矿用支护型钢弯曲性能不合格的原因分析

1、矿用支护型钢弯曲性能不合格的原因分析李智博（首钢京唐钢铁联合有限责任公司 制造部，唐山063200）摘要：通过宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验和硬度测试对矿山巷道支护用36U型钢弯曲性能不合格的原因进行了分析。结果显示：碳和硅含量超标，锰含量严重超标，使组织中出现较多贝氏体，且铁素体含量降低，同时其硬度比正常型钢的硬度高近1倍，最终导致其性能异常，发生弯曲脆性断裂。关键词：36U型钢；性能异常；弯曲；脆性断裂36U型钢为矿用支护用钢，主要用于矿山巷道的支护等，对其规定的检验项目有拉力和弯曲试验。某厂生产的36U型钢在弯曲试验过程中发生断裂，导致弯曲性能不合格，为找到断裂的原因，对

2、该断裂型钢进行了理化检验和分析。1 理化检验1.1 宏观检验图1中左面为弯曲断裂型钢试样的断裂面形貌，右面为进行拉力试验的拉力试样被拉断后断裂面的形貌。可见两者均基本没有塑性变形，属脆性断裂。1.2 力学性能测试从拉力试样上取样进行力学性能测试，结果见表1.可见屈服点不明显，抗拉强度严重超标，伸长率为0。1.3 化学成分分析在弯曲断裂型钢试样上取样分析化学成分，结果见表2，可见磷和硅含量超出企业标准上限，锰含量严重超标。1.4 金相检验为找出断裂原因，取在弯曲试验中未发生断裂的正常36U型钢试样与弯曲断裂试样进行显微组织对比分析。两个试样的显微组织见图2和图3，可见弯曲断裂试样的显微组织为贝氏

3、体+铁素体+珠光体，贝氏体含量约占2/3以上，其余为铁素体+珠光体；正常试样的显微组织为铁素体+珠光体，铁素体含量约占2/3。1.5 硬度测试取弯曲断裂试样与正常试样进行硬度测试，弯曲断裂试样的布氏硬度为312，285，321，280，302和332HB，平均值为305HB；正常试样（拉力棒和弯曲合格试样）的布氏硬度为155，164，166，170，171和165HB，平均值为165HB。1.6 断裂面宏观形貌分析图1中弯曲断裂试样的断裂面凹下部分（左边长方形及下部半圆形部分）为裂纹源；裂纹源右上方凸起部分（即“米”字形部分左部和下部与左边长方形之间部分）为扩展区；断裂面右上角如“米”字形部分

4、为裂纹瞬断区。弯曲断裂试样断裂面在断裂前基本没有塑性变形，灰亮色的脆性断口从裂纹源扩展形成放射状线条，部分断口比较平齐，端面很粗糙，断口与最大正应力交角近90°。裂纹源处受压应力，瞬断区受拉应力。图1中拉力试样的断裂面附近在断裂前基本没有塑性变形，断口边缘没有剪切唇，断口略有突起，整个断面呈现闪光的金属晶粒，色泽为灰亮色，断面较粗糙，断口与最大正应力交角近90°。2 分析与讨论2.1 化学成分对力学性能的影响合金元素的加入对钢有固溶强化作用，锰、硅和碳对钢的强化作用比较大。在相同的含碳量下，增加碳化物的数量，可使强度提高。同时，由于锰和硅能提高过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移

5、，在相同的冷却条件下，获得分散度更大的铁素体和碳化物两相混合物，也使强度提高。另外，锰和硅能细化晶粒，改善钢的韧性。但含量超过一定量时，钢的韧性反而下降。当锰的质量分数>1.8%时，铁素体的韧性和塑性下降很大。该36U型钢的碳、锰和硅同时超标，锰含量为2.32%，硅含量为0.76%，碳含量为0.29%，以致造成铁素体韧性和塑性急剧下降，使屈服现象不明显，强度很高，无伸长率，并发生冷弯脆断。2.2 化学成分对显微组织的影响从理论上讲，硅和锰含量增加，发生奥氏体转变时，铁素体含量降低，珠光体含量上升；硅和锰含量超标，使奥氏体稳定性提高，C曲线右移，推迟珠光体转变，由于硅和锰能增大钢的过冷能力

6、，改变过冷奥氏体转变动力曲线，空冷时发生贝氏体转变，使铁素体转变动力曲线，空冷时发生贝氏体转变，使铁素体含量大大降低，贝氏体含量大大增加，从而使得该36U型钢的韧性和塑性严重下降，强度提高，屈服不明显，最后导致脆断。2.3 化学成分对硬度的影响由于该36U型钢的锰、硅和碳含量都超标，致使性能异常，显微组织中有较多的贝氏体及一定量的铁素体和珠光体，对于单一组织，贝氏体（上贝氏体）硬度一般为400HB，铁素体硬度一般为90110HB，珠光体（片状珠光体）硬度一般为200280HB。通过图像采集分析系统测量第二相面积计算弯曲断裂试样及正常试样的硬度，弯曲断裂试样中的贝氏体约占整体含量的70%，故硬度

7、约为70%×400=280HB；铁素体约占整体含量的20%，硬度约为20%×100=20HB；珠光体约占整体含量的10%，硬度约为10%×240=24HB；贝氏体、铁素体和珠光体的总体硬度约为280+20+24=324HB，所以弯曲断裂试样整体硬度约为324HB，与实测平均值305HB比较接近。而正常试样的化学成分符合标准要求，组织为铁素体+珠光体，通过图像采集分析系统测量第二相面积，铁素体含量约占65%，珠光体约占35%，故正常试样整体硬度约为65%×100+35%×240=149HB，与实测硬度平均值165HB比较接近，故弯曲断裂试样的布氏硬度比正常试样要大很多。3 结论硅和碳含量超标，锰含量严重超标，使得36U型钢中出现大量贝氏体组织，从而使组织中铁素体大量减少，贝氏体增多，是塑形和韧性大大降低，强度大大