热轧盘条晶界碳化物析出引起的金属脆化现象

82B热轧盘条是制造弹簧、钢丝绳、轮胎子午线和预应力混凝土用钢绞线的主要钢材，广泛应用于高速公路、公路网络、桥梁、轨枕、大型体育场馆、高层建筑、机场、港口、码头、核电站、水坝、矿山坑道、城市高架、轻轨等许多重点工程。随着国民经济的高速发展，对高碳钢热轧盘条的需求量日益增大。仅我国煤炭、石油、交通运输、建筑等部门，年需高碳盘条就达1Mt，而目前实际产量却不足0.7Mt。

82B热轧盘条生产上采用120t转炉→LF炉外精炼→VD→圆坯连铸→高速线材轧制→斯太尔摩线控冷的先进工艺路线，用户采用线材酸洗→皂化→拉拔（9道次连拉）→合股绞线→稳定化处理→收线、打包的生产工艺生产预应力混凝土用钢绞线。在拉拔和捻股过程中时有断裂发生。对断裂的盘条进行检测和分析，认为热轧盘条网状渗碳体组织是发生断裂原因之一。

钢在高温奥氏体化后，经过多道次连续轧制，奥氏体晶粒经大变形后通过回复与再结晶等过程不断细化，并快速转化为过冷奥氏体，再以适当的过冷度获得索氏体+珠光体等组织。但如果冷却速度不够快，没有造成促使奥氏体分解的足够的过冷度，会使共析渗碳体先于珠光体析出，形成网状渗碳体。网状渗碳体组织塑性很差，在拉拔外力的作用下，不能和基体组织同步变形，首先在晶界上形成微裂纹，随着变形增加，裂纹扩展最终引起脆断。

网状渗碳体的形成原因是连铸坯本身存在着中心碳偏析。这种碳化物偏析主要指碳偏析使局部碳含量超过或远远超过共析点成分，连续冷却时会产生渗碳体在晶界的偏聚并形成连续或半连续网状的碳化物。随着碳含量增加，钢中渗碳体量也随之增多，其偏析和聚集长大，势必破坏钢的均匀性，进而影响性能（塑性）的均匀性。

钢丝受拉丝模压应力向心部变形时遇到网状渗碳体组织，连续性受到破坏，在拉拔应力作用下，网状区域的边沿首先滑移形成纤维孔洞，变形无法深入，随着拉拔变形量增加，裂纹扩展造成断丝。所以在横向截面中发现由于拉拔形成的显微裂纹，如图8-40～图8-46所示。

图8-40 82B热轧盘条试样经碱性苦味酸钠溶液热蚀后心部渗碳体网×500

图8-41 ϕ5.05mm 82B笔尖状断口笔尖处纵向渗碳体网

图8-42 ϕ5.05mm 82B笔尖状断口笔尖下3mm处（横向）观察到的网状渗碳体异常组织（白色网状）

图8-43 ϕ5.05mm 82B笔尖状断口笔尖处的碳及合金元素偏析（横向）(www.xing528.com)

图8-44 ϕ5.05mm 82B笔尖状断口笔尖处的碳及合金元素偏析（纵向）

图8-45 ϕ5.05mm 82B钢绞线的笔尖状断口的V型显微孔洞（纵剖面）

图8-46 82B钢绞线拉拔时变形区受力分析

F—拉拔应力 T—附加拉应力 a—工作区锥角 F₁…F_n—拉丝模对质点的压应力

在拉拔中网状渗碳体异常组织已经与基体产生明显的显微裂纹。

拉拔过程中变形区受力情况如上图所示，钢丝中心质点m受F，F₁，…，F_n应力的作用沿纵向流动，当变形不能深入到心部时，在质点m处产生附加拉应力（确切地讲应产生在变形金属与未变形金属交汇处）。当附加拉应力加上拉拔应力F大于钢丝中心强度时，就会在心部产生裂纹源，并随着拉拔变形量增加逐渐扩展，造成笔尖状断口。F是定值，因此质点m是否破裂一是取决于质点本身的强度，二是取决于T的大小，只要拉丝模角度和压缩率合适就可使T很小。一般工作区角度为140°时，压缩率要大于20%；工作区角度为120°时，压缩率要大于18.5%，使各道次都能变形渗透，即表层、1/2半径、心部变形保持一致才不会产生附加拉应力。

对拉拔断丝进行高倍组织观察，可见试样凸尖处存在大面积网状渗碳体，尺寸范围200～300μm，且网状渗碳体基本未变形。移动视场发现，网区域的边沿有明显变形。分析认为：钢丝受拉丝模压应力向心部变形渗透时遇到网状渗碳体组织，连续性受破坏，在拉拔应力作用下，网状渗碳体区域的边沿首先滑移形成纤维孔洞，变形无法深入，随着拉拔变形量增加，裂纹扩展造成断丝。

这些网状碳化物起着分割晶粒、削弱晶粒与晶粒之间结合力的作用，从而使得盘条的强度和塑性均显著下降。拉拔时在较小的塑性变形条件下，会在脆性的网状碳化物处出现早期的裂纹并扩展至断裂。网状碳化物产生的原因是由于碳偏析达到一定程度，加上控冷时冷却速度不一致，盘条表面冷却速度较快，其中心及盘圈与盘圈的搭接口处冷速偏慢而造成的。