重轨坯断裂原因探讨及分析

郭文霞　武艳香

摘要：本文针对某钢铁企业在轧制重轨时，发现有两支重轨坯在加热炉中加热过程中出现断裂而提出。通过对这两支重轨坯取样，进行了金相及扫描电镜分析分析。分析结果得出：重轨坯内存在大量的内部缺陷是导致其在加热过程中断裂的主要原因。重轨坯的浇铸工艺控制不当是产生大量内部缺陷的主要原因。

关键词：重轨坯；缺陷；裂纹；氧化脱碳

某钢铁企业在轧制250km/h重轨时，发现有两支重轨坯在加热的过程中在加热炉中断裂，断裂位置距一端约1.5m。经了解，钢坯在炉膛中停留约6个小时，炉膛温度处于正常工作温度状态。从其中一支钢坯上的断裂处割取一块样坯（包含有断裂面）进行了宏观表面检验和金相检验分析。

1.表面宏观检验

钢坯的断口形貌如图1所示，在钢坯的侧面有一明显的分层壳，钢坯中的裂纹沿着其结合面扩展，其分层断裂面较为光滑，且有氧化铁皮存在。钢坯的上表面有粗大的横向裂纹。

将钢坯剖开表面用20%的硝酸酒精腐蚀，可以观察到断口处的氧化脱碳现象不严重，但是在钢坯表面有裂纹的部位有着较为严重的氧化脱碳现象，有一些从断裂面向内部横向延伸的粗大裂纹却没有氧化脱碳现象。没有缺陷的钢坯表面氧化脱碳现象轻微（约1mm），在剖开面上发现有一个较大的孔洞（如图2所示）。

在钢坯的两侧面及中心部位分别取试样进行了金相制样，经5%硝酸酒精溶液腐蚀后，可以看到钢坯内部有较大的孔洞缺陷存在，与外界相通的缺陷在加热的过程中产生严重的氧化脱碳现象，而没有与外界连通的则没有氧化脱碳现象；钢坯表面有缺陷存在的部位，氧化脱碳要严重一些；断口处的氧化脱碳也不是很严重，无缺陷一侧的角部则无明显氧化脱碳，组织正常。

2.金相检验

2.1 金相高倍观察结果：

高倍观察以上试样，钢坯内部有许多沿晶裂纹，断裂面附近的裂纹较为粗大，其中还有空洞存在，在钢坯边缘有缺陷存在的区域，粗大的裂纹周围有明显的氧化带，说明氧化脱碳现象严重。

外表面没有缺陷钢坯边缘处的氧化脱碳现象轻微，但是存在许多微小的沿晶裂纹；与外部相通的裂纹有氧化脱碳，而内部的裂纹则没有脱碳现象。在钢坯的上表面的两侧棱角处发现的有凸起鼓包的金相观察可以看出，氧化脱碳现象较为严重，内部的沿晶裂纹也较为粗大；部分晶界可看到有沿晶界分布的硅、锰氧化物或硅氧化物存在（如图3所示）。钢坯内部有许多粗大的、无氧化脱碳的裂纹存在。存在缺陷的钢坯边缘的基体组织中发现有少量的魏氏组织存在（如图4所示）。

2.2 夹杂扫描电镜能谱分析：

对钢坯晶界内夹杂物进行了扫描电镜观察和能谱成份分析，主要为硅、锰氧化物或硅氧化物（如图5所示）。

3.结果分析

由宏观及金相检验可以看出，钢坯中存在较多、较严重的表面及内部缺陷，尤其是内部孔洞及各类沿晶裂纹的存在。当钢坯在正常的工作温度加热过程中，表面会发生均匀的氧化脱碳现象，但是当钢坯表面存在缺陷时，有缺陷存在部位的氧化脱碳会加重，当钢坯内部（边部附近）的晶粒内有孔洞存在时，由于孔洞的存在，加快了碳在钢中的扩散速度，导致脱碳现象会优先在这些孔洞周围发生；同理，晶界也是优先发生氧化脱碳的部位。

由图6～7可以看出，这些孔洞的周边是比较光滑的，且无氧化脱碳现象，由此推断一部分钢坯内部孔洞的产生可能与钢中的气泡有关。当钢坯内部出现较大的孔洞时，导致其致密度降低，加快了裂纹的扩展速率；而这些基体中的孔洞又会成为裂纹源，在基体中产生新的裂纹，这样就加快了钢坯断裂的速度。

由图4可以看出，当钢坯表面有裂纹等缺陷存在时，容易导致该区域在正常的工作温度下产生局部过热现象，生成魏氏组织，并有较严重的氧化脱碳现象发生，这可能与裂纹等缺陷的存在增加了基体的过热度有关。

钢坯内部产生的大量的沿晶裂纹与连铸坯的浇铸工艺不当控制有关。在连铸的过程中，坯中的钢液在冷却的过程中会发生收缩。当激冷层的壳形成后，如果连铸坯的浇铸工艺控制不当，将导致钢坯内的枝晶间隙不能较好的得到钢液的补充而产生微小的空洞和裂纹，这些缺陷在钢坯的棱角部位及边部尤为集中。更有甚者，当钢液的收缩程度较大时，由于应力的作用会造成部分激冷层的“壳”与基体分层。钢中的夹杂物也易于在枝晶间集中。这些缺陷的存在破坏了基体的延续性，另外在钢坯的加热过程中这些缺陷会出现加重的倾向，微小的裂纹会扩展成较大的裂纹，而这些较大的裂纹反过来又加速了钢的氧化脱碳现象。重轨坯属于高碳钢，抗变形的能力较强，当内应力增大时，基体不会因此而发生塑变以消除或减小内应力，只能是以裂纹扩展的方式来释放内应力。当内应力非常大时，导致裂纹的快速扩展，形成穿晶裂纹。

由于钢坯中存在着较多且较大的孔洞以及大量的、微小的沿晶裂纹时，破坏了钢坯基体的完整性，而且这些孔洞又作为裂纹源产生新的裂纹，这样就大大缩短了裂纹扩展的距离，使得钢坯在加热的过程中，当不断增大的内应力超过钢坯本身最薄弱部位的基体强度时将导致其断裂。

4.结论

4.1重轨坯内存在大量的内部缺陷是导致其在加热过程中断裂的主要原因。

4.2重轨坯的浇铸工艺控制不当是产生大量内部缺陷的主要原因。