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礦用支護型鋼彎曲性能不合格的原因分析
李智博
（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司制造部，唐山063200）
摘要：通過宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗和硬度測試對礦山巷道支護用36U型鋼彎曲性能不合格的原因進行了分析。結果顯示：碳和硅含量超標，錳含量嚴重超標，使組織中出現(xiàn)較多貝氏體，且鐵素體含量降低，同時其硬度比正常型鋼的硬度高近1倍，zui終導致其性能異常，發(fā)生彎曲脆性斷裂。
關鍵詞：36U型鋼；性能異常；彎曲；脆性斷裂
36U型鋼為礦用支護用鋼，主要用于礦山巷道的支護等，對其規(guī)定的檢驗項目有拉力和彎曲試驗。某廠生產(chǎn)的36U型鋼在彎曲試驗過程中發(fā)生斷裂，導致彎曲性能不合格，為找到斷裂的原因，對該斷裂型鋼進行了理化檢驗和分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀檢驗
圖1中左面為彎曲斷裂型鋼試樣的斷裂面形貌，右面為進行拉力試驗的拉力試樣被拉斷后斷裂面的形貌?？梢妰烧呔緵]有塑性變形，屬脆性斷裂。
1.2 力學性能測試
從拉力試樣上取樣進行力學性能測試，結果見表1.可見屈服點不明顯，抗拉強度嚴重超標，伸長率為0。
1.3 化學成分分析
在彎曲斷裂型鋼試樣上取樣分析化學成分，結果見表2，可見磷和硅含量超出企業(yè)標準上限，錳含量嚴重超標。
1.4 金相檢驗
為找出斷裂原因，取在彎曲試驗中未發(fā)生斷裂的正常36U型鋼試樣與彎曲斷裂試樣進行顯微組織對比分析。兩個試樣的顯微組織見圖2和圖3，可見彎曲斷裂試樣的顯微組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，貝氏體含量約占2/3以上，其余為鐵素體+珠光體；正常試樣的顯微組織為鐵素體+珠光體，鐵素體含量約占2/3。
1.4硬度測試
取彎曲斷裂試樣與正常試樣進行硬度測試，彎曲斷裂試樣的布氏硬度為312，285，321，280，302和332HB，平均值為305HB；正常試樣（拉力棒和彎曲合格試樣）的布氏硬度為155，164，166，170，171和165HB，平均值為165HB。
1.5 斷裂面宏觀形貌分析
圖1中彎曲斷裂試樣的斷裂面凹下部分（左邊長方形及下部半圓形部分）為裂紋源；裂紋源右上方凸起部分（即“米”字形部分左部和下部與左邊長方形之間部分）為擴展區(qū)；斷裂面右上角如“米”字形部分為裂紋瞬斷區(qū)。彎曲斷裂試樣斷裂面在斷裂前基本沒有塑性變形，灰亮色的脆性斷口從裂紋源擴展形成放射狀線條，部分斷口比較平齊，端面很粗糙，斷口與zui大正應力交角近90°。裂紋源處受壓應力，瞬斷區(qū)受拉應力。
圖1中拉力試樣的斷裂面附近在斷裂前基本沒有塑性變形，斷口邊緣沒有剪切唇，斷口略有突起，整個斷面呈現(xiàn)閃光的金屬晶粒，色澤為灰亮色，斷面較粗糙，斷口與zui大正應力交角近90°。
2 分析與討論
2.1 化學成分對力學性能的影響
合金元素的加入對鋼有固溶強化作用，錳、硅和碳對鋼的強化作用比較大。在相同的含碳量下，增加碳化物的數(shù)量，可使強度提高。同時，由于錳和硅能提高過冷奧氏體穩(wěn)定性，使C曲線右移，在相同的冷卻條件下，獲得分散度更大的鐵素體和碳化物兩相混合物，也使強度提高。另外，錳和硅能細化晶粒，改善鋼的韌性。但含量超過一定量時，鋼的韌性反而下降。當錳的質量分數(shù)>1.8%時，鐵素體的韌性和塑性下降很大。該36U型鋼的碳、錳和硅同時超標，錳含量為2.32%，硅含量為0.76%，碳含量為0.29%，以致造成鐵素體韌性和塑性急劇下降，使屈服現(xiàn)象不明顯，強度很高，無伸長率，并發(fā)生冷彎脆斷。
2.2 化學成分對顯微組織的影響
從理論上講，硅和錳含量增加，發(fā)生奧氏體轉變時，鐵素體含量降低，珠光體含量上升；硅和錳含量超標，使奧氏體穩(wěn)定性提高，C曲線右移，推遲珠光體轉變，由于硅和錳能增大鋼的過冷能力，改變過冷奧氏體轉變動力曲線，空冷時發(fā)生貝氏體轉變，使鐵素體轉變動力曲線，空冷時發(fā)生貝氏體轉變，使鐵素體含量大大降低，貝氏體含量大大增加，從而使得該36U型鋼的韌性和塑性嚴重下降，強度提高，屈服不明顯，zui后導致脆斷。
2.3 化學成分對硬度的影響
由于該36U型鋼的錳、硅和碳含量都超標，致使性能異常，顯微組織中有較多的貝氏體及一定量的鐵素體和珠光體，對于單一組織，貝氏體（上貝氏體）硬度一般為400HB，鐵素體硬度一般為90～110HB，珠光體（片狀珠光體）硬度一般為200～280HB。通過圖像采集分析系統(tǒng)測量第二相面積計算彎曲斷裂試樣及正常試樣的硬度，彎曲斷裂試樣中的貝氏體約占整體含量的70%，故硬度約為70%×400=280HB；鐵素體約占整體含量的20%，硬度約為20%×100=20HB；珠光體約占整體含量的10%，硬度約為10%×240=24HB；貝氏體、鐵素體和珠光體的總體硬度約為280+20+24=324HB，所以彎曲斷裂試樣整體硬度約為324HB，與實測平均值305HB比較接近。
而正常試樣的化學成分符合標準要求，組織為鐵素體+珠光體，通過圖像采集分析系統(tǒng)測量第二相面積，鐵素體含量約占65%，珠光體約占35%，故正常試樣整體硬度約為65%×100+35%×240=149HB，與實測硬度平均值165HB比較接近，故彎曲斷裂試樣的布氏硬度比正常試樣要大很多。
3 結論
硅和碳含量超標，錳含量嚴重超標，使得36U型鋼中出現(xiàn)大量貝氏體組織，從而使組織中鐵素體大量減少，貝氏體增多，是塑形和韌性大大降低，強度大大提高，屈服點不明顯，沒有伸長率，導致型鋼脆斷。
改進措施有：①應加強管理，煉鋼過程中嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，特別要嚴格控制錳，硅和碳的加入，嚴防超標，保證鋼的性能合格；②對脆斷試樣可采用退火工藝進行熱處理，可使鋼的組織和性能得到較大的改善。
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