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钢绳的断丝失效分析 |
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作者：贵州工业大学 朱建培 梁益龙 雷雯 |
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摘 要：分析了钢丝绳在使用中的断丝原因。通过光学金相、电子金相及微区成分的分析，得出钢丝在索氏体化后的组织生长不完全，则对随后冷拔过程中易于在索氏体组织生长不完全区域萌生裂纹，从而使钢丝绳在服役过程中发生断丝现象。
关键词：钢丝；断丝；索氏体；失效
受某厂委托，对该厂断裂钢丝及不同工艺的钢丝进行了显微组织和断裂原因分析。断丝生产工艺：
将Φ6.5的热扎线材拔制到Φ3.2→热处理（索氏体化处理）→ 拔制成Φ1.3后再捻股制绳。
该钢丝绳出厂后经短时间（15天）使用发现断丝现象。能观察到且在一段长度内的不同股上有多处断丝。厂方要求对不同工艺阶段的样品和断丝样品进行分析，查明失效原因，以改进钢丝生产工艺，提高钢丝质量。
1 分析样品
1# Φ3.2 mm钢丝——Φ6.5 mm冷拔到Φ3.2 mm后经索氏体化处理
2# Φ1.3 mm钢丝——Φ3.2 mm冷拔到Φ1.3 mm
3# Φ1.3 mm钢丝——捻股成绳钢丝
4# Φ1.3 mm钢丝——使用后断裂
2 理化检验
2.1 断丝化学成分
钢丝化学成分见下表
2.2 宏观检验
对断裂钢丝绳进行表面观察，可见钢丝绳各股中均有钢丝断裂，断丝的位置比较分散，在断丝部位均有不同程度的磨损。
图1 SEM 700×钢丝宏观断口
2.3 断口观察
断口经超声波清洗后，在扫描电子显微镜下观察，图1是钢丝4#试样SEM断口照片，断口部分白亮区是钢绳在服役中反复磨损变形区。断口呈脆性断口特征，有局部塑变形区。在高倍下观察可看出有部分的沿晶裂纹和晶粒内的准解理断口形貌（图2）并可看出有纵向裂纹沿晶界连通后断裂的形态（见图3）.
图2 SEM 990×部分的沿晶裂纹和 图3 SEM 1500×纵向裂纹沿
晶粒内的准解理断口形貌 晶界连通后断裂的形态
2.4 夹杂物形态分布及级别
试样经镶嵌、磨制、抛光后光学金相显微镜100× 观察镶嵌1#—4#样，根据YB25-77标准评定，结果如下：有少量颗粒脆性夹杂物，级别约1级；塑性夹杂物级别约1级，均为分散分布。
2.5 杂质元素分布分析
采用电子探针对1#和4#样品进行了硫磷元素偏聚的面扫描分析，结果表明S、P元素无明显偏聚。
2.6 显微组织形态
试样经镶嵌、磨制、抛光后用4％硝酸酒精浸蚀，在光镜和扫描电镜下观察发现经前期冷拔热处理后1#样品呈细小团尺寸，其尺寸约在10 μm左右，在团界局部有少量铁素体沿界面分布，呈网状形态（见图4）内部为索氏体组织。
该组织由不同形态的索氏体构成，一部分为细片状索氏体组织，在靠近团界附近有一部分呈现非层状的铁素体条，块片状的基体上分布颗粒状碳化物；碳化物片出现弯曲、分叉的形态，出现索氏体组织生长不完全的现象（见图5）并在3#、4#样品上观察到沿拉拔方向的小裂纹形态（见图6、图7）.
3 结果分析
从上述分析可知原材料在化学成分、杂质含量、夹杂物分布，级别均符合钢丝要求，但是钢丝使用时间很短（仅15天）。断口形貌观察给出了一个很重要的信息，即裂纹首先是从界面上萌生后沿拉拔方向和界面同时生长直到沿界面连通后才失稳断裂。观察显微组织形态可知在界面存在不完全连续的铁素体网状和非层状的铁素体块和碳化物，片层状索氏体生长不完全。这种碳化物的堆积使铁素体不与其配合生长，从而出现非层片区，该区大的有3 μm左右，小的有1 μm左右。由于界面出现铁素体网或块，使变形过程集中在界面附近，这些区域的形变量很高，从而易于萌生裂纹并沿界面扩展而出现早期断裂。正常热处理钢丝组织片层间距较小且均匀连续，在随后的拉拔过程中组织变形协调而不会出现沿拉拔方向的早期小裂纹；在本次样品中由于先共析铁素体的析出，导致铁素体和碳化物的离异生长，在随后拉拔过程中组织变形差异明显化，不能同步产生变形滑移，局部形成位错塞积而产生内应力，导致裂纹源产生于铁素体与索氏体或碳化物的界面处。从以上观察和分析可以判定，本次试样Φ3.2 mm钢丝，在加热形成均匀化奥氏体到铅淬火过程与失效有关。
参考文献
［1］ 刘羽辉.金属材料物理性能检验标准工作手册［M］.北京：中国标准出版社，1985.377-384.
［2］ 殷淼，张雅菊.钢丝拉拔自断原因分析［J］.金属制品.1999(4):24.
［3］ 李志深.钢丝生产工艺（上册）［M］.湘潭: 湘潭钢铁公司职工大学.1988.153.(end)
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(3/19/2005) |
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