樣進(jìn)行顯微觀察，低倍下觀察橫向試樣中心有偏析存在，偏析級(jí)別為B2級(jí)，形貌如圖7所示，試樣中心有“C”形裂紋缺陷存在，裂紋缺陷形貌如圖8所示，放大觀察試樣顯微組織為索氏體，中心有網(wǎng)狀滲碳體存在，顯微組織形貌如圖9所示。 

圖7 橫向偏析（6.5×）

圖8 橫向“C”形裂紋缺陷形貌（50×）

圖9 索氏體+網(wǎng)狀滲碳體（1000×）

2.分析與結(jié)論

    原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、非金屬夾雜物級(jí)別、脫碳層深度、索氏體含量等均符合GB/T24238—2009標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

    YL82B熱軋盤(pán)條合格顯微組織為索氏體+珠光體，且索氏體在顯微組織中占有一定的比例（不小于85%）才能使YL82B鋼具有高的冷拉極限值。因?yàn)樗魇象w的片層間距小，當(dāng)盤(pán)條拉拔變形時(shí)，片層多而薄的鐵素體相可以使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)均勻而分散，抑制位錯(cuò)塞積的提前發(fā)生。另外，當(dāng)索氏體中的滲碳體相為薄片形態(tài)時(shí)，它在拉拔變形時(shí)可以發(fā)生彎曲且不易發(fā)生折斷。但是，如果滲碳體和鐵素體片層繼續(xù)變薄成為屈氏體時(shí)，在拉拔變形時(shí)滲碳體片之間發(fā)生碰撞的概率增大，使塑性變差。

     在原材料及斷裂的試樣上均檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顯微組織存在網(wǎng)狀滲碳體，由于YL82B屬于過(guò)共析鋼，在冷卻速率緩慢或中心碳含量較高的條件下，二次滲碳體沿原奧氏體晶界上析出，形成網(wǎng)狀。網(wǎng)狀滲碳體是高碳鋼盤(pán)條中的有害組織，它是一種硬而脆的組織相，不易變形。它的存在削弱了晶粒與晶粒之間的結(jié)合力，從而使盤(pán)條的強(qiáng)度和塑性均顯著下降。在冷拉拔過(guò)程中，由于網(wǎng)狀滲碳體的束縛晶粒變小，因而在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋或孔隙，最終導(dǎo)致筆尖狀斷裂。

    非金屬夾雜物級(jí)別雖然不高，但在樣品中心“V”形裂紋附近出現(xiàn)了硫化物類(lèi)夾雜物（1級(jí)），非金屬夾雜物的存在破壞了鋼基體的連續(xù)性，嚴(yán)重影響鋼的力學(xué)性能，產(chǎn)生應(yīng)力集中，拉拔時(shí)不能與基體同步變形，在非金屬夾雜物與基體結(jié)合部位引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋在此處萌生及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致盤(pán)條拉拔斷裂。

    偏析帶的存在與原材料有關(guān)，偏析區(qū)與正?；w不協(xié)調(diào)形變導(dǎo)致偏析帶產(chǎn)生孔隙，孔隙擴(kuò)展為裂紋后，逐漸沿周邊向外擴(kuò)展即造成線材斷裂。

    由上述分析可知，YL82B盤(pán)條在拉拔過(guò)程中產(chǎn)生筆尖狀斷裂是由于中心偏析、網(wǎng)狀滲碳體、非金屬夾雜物共同作用下形成的。

3.建議

（1）連鑄坯控制過(guò)熱、調(diào)整冷卻速率，優(yōu)化電磁攪拌及機(jī)械輕壓下，以減少偏析現(xiàn)象。

（2）穩(wěn)定并控制好開(kāi)軋溫度、終軋溫度、吐絲溫度及冷卻速率。保證產(chǎn)品必要的時(shí)效時(shí)間，保證顯微組織正常及原材料較高的冷拉極限值。

（3）優(yōu)化冶煉及澆注工藝，減少非金屬夾雜物的生成，保證鋼液的潔凈度。