PC钢棒又称预应力混凝土用钢棒，是在20世纪60年代开发的一种技术含量很高的预应力钢材，具有高强度、高韧性、低松弛性、可焊接性与混凝土握裹力强等特点，广泛应用于高强预应力混凝土离心管桩、电杆、高架桥墩、铁路轨枕等预应力构件中。30MnSiPC钢棒的生产工艺流程为：放线→机械剥壳→拉拔刻槽→多辊调直→感应加热淬火→感应加热回火→收线盘卷。某预应力混凝土用钢棒在静置过程中发生了延迟断裂，研究人员采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、扫描电镜(SEM)和能谱分析、金相检验等方法对其断裂原因进行分析，以防止该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
从断裂钢棒上截取试样，延迟断裂试样宏观形貌如图1所示。由图1可知：PC钢棒断口表面呈银白色，裂纹源和扩展区明显；试样1的表面无明显缺陷，试样2的裂纹源位置存在结疤缺陷。
1.2 化学成分分析
采用直读光谱仪对PC钢棒进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：PC钢棒的化学成分符合GB/T 24587—2009 《预应力混凝土钢棒用热轧盘条》标准要求。
1.3 扫描电镜和能谱分析
将试样1和试样2的断口放入超声清洗器中清洗10min，然后将试样置于扫描电镜下观察，结果如图2所示，由图2可知：两个试样断口的裂纹源均位于表面位置，断口未见大颗粒夹杂物和夹渣，试样断口裂纹源处呈“冰糖”状沿晶开裂形貌，局部位置呈韧窝形貌。PC钢棒断裂裂纹源处呈脆性断裂特征。
在结疤处截取试样3，将试样3进行超声清洗后进行扫描电镜分析，氧化圆点最大尺寸约10μm，对大颗粒氧化圆点进行能谱分析，发现氧化圆点主要成分为O、Mn、Fe、Si等元素，是典型的高温氧化产物。
1.4 硬度测试
截取PC钢棒的横截面，在钢棒横截面半径上等距的6个位置进行洛氏硬度测试，每个位置测3次，计算每个位置的平均硬度。PC钢棒横截面硬度测试位置及硬度变化曲线如图4所示，由图4可知，PC钢棒心部到表面的硬度较均匀，说明截面成分均匀，热处理工艺得当。
1.5 金相检验
1.5.1 纵截面夹杂物微观形貌
取断裂PC钢棒的纵截面，制备金相试样，将试样置于光学显微镜下观察,结果如图5所示。由图5可知：试样中非金属夹杂物呈球状，未发现微裂纹，根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对夹杂物含量进行评级，该夹杂物评为D类细系1.0级。
1.5.2 横截面微观形貌
在靠近断口位置截取横截面试样3，4，将其置于光学显微镜下观察，结果如图6所示。由图6可知：试样3有多处微裂纹,裂纹两侧局部存在脱碳；试样4有结疤缺陷，结疤上有氧化圆点，结疤处存在脱碳，试样的基体组织均为回火屈氏体。
1.5.3 PC钢棒原材料横截面显微组织形貌
在钢棒原材料横截面截取试样，并置于光学显微镜下观察，基圆上有多处裂纹，深度约为80~100μm，裂纹周围有氧化圆点，使用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后，裂纹两侧存在明显脱碳和晶粒粗大现象(见图7)。
2、 综合分析
断裂PC钢棒的化学成分符合 GB/T 24587—2009的要求。断裂钢棒中心到表面的硬度较均匀；PC钢棒试样的夹杂物含量较低，说明夹杂物不是造成PC钢棒断裂的原因。
原材料表面存在裂纹和结疤两类缺陷。对比断裂的PC钢棒和原材料试样可知，两者裂纹的形态及深度类似。原材料裂纹中充满氧化铁，裂纹内氧化层和内部的氧化原点层之间存在一定关系，裂纹内的氧化层可以保护钢基体不被氧化。随着氧化时间的延长，裂纹内氧化层逐渐变厚，当氧化时间延长到一定值时，裂纹内氧化层开始处于亚稳状态，对钢基体的保护作用开始减弱，钢基体中开始出现内氧化原点层，随着氧化时间的延长，基体内的氧化原点层厚度也会增加。综合以上判断，PC钢棒的细裂纹应来自于原材料。
结疤翘起部分的组织与基体相近，并非氧化铁皮，结疤位置存在大量的氧化圆点。氧化圆点产生的原因为：在高温(高于1000℃)环境下，金属材料中的Si、Mn元素经过高温氧化，形成了圆点状氧化物，即氧化圆点。随着加热温度的升高，保温时间的延长，氧化圆点的数量也随之增加。当盘圆出现结疤缺陷时，结疤与基体处于半脱离状态，空气将结疤处包围，结疤位置的氧势会比其他位置高，在结疤处更容易产生氧化圆点并聚集。因此，当在PC钢棒结疤周围观察到大量氧化圆点时，说明在母材上也存在结疤缺陷。
PC钢棒发生延迟断裂的实质是材料、环境、应力相互作用而发生的一种环境脆化现象。断裂的主要原因是材料的各种内部缺陷，诱因是氢。延迟断裂理论认为，PC钢棒处于含有氢气的气体和可能生成氢原子的水溶液介质中，这些氢气通过钢材表面缺陷等侵入钢材内部后，使材料发生氢致延迟断裂。氢致延迟断裂的形成原理是原子氢在应力梯度的作用下，通过位错通道、晶粒界面等扩散到裂纹尖端局部区域并高度富集，氢气富集区域的压力较大，富集区域的氢浓度达到其临界值后，裂纹开始形成并扩散，最终导致材料在外应力远低于断裂应力时发生延迟断裂。
收卷盘卷时，在盘卷的外缘形成较高的拉应力，如果PC钢棒外表面存在微裂纹、结疤等缺陷，则会导致缺陷处应力集中，此时氢会不断地向高应力处聚集，即向钢棒缺陷处聚集，最终引起钢棒的氢脆断裂。当PC钢棒的表面存在严重缺陷时，在放置过程中不需要氢的聚集腐蚀，PC钢棒在较小应力的作用下，就有可能发生延迟脆断。
3、 结论和建设
(1)控制铸坯的拉速，使其保持在2.0~2.1m/min，拉速波动应控制在不大于0.02m/min。
(2)设定冷却区出口铸坯的目标温度，采用配水软件计算各冷却区的冷却水量，保证结晶器及二冷段进水温度在合理范围。
(3)优化轧制生产过程控制,提高盘条的表面质量，消除表面裂纹、结疤等缺陷，提高出厂盘条的表面质量。
(4)在冬季寒冷气候条件下，成品盘卷应放置在仓库内，延长时效时间，降低应力，避免材料发生脆断。
作者：孙善波
单位：日照钢铁控股集团有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2023年第10期
