委托单位提供了适用于连接HRB400级钢筋的直螺纹连接套筒, 连接套筒原材为45钢无缝钢管。45钢为优质碳素结构钢, 其硬度不高, 易于切削加工^[1]。根据设计要求, 该连接套筒要达到行业标准JGJ 107—2010《钢筋机械连接通用技术规程》中I级接头性能的要求, 接头抗拉强度不小于被连接钢筋实际抗拉强度或钢筋抗拉强度标准值的1.10倍, 即其抗拉强度要达到600 MPa^[2]。该单位在检验本批次产品时, 发现其在未达到抗拉强度要求时即发生了断裂现象, 如图1所示。本文借助SEM、EDS、直读光谱仪、OM、显微硬度计等设备对断裂件的断口形貌观察, 化学成分检测、显微组织观察、硬度测试, 对失效连接套筒未达到强度要求展开分析与研究, 分析原因并提出改进建议。

对失效件的断口和所有残片在未进行任何清洁处理前进行全面的观察。此连接套筒力学性能测试已有一定时间, 断口及表面已经生锈。经观察发现断口有一定量的塑性变形和撕裂痕迹, 并且断口出现分层现象, 如图2所示。

使用SB-5200D超声波清洗机清洗试样断口。采用TESCAN-VEGA3-LMH扫描电镜观察断口形貌, 如图3所示。由图3 (a) 、 (b) 可知, 存在严重的钢质疏松和大量孔洞缺陷。产生疏松和孔洞的原因, 除了与熔炼材料有关外, 还可能与钢锭铸造过程中温度下降梯度有关^[3,4]。由于存在钢质疏松和孔洞缺陷, 在外界拉力作用下会形成局部的应力集中, 当应力值达到或超过其抗拉强度时就会产生裂纹。失效连接套筒为韧性韧窝断裂, 见图3 (c) 、 (d) 。韧窝的形成机理为空洞聚集, 即显微空洞形核、长大、聚集直至断裂。在材料内部夹杂物、析出相, 晶界或其他塑性变形不连续处发生位错塞积, 产生应力集中, 进而开始形成显微孔洞, 孔洞长大、聚集在一起就形成了韧窝断裂^[5]。如图3 (c) 所示, 形成的韧窝较浅, 说明失效件的塑形较差。如图3 (d) 所示, 在扫描电镜高倍率的观察下可知, 在韧窝和孔洞的底部有大量的第二相质点。这些非金属夹杂物质点的强度几乎接近于零, 他们存在于钢材中使得钢的基体上出现了孔洞, 严重破坏了刚基体的连续性, 形成很高的局部应力集中^[6,7]。原材品质较差可能是连接套筒抗拉强度未达到设计要求的主要原因。综上所述, 钢材生产厂家应严格控制材料质量并优化钢锭铸造工艺, 减少夹杂物和上述材质疏松、孔洞缺陷。

从该失效连接套筒上切取试样, 使用Bruker Q4170直读光谱仪测量其化学成分, 测量结果见表1, 结果表明该批次连接套筒所选原材化学成分符合GB/T699—2015《优质碳素结构钢》标准要求。

使用INNOVATEST MANUAL-400D型维氏硬度计对失效件横、纵截面试样分别进行显微硬度检测, 每个位置测试5个点, 平均显微硬度值见表2。

采用线切割机在失效套筒上切取横、纵截面试样, 经过镶嵌、粗磨、细磨、抛光, 在Leica DM4000M型显微镜下观察非金属夹杂物, 观察到有球状氧化物和条状硫化物夹杂。横截面如图4 (a) 所示, 按照钢中非金属夹杂物显微评定方法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》, 评为D类3级。纵截面如图4 (b) 所示, 按照钢中非金属夹杂物显微评定方法GB/T 10561—2005, 评为A类1.5级。连接套筒失效件内部存在较多非金属夹杂物, 在材料受力变形时, 这些杂质颗粒成为应力集中点, 当应力值超过额定值时, 会沿着杂质颗粒的尖端处产生微裂纹, 直至最后断裂^[8,9]。

将失效连接套筒的横、纵截面试样, 经研磨、抛光后, 用4%的硝酸酒精溶液腐蚀, 在Leica DM4000M型显微镜下观察显微组织, 进行金相显微分析。如图5 (a) 横截面和图5 (b) 纵截面所示, 组织均为网状铁素体和晶粒度不均匀的珠光体。网状铁素体的存在, 破坏了组织的连续性, 会降低材料的塑性和疲劳性能, 导致基体强度明显下降^[10]。从图5 (a) 、 (b) 中可以发现基体存在严重的缺陷组织———魏氏组织, 魏氏组织按照GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》评级为B列3级, 魏氏组织是当亚共析钢或者过共析钢在高温以较快的速度冷却时, 先共析的铁素体或者渗碳体从奥氏体晶界上沿一定的晶面向晶内生长, 呈针状析出。这种组织强度较低, 塑性和韧性比较差, 特别是冲击韧性很低, 严重影响材料的力学性能^[11,12]。铁素体呈连续网状沿晶分布及魏氏组织缺陷是导致连接套筒断裂的重要原因。

通过TESCAN系列VEGA3 LMH扫描电镜和能谱仪对失效连接套筒的橫截面试样进行面扫描分析, 如图6所示。扫描50μm×30μm的区域进行元素分析, 扫描图见图6 (a) 及元素分布见图6 (b) 所示。由图6 (b) 中元素分布可以看出, 该试样的合金成分中杂质较多, 特别是含有较多的Al、Si、P、S、Cu等元素, 与上文中2.3夹杂物检测中出现较多的硫化物和氧化物夹杂分析相符。因此, 断裂连接套筒原材中存在一定量的硫化物和氧化物夹杂加剧了连接套筒断裂的趋势。

1) 该失效件的化学成分及硬度符合GB/T 699—2015中45钢的要求, 但其内部疏松, 存在较多孔洞、非金属夹杂物等缺陷, 综合力学性能不能满足设计要求。建议严格控制所选原材品质, 从源头控制不合格品的产生。

2) 该失效件的组织为不均匀的网状铁素体+珠光体, 且存在严重的魏氏组织。网状铁素体与魏氏组织的出现, 大大降低了材料的韧性和强度, 增加脆性, 易导致45钢管件断裂。建议对存在上述组织缺陷的原材进行正火或退火热处理, 以满足其力学性能要求。