螺纹钢冷弯裂纹分析

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影响钢材性能指标的几点探讨

一、冷弯性能

1.钢坯连铸工艺对冷弯性能起决定因素。

2.冷弯性能随着S含量的升高而变坏,一般情况下,S＜0.025%安排轧制25以上规格产品以降低冷弯性能对S的敏感性.

3.对冷弯影响大小的排序为:条带状MnS＞链状硅酸盐等夹杂物＞带状组织。球化夹杂物的影响大为降低。

4.轧后冷速过快，马氏体增多恶化冷弯性能。

5.螺纹钢表面质量如发纹,皮下气泡,折叠等,会造成冷弯裂纹,但一般情况不会造成冷弯断裂;而钢材内部缺陷如分层,内裂等大多情况下直接造成冷弯断裂。

7.螺纹钢内应力过大恶化冷弯性能,主要为冷却工艺（风冷或不正常冷却速度等原因）不合理。

8.混晶组织，魏氏组织降低冷弯性能。

二、韧性

1、在强化机理中，只有细晶强化降低钢材的脆性转变温度。

2、在成分中，只有Mn和Ni能降低脆性转变温度，而Mn含量＞0.4%才起作用。其它元素如Nb、V、Ti实际是通过细化组织晶粒而起作用。

3、组织细小、均匀，脆性转变温度低，反之则高。

4、魏氏组织和混晶组织，使冲击值降低。

5、S、P恶化韧性。

6、夹杂物恶化韧性，可通过降低O含量和使夹杂物变性来减轻其影响.

7、冶炼中采用Al、Si复合脱O 的工艺，钢材的韧性明显提高。

8、低的终轧温度可以明显提高韧性。

以上是定性地分析，但实际上，很多性能是相互矛盾的，因此生产中，一定要结合现场情况，找出最薄弱点，进行优化工艺，以确保产品质量的提高。

三、几种强化机制对韧性的影响

1）固溶强化：随着合金元素的增加，脆性转变温度上升，只有Mn（大于0.4%）Ni能使转变温度降低。间隙式固溶强化韧性下降明显，而置换式基本上不消弱基体的韧性。C、N都属于间隙式固溶。

2）位错强化：由于位错的合并以及在障碍处的塞积会促进裂纹形核，使得韧性降低。

3）沉淀强化：这种强化方式使脆性转变温度升高，原因是在铁素体内析出的质点阻碍位错运动，使得韧性下降。

4）细晶强化：组织为细小晶粒增加了晶界面积，而晶界是位错运动的障碍，晶界可把塑性变形限定在一定的范围内，使变形均匀化，同时晶界又是裂纹扩展的阻力，因此可提高强度，改善韧性。

可见，细晶强化是改善韧性的唯一强化方式。

四、开轧、终轧温度对韧性的影响

降低开轧、终轧温度可以改善钢材的韧性，主要原因是细化了铁素体晶粒。

五、控制轧制对韧性的影响

一般轧制分三个阶段，即奥氏体再结晶区轧制，奥氏体未再结晶区轧制，两相区轧制。一般控轧都是在奥氏体再结晶和未再结晶区完成，控轧的目的也就是获得细小的奥氏体晶粒，使得最终获得细小的组织。奥氏体再结晶区轧制主要是通过反复再结晶得到细小的奥氏体晶粒，而未再结晶区轧制主要是增加奥氏体晶粒内部的变形带密度，使的组织转变时形核点多，达到细化晶粒的目的。两个阶段相比，第二阶段对韧性的提高作用更大，且压下量越大越明显，因此建议降低精轧机开轧温度和终轧温度，同时适当地提高道次压下量，以改善韧性指标。

六、冷却制度对韧性的影响

在控轧之后进行控冷可以控制相变组织，对低C钢来说，相变全部结束后，冷却速度对组织没有什麽影响，但由于轧后组织为奥氏体，必须进行冷却，使组织转变尽快完成，以达到细化铁素体晶粒，提高韧性的目的，但要以不出现异常组织为原则。

七、Als作用介绍

1）在炼钢中Al是作为脱O元素而加入的，它不仅能降低钢中的O含量，还有细化晶粒，改善韧性，防止时效的作用。

2）  Al与N的亲和力很大，可以起到固N的作用，因而防止时效，另外Als能阻止奥氏体晶粒长大，特别是在800-950℃温度范围内能保证奥氏体有细小的晶粒尺寸，使得最终组织细小，韧性提高。

3） Al如果含量过高，形成的氧化物多，会起到相反的作用，因此一般控制范围为0.010-0.030%。

八、魏氏组织的危害：

1. 在最终热处理会有增大变形的倾向；

2. 使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。

综上述原因，生产线生产大规格螺纹钢筋时，经常连续出现力学试样冷弯性能不合格，因横肋根部出现横向裂纹而造成大批钢筋变为废品，严重影响企业经济效益，且影响到市场信誉。
轧钢可以优化及存在的问题分析：

1）、应力集中造成。月牙肋钢筋其横肋与内径表面相交处因无圆弧过渡，轧制过程中产生的不均匀变形，会使横肋根部与基体表面之间产生拉应力，钢筋在冷弯过程中，受弯曲应力的作用，钢筋受弯曲部位的外表始终处于拉应力状态，这种残余拉应力的存在，使得横肋根部的塑性、韧性远小于基圆部分的塑性、韧性。其抗断裂能力大为降低。而且此应力值可随着横肋斜角角度增加而使应力集中的趋势愈加明显。在冷弯过程中此处产生裂纹的可能性就愈大。

2）、前滑影响。由于前滑的存在，轧件在某点的线速度大于轧辊在该点的线速度，造成轧辊槽底刮擦横肋，导致横肋底部产生微裂纹，但此时裂纹较轻微，成品检验时不容易发现，冷弯时则成为重要裂纹源。

基于以上思路，对大规格螺纹钢筋的横肋尺寸构成及成品孔型的前滑值进行重新确认和验算。

某车间案例：(某车间生产36以上大规格钢筋，出现冷弯性能不合格材比率4.09%)

   原φ36、φ40、φ50螺纹钢筋的横肋断面为等腰梯形，底角ａ均为50度，且横肋与钢筋中心线的夹角均为69度。如图1所示：

图1   原月牙肋钢筋（带纵肋）表面及截面形状图

又对各规格钢筋的前滑值进行计算，φ36、φ40、φ50螺纹的取值分别为10%、5%、5%。

分析认为，为减小钢筋在轧制过程中的前滑对横肋根部的影响，应对横肋底角及横肋与钢筋的夹角进行必要的修改。

措施和实施方案

1）将横肋断面由等腰梯形改为不等腰梯形，沿钢筋轧制方向的底角由原50度改为45度，以减小横肋脱槽困难及底部应力集中的趋势，如图2。

图2     改进后月牙肋钢筋横筋界面图

2）将横肋与钢筋长度方向的夹角由原69度改为50度，以减少因前滑造成的轧辊刮擦横肋现象，如图3。

图3    改进后月牙肋钢筋表面图

3）为有效缓解横肋根部的应力集中趋势，对新轧槽上线使用前，采取人工打磨方法，将横肋根部磨出一较小圆弧。

经上述措施实施之后，冷弯性能全部合格，达到弥补质量缺陷的目的。

魏氏体的起因:

一是加工的加热温度过高；

二是冷却速度过快所致；在亚共析钢或过共析钢中，由高温以较快的速度冷却时，先共析的铁素体或渗碳体从奥氏体晶界上沿着奥氏体的一定晶面向晶内生长，呈针状析出。在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶界上生长出来的铁素体或渗碳体近似平行，呈羽毛状或三角形，其间存在着珠光体的组织。沿着过饱和固溶体的特定晶面析出，并在母相内呈一定规律的片状或针状分布的第二相形成的复相组织，这样特征的组织称为魏氏组织。实际生产中遇到的魏氏组织大多是铁素体魏氏组织.魏氏组织常伴随着奥氏体晶粒粗大而出现.魏氏组织容易出现在过热钢中，因此，奥氏体晶粒越粗大，越容易出现魏氏组织。钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织，慢冷则不易出现。含碳量＜0.5%时，先共析铁素体常分为:轴状、网状及针状三类奥氏体晶粒较细，冷速较快，多呈轴状；奥氏体晶粒较粗，冷速较慢，多呈网；奥氏体晶粒粗大，冷速较适中，多呈针状。所以魏氏组织是在奥氏体晶粒粗大的前提下，空冷时在适中的冷速下析出片状、针状铁素体形成的。

魏氏组织与贝氏体:

在亚共析钢中常见的魏氏体组织组织是羽毛状。也有等边三角形的。有铁素体相互垂直的，也有混合的魏氏体组织。

魏氏体组织特点及对性能的影响

过共析钢，在一定冷却条件下，渗碳体沿奥氏体一定晶面析出，也能形成魏氏体组织。魏氏体组织的存在，如果伴随晶粒的粗大，则使钢的力学性能下降，尤其以冲击性能下降。

贝氏体相变的特点

贝氏体相变有碳的扩散，但是无合金元素的扩散，相变的领先相位铁素体（过饱和的碳），贝氏体实质为过饱和的铁素体+渗碳体，转变不能完全进行。继续转变会产生马氏体和残余奥氏体。贝氏体的晶界形核向晶内长达，一般不穿过晶粒。

上贝氏体：上贝氏体一般形成温度550-350，形状为羽毛状，平行的板条状分布（位向夹角较小，有效晶粒度较大，韧性较差就是此原因）板条间分别不连续碳化物，冲击韧性较差。

下贝氏体：下贝氏体形成温度为350一下（贝氏体形成温度越低，其碳的过饱和度也越大）形状为透镜片状。片状之间存在细小的碳化物，冲击韧性较好。

魏氏体组织和贝氏体组织相同点:形态上魏氏体组织和上贝氏体均为羽毛状，却均为铁素体。

相异点:从组成上来分，贝氏体为含过饱和固溶碳的铁素体+碳化物；过共析钢的魏氏体组织为碳化物，亚共析钢的魏氏体组织为铁素体（固溶碳，非过饱和）。

从形态上来看:魏氏体组织较粗大，末端较尖细，可贯穿几个晶粒。并且伴随有珠光体的存在；贝氏体组织较细小，一般在一个晶粒内。

从形成原因来分：魏氏体组织转变是由于组织过热或高温区冷度快导致，一般伴随组织粗大；贝氏体则由于中温区转变范围造成

从转变温度来分:魏氏体组织转变属高温转变，在珠光体的转变的范围内，即550度以上；贝氏体组织转变属中温转变，在550—Ms点范围内。

从元素的扩散来分；魏氏体组织领先相若为铁素体，则转变伴随合金元素和碳的扩散，铁素体中无过饱和合金元素和碳，硬度也较低；而贝氏体转变仅有碳的扩散，不含合金元素的扩散，且铁素体中的碳不能完全扩散，因此铁素体中含有过好饱和的碳和合金元素，硬度较高。

从危害程度来分:魏氏体组织为有害组织，将强烈降低材料的冲击性能，危害很大，材料中一般不希望存在魏氏体组织；上贝氏体组织也会影响材料性能，但危害程度一般来讲小于魏氏体组织，下贝氏体组织冲击性能相对较好，螺纹钢中并不是都不应许贝氏体的存在，也有专门利用贝氏体的这种特点来专用贝氏体钢。

附：金相组织小知识：用金相方法观察到的金属及合金的内部组织.可以分为:1.宏观组织.2.显微组织.

金相即金相学，就是研究金属或合金内部结构的科学。不仅如此，它还研究当外界条件或内在因素改变时，对金属或合金内部结构的影响。所谓外部条件就是指温度、加工变形、浇注情况等。所谓内在因素主要指金属或合金的化学成分。金相组织是反映金属金相的具体形态，如马氏体，奥氏体，铁素体，珠光体等等。

1.奥氏体－碳与合金元素溶解在γ-fe中的固溶体，仍保持γ-fe的面心立方晶格。晶界比较直，呈规则多边形；淬火钢中残余奥氏体分布在马氏体间的空隙处

2.铁素体－碳与合金元素溶解在a-fe中的固溶体。亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑，当碳含量接近共析成分时，铁素体沿晶粒边界析出。

3.渗碳体－碳与铁形成的一种化合物。在液态铁碳合金中，首先单独结晶的渗碳体（一次渗碳体）为块状，角不尖锐，共晶渗碳体呈骨骼状。过共析钢冷却时沿acm线析出的碳化物（二次渗碳体）呈网结状，共析渗碳体呈片状。铁碳合金冷却到ar1以下时，由铁素体中析出渗碳体（三次渗碳体），在二次渗碳体上或晶界处呈不连续薄片状。

4.珠光体－铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体的片间距离取决于奥氏体分解时的过冷度。过冷度越大，所形成的珠光体片间距离越小。在a1~650℃形成的珠光体片层较厚，在金相显微镜下放大400倍以上可分辨出平行的宽条铁素体和细条渗碳体，称为粗珠光体、片状珠光体，简称珠光体。在650~600℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，从珠光体的渗碳体上仅看到一条黑线，只有放大1000倍才能分辨的片层，称为索氏体。在600~550℃形成的珠光体用金相显微镜放大500倍，不能分辨珠光体片层，仅看到黑色的球团状组织，只有用电子显微镜放大10000倍才能分辨的片层称为屈氏体。

5.上贝氏体－过饱和针状铁素体和渗碳体的混合物，渗碳体在铁素体针间。过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，其典型形态是一束大致平行位向差为6~8od铁素体板条，并在各板条间分布着沿板条长轴方向排列的碳化物短棒或小片；典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，由于方位不同，羽毛可对称或不对称，铁素体羽毛可呈针状、点状、块状。若是高碳高合金钢，看不清针状羽毛；中碳中合金钢，针状羽毛较清楚；低碳低合金钢，羽毛很清楚，针粗。转变时先在晶界处形成上贝氏体，往晶内长大，不穿晶。

6.下贝氏体－同上，但渗碳体在铁素体针内。过冷奥氏体在350℃~ms的转变产物。其典型形态是双凸透镜状含过饱和碳的铁素体，并在其内分布着单方向排列的碳化物小薄片；在晶内呈针状，针叶不交叉，但可交接。与回火马氏体不同，马氏体有层次之分，下贝氏体则颜色一致，下贝氏体的碳化物质点比回火马氏体粗，易受侵蚀变黑，回火马氏体颜色较浅，不易受侵蚀。高碳高合金钢的碳化物分散度比低碳低合金钢高，针叶比低碳低合金钢细。

7.粒状贝氏体－大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织。过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或全部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相混合物，称为m-a组织。

8.无碳化物贝氏体－板条状铁素体单相组成的组织，也称为铁素体贝氏体。形成温度在贝氏体转变温度区的最上部。板条铁素体之间为富碳奥氏体，富碳奥氏体在随后的冷却过程中也有类似上面的转变。无碳化物贝氏体一般出现在低碳钢中，在硅、铝含量高的钢中也容易形成。

9.马氏体－碳在a-fe中的过饱和固溶体。板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多相互平行的板条组成一个板条束，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）。片状马氏体（针状马氏体）：常见于高、中碳钢及高ni的fe-ni合金中，针叶中有一条缝线将马氏体分为两半，由于方位不同可呈针状或块状，针与针呈120o角排列，高碳马氏体的针叶晶界清楚，细针状马氏体呈布纹状，称为隐晶马氏体。

10.回火马氏体－马氏体分解得到极细的过渡型碳化物与过饱和（含碳较低）的a-相混合组织它由马氏体在150~250℃时回火形成。这种组织极易受腐蚀，光学显微镜下呈暗黑色针状组织（保持淬火马氏体位向），与下贝氏体很相似，只有在高倍电子显微镜下才能看到极细小的碳化物质点。

11.回火屈氏体－碳化物和a-相的混合物。它由马氏体在350~500℃时中温回火形成。其组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物，针状形态已逐渐消失，但仍隐约可见，碳化物在光学显微镜下不能分辨，仅观察到暗黑的组织，在电镜下才能清晰分辨两相，可看出碳化物颗粒已明显长大。

12.回火索氏体－以铁素体为基体，基体上分布着均匀碳化物颗粒。它由马氏体在500~650℃时高温回火形成。其组织特征是由等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，马氏体片的痕迹已消失，渗碳体的外形已较清晰，但在光镜下也难分辨，在电镜下可看到的渗碳体颗粒较大。

13.莱氏体－奥氏体与渗碳体的共晶混合物。呈树枝状的奥氏体分布在渗碳体的基体上。

14.粒状珠光体－由铁素体和粒状碳化物组成。它是经球化退火或马氏体在650℃~a1温度范围内回火形成。其特征是碳化物成颗粒状分布在铁素体上。

15.魏氏组织－如果奥氏体晶粒比较粗大，冷却速度又比较适宜，先共析相有可能呈针状（片状）形态与片状珠光体混合存在，称为魏氏组织。亚共析钢中魏氏组织的铁素体的形态有片状、羽毛状或三角形，粗大铁素体呈平行或三角形分布。它出现在奥氏体晶界，同时向晶内生长。过共析钢中魏氏组织渗碳体的形态有针状或杆状，它出现在奥氏体晶粒的内部。

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