第２５卷第３期 ２０１３年９月 武汉工程职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＷｕｈａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ 高碳钢线材残余应力的危害及预防 覃之光 李建华 薛 欢 （武汉钢铁（集团）公司研究院 湖北 武汉：４３ＯＯ８０） 摘 要 针对高碳钢线材自然断裂的问题，进行了线材表面纵向残余应力的测定，得到了不同规格 线材残余应力的分布规律，分析了大规格线材表面纵向拉应力形成的原因及危害，提出了改变残余 应力的性质、预防开裂的措施。 关键词 高碳钢；线材；残余应力；危害；预防 中图分类号：ＴＧ１４２．１ ５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—３５２４（２０１３）０３—００１１－０３ 高碳钢线材生产入库后，部分盘卷局部会产生 自然断裂。据生产统计，自然断裂的高碳钢线材，如 ８２Ｂ钢，规格主要集中在直径为１１．０ｍｍ及以上， 且发生在马氏体转变区，因为线材中存在的拉应力 超过钢的临界断裂强度而引起的脆性破坏。拉应力 有组织应力，也可能是热应力，或者是二者的相加， 所以变形和开裂与组织应力、热应力都有关。 生产中采取针对性措施，开展了线材表面残余应力 的测定，得到了不同规格线材残余应力的分布规律， 分析了残余应力的影响，试验结果对于高碳钢线材 的库内装卸以及用户使用具有一定的指导意义。 １ 试验方法 １．１试验材料 线材在冷却过程中，由于表层和芯部的冷却速 度和时间的不一致，形成温差，就会导致体积膨胀和 采用２００ｍｍ×２００ｍｍ ８２Ｂ钢坯，其化学成分 见表１。 表１试验钢化学成分 收缩不均而产生应力，即热应力。在热循环过程中， 由于冷却初期表层开始温度低于芯部，收缩也大于 芯部而使表层受拉芯部受压，当冷却结束时，线材温 度降低到室温，由于芯部最后冷却体积收缩不能自 由进行而使表层纵向受压芯部纵向受拉，与冷却初 １．２试验方法 期的应力分布正好相反。这种现象受到冷却速度、 材料成分和控冷工艺等因素的影响。当冷却速度愈 快，含碳量和合金成分愈高，冷却过程中在热应力作 用下产生的不均匀塑性变形愈大，最后形成的残余 应力就愈大。另一方面钢在冷却过程中由于组织的 （１）用８２Ｂ钢坯分别轧制直径９．０ｍｍ、直径 １１．０ｍｍ、直径１２．５ｍｍ线材，采用相同的控冷工艺 及冷却速度。 （２）采用Ｘ射线衍射法对三个规格线材表面纵 向残余应力进行测定。 变化即奥氏体向珠光体、马氏体转变时，因比容的增 大会伴随线材体积的膨胀，线材各部位先后相变，因 马氏体增加的体积大于珠光体，造成体积长大不一 致而产生组织应力ｌｌ１］。组织应力变化的最终结果是 表层受拉应力，芯部受压应力，恰好与室温状态下的 热应力相反。组织应力的大小与线材在马氏体相变 ２．１线材出厂性能 ２ 试验结果 统计了三个规格线材出厂时效拉伸及网碳、中 芯马氏体（Ｍ）级别的平均值，检验结果见表２，从表 区的冷却速度、直径、材料的化学成分等因素有关。 为了分析高碳钢线材自然断裂的原因，以便在 收稿日期：２Ｏｌ３－０４—１７ 修回日期：２０１３－０６—１９ ２可见，轧制直径从直径９．Ｏｍｍ提高到直径１２．５ ｍｍ，抗拉强度、断面收缩率下降，网碳、中心马氏体 作者简介：覃之光（１９６３～），男，教授级高级工程师．Ｅ—ｍａｉｌ：１７６８０６１７８０＠ｑｑ．ｃｏｍ １２ 武汉工程职业技术学院学报 级别提高，其中，直径提高到￣ｐｌ１．０ｒａｍ时网碳中心 马氏体级别最高，而直径１２．５ｍｍ与直径１１．０ｒａｍ 线材的网碳持平、中心马氏体级别略有下降（０．０８ 际冷却速度更缓，开裂的危险性却反而愈大。这一 切都是由于这类钢的热应力随直径的增大实际冷却 苫＼Ｒ 娥 速度减慢，热应力减小，组织应力随直径的增大而增 ㈣舳∞加加。 枷枷㈣ 级）。 表２线材出厂性能检验结果 直径／ｒａｍ 批数 Ｒｍ／ＭＰａ Ａ／ ｚ／ 网碳／级 Ｍ／级 ９ ｉ４ １２１９．４ ｉ２．８ ４９．１ ０．Ｉ９ ０．２０ ＩＩ １２ ｉ１８７．Ｉ １２．５ ４２．５ ０．５５ ０．６３ １２．５ ２０ １１８９．５ ｌ１。１ ３４．８ ０．５５ ０．５５ 采用ｘ射线衍射方法对三个规格线材表面３ 个部位的纵向残余应力进行了测定，试样的检验结 果见表３。由３可见，直径９．０ｍｍ线材表面全部为 压应力，直径１１．０ｒａｍ线材表面以拉应力为主，侧 面也存在压应力，直径１２．５ｍｍ线材表面全部为拉 应力。 将三个规格线材残余应力的测定结果取平均 值，作成表面残余应力分布图，见图１。由图１可 见，随着线材直径的增大，纵向残余应力由压应力变 为拉应力。 表３盘条表面纵向残余应力结果 注：正表示拉应力，负表示压应力。 ＋内弧 十侧面 ．／夕 ｔ外弧 ． ． ９ １２ ５ －直径／ｍｍ 图１ 线材表面残余应力分布 ３ 分析与讨论 （１）高碳钢线材由于对力学性能有较高的要求， 且要满足冷拉加工，一般通过相变前快速冷却保证 得到８５ 以上索氏体的组织。就残余应力而言，这 样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故 能减少工件表面上的拉应力而达到抑制开裂的目 的。其效果将随高温冷却速度的加快而增大。而 且，在相同的冷却条件下，直径越大的线材，虽然实 加。最后形成以组织应力为主的拉应力作用在线材 表面的特点造成的。残余应力测定结果完全验证了 上述观点，直径９．０ｒａｍ线材表面全部为压应力，直 径１２．５ｒａｍ线材表面全部为拉应力。 （２）实践证明，线材在冷却过程中，只要有相变， 热应力和组织应力都会发生。只不过热应力在组织 转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转 变过程中产生的。组织应力产生的本质是因为线材 各部分组织转变不同步，即有相变时间差的存在。 避免相变开裂的原则是设法减小截面内外组织转变 的不等时性，由于高碳钢钢坯中心偏析的不连续性， 导致线材中心马氏体也是间断分布，因此，仅仅实行 马氏体转变区内的缓冷还不足以改变残余应力的性 质、预防开裂的形成。 （３）为了减小线材表面的组织应力，可以降低钢 种设计中的Ｐ、Ｍｎ、Ｓ含量，减少高碳钢线材的中心 偏析 ｊ。这是因为硫和磷可形成低熔点化合物，使 Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ等元素集中在这个熔融区域。在连铸坯 中，硫的偏析常伴随着锰，这将很大程度上增加钢材 的可硬化性，以至于这些区域可形成马氏体。与此 相仿，磷也有降低铸钢时钢水凝固点的趋势。以致 其它合金元素如铬也跟着偏析，这也可促使线材控 冷时形成中心马氏体。 （４）高碳钢线材在拉丝机上开卷断裂是由线材 中心马氏体相变及表面损伤产生的形变马氏体共同 作用的结果Ｌ２］。对于高碳钢８２Ｂ，由于直径大于等 于１１．０ｒａｍ线材表面残余应力主要为拉应力，该类 线材不宜在马氏体转变温度区（１５０℃～２５０℃）装 卸，更不得淋雨、急冷，建议在厂内库堆垛缓冷至 ＩＯ０℃以下后装车发运，并且在装卸过程中要轻吊轻 放，并采取减少线材表面损伤的措施：１）线材出厂增 加简易包装；２）线材在生产、储运过程中应防止吊 具、铲车钢叉、运载车船的钢铁部件和线材表面产生 剧烈摩擦。 ４ 结束语 （１）高碳钢线材热应力随着直径的增大实际冷 却速度减慢，热应力减小，组织应力随直径的增大而 增加。最后形成以组织应力为主的拉应力作用在线 材表面。对于直径不小于１１．０ｍｍ的线材，应降低 覃之光 李建华 薛 欢：高碳钢线材残余应力的危害及预防 １３ 钢种设计中的Ｐ、Ｍｎ、Ｓ含量，减少高碳钢线材的中 心偏析，从而减小马氏体转变的组织应力，并采取马 并采取减少线材表面损伤的措施。 参考文献 Ｅｌｉ Ｒ．Ｗ．Ｋ．霍尼库姆．钢的显微组织和性能［Ｍ］．北京：冶金工业 出版社，１９８５． 氏体转变区内的缓冷以改变残余应力的性质、预防 开裂的形成。 （２）直径大于等于ｌ１．０ｍｍ线材不宜在马氏体 转变温度区（１５０℃～２５０℃）装卸，更不得在该温度 区淋雨、急冷，应让线材在厂内库堆垛缓冷至１００℃ 以下后再装车发运，并且在装卸过程中要轻吊轻放， ［２］ 覃之光．８２Ｂ线材开卷断裂分析［Ｊ］．武汉工程职业技术学院学 报，２０１２，２４（２）：２５—２８． Ｈａｒｍ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｗｉｒｅ ｒｏｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ＱＩＮ Ｚｈｉｇｕａｎｇ ＬＩ Ｊｉａｎｈｕａ ＸＵＥ Ｈｕａｎ （Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ＷＩＳＣＯ，Ｗｕｈａｎ ４３００８０，Ｈｕｂｅｉ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｗｉｒｅ ｒｏｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ，ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｒｅｓｉｄ— ｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｉｒｅ ｒｏｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｉＳ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗｓ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｗｉｒｅ ｒｏｄ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｈａｒｍｆｕｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｄｒａｗ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ ｗｉｒｅ ｒｏｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅ１；ｗｉｒｅ ｒｏｄ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ；ｈａｒｍ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ （责任编辑：李文英） （上接第１０页） Ａ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｉｃｋｌｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｏｔ－－Ｒｏｌｌｅｄ Ｓｔｒｉｐ ＬＩＵ Ｙａｎｇ ＨＡＮ Ｂｉｎ ＴＡＮ Ｗｅｎ ＹＡＮＧ Ｙｉ ＷＡＮＧ Ｓｈｕｉｚｅ ＷＥＩ Ｂｉｎ （Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ＷＩＳＣＯ，Ｗｕｈａｎ ４３００８０，Ｈｕｂｅｉ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｃａｌｅ ｃｉｎｄｅｒ ｏｎ ｈｏｔ—ｒｏｌｌｅｄ ｓｔｒｉｐ ｓｕｒｆａｃｅ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｄｅｓｃａｌｅｄ ｂｙ ｐｉｃｋｌｉｎｇ ｂｅｆｏｒｅ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｂｅｉｎｇ ｕｓｅｄ．Ｐｉｃｋｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｌｄ—ｒｏｌｌｅｄ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｈｉｇｈ ｖａｌｕｅ— ａｄｄｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｉｃｋｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄ— ｅｒｅｄ ｔｏ ｂｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ ｓｃａｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｅａｓｙ—ｐｉｃｋｌｉｎｇ ｓｔｅｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｏｔ—ｒｏｌｌｅｄ ｓｔｒｉｐ；ｐｉｃｋｌｉｎｇ；ｓｃａｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅａｓｙ—ｐｉｃｋｌｉｎｇ ｓｔｅｅｌ （责任编辑：李文英）
