彈簧鋼絲拉拔斷裂原因分析

彭小鋼, 曹 標(biāo), 譚 瑩

(廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心, 廣州 510623)

彈簧鋼絲拉拔斷裂原因分析

彭小鋼, 曹 標(biāo), 譚 瑩

(廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心, 廣州 510623)

運(yùn)用斷口分析、化學(xué)成分分析、金相分析、能譜分析以及力學(xué)性能試驗(yàn)等檢測(cè)手段，對(duì)某65鋼熱軋盤條在拉拔成為彈簧鋼絲過(guò)程中發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：熱軋盤條顯微組織中存在網(wǎng)狀鐵素體、晶粒粗大且不均勻以及較多的非金屬夾雜物等缺陷是導(dǎo)致其在拉拔過(guò)程中發(fā)生斷裂的主要原因。

彈簧鋼絲；拉拔斷裂；顯微組織缺陷

φ6.5 mm熱軋盤條在冷拔加工成φ4.2 mm(編號(hào)為1號(hào))和φ2.5 mm(編號(hào)為2號(hào))的鋼絲時(shí)發(fā)生斷裂。熱軋盤條材料為65鋼，其加工成彈簧鋼絲的主要工藝過(guò)程為：熱軋盤條→退火→酸洗→拉絲。

筆者對(duì)斷裂鋼絲的斷口形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能以及顯微組織等進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，以期查明其斷裂原因，為盤條拉絲生產(chǎn)質(zhì)量的改進(jìn)提供借鑒和參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口分析

1.1.1 宏觀觀察

圖1是失效彈簧鋼絲斷口宏觀形貌，可以看到斷口呈典型的筆尖狀，仔細(xì)檢查斷口附近鋼絲表面，未發(fā)現(xiàn)表面質(zhì)量缺陷。

圖1 斷裂彈簧鋼絲宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured spring steel wires:a) No.1; b) No.2

1.1.2 微觀觀察

1.1.2.1 1號(hào)鋼絲

1號(hào)鋼絲(φ4.2 mm)斷口掃描電鏡(SEM)形貌見圖2，可以看到斷口呈韌窩狀，裂紋源位于中心位置，這也表明材料表面沒有明顯的外觀缺陷。將源區(qū)放大可見有夾雜物存在，見圖3；能譜(EDS)分析表明，夾雜物含有鈣、鋁、硅等雜質(zhì)元素，見圖4。

圖2 1號(hào)鋼絲斷口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of No.1 steel wire

圖3 1號(hào)鋼絲裂紋源區(qū)夾雜物SEM形貌Fig.3 SEM morphology of inclusions in the crack source area of No.1 steel wire

圖4 1號(hào)鋼絲裂紋源區(qū)夾雜物EDS譜Fig.4 EDS spectrum of inclusions in the crack source area of No.1 steel wire

1.1.2.2 2號(hào)鋼絲

2號(hào)鋼絲(φ2.5 mm)斷口SEM形貌如圖5所示，同樣可以看到斷口呈韌窩狀，裂紋源位于中心位置，這同樣也表明，材料的表面沒有明顯的外觀缺陷。

圖5 2號(hào)鋼絲斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of No.2 steel wire:a) at low magnification; b) at high magnification

1.2 化學(xué)成分分析

加工成彈簧鋼絲的熱軋盤條是直徑為6.5 mm的65鋼，取失效件試樣1號(hào)和2號(hào)以及原材料試樣3號(hào)和4號(hào)檢測(cè)其化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。可見無(wú)論是原材料還是失效件，其化學(xué)成分均符合GB/T 699-2015對(duì)65鋼成分的技術(shù)要求。

表1 原材料及失效件化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 金相分析

1.3.1 顯微組織觀察

觀察1號(hào)鋼絲截面的顯微組織，如圖6所示，可以看到顯微組織為變形珠光體+沿晶分布的鐵素體，且晶粒粗大、不均勻；2號(hào)鋼絲的顯微組織中也存在網(wǎng)狀鐵素體，如圖7所示。

圖6 1號(hào)鋼絲的顯微組織形貌Fig.6 Morphology of microstructure of No.1 steel wire

圖7 2號(hào)鋼絲的顯微組織形貌Fig.7 Morphology of microstructure of No.2 steel wire

圖8 原材料心部顯微組織形貌Fig.8 Morphology of center microstructure of the raw material

圖9 原材料表面顯微組織形貌Fig.9 Morphology of surface microstructure of the raw material

鋼絲原材料熱軋盤條中心部位的顯微組織為片狀珠光體及呈網(wǎng)狀分布的鐵素體，見圖8；邊緣未見明顯脫碳層，見圖9。

1.3.2 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

金相試樣拋光態(tài)觀察可見，鋼絲及其原材料中均存在大量的非金屬夾雜物。圖10是1號(hào)鋼絲夾雜物形貌，按照GB/T 10561-2005評(píng)定，A類夾雜物級(jí)別為A2.5；圖11是2號(hào)鋼絲夾雜物形貌，按照GB/T 10561-2005評(píng)定，A類夾雜物級(jí)別為A2，B類夾雜物級(jí)別為B1；圖12是原材料夾雜物形貌，按照GB/T 10561-2005評(píng)定，A類夾雜物級(jí)別為A3。

圖10 1號(hào)鋼絲夾雜物形貌Fig.10 Morphology of inclusions of No.1 steel wire

圖11 2號(hào)鋼絲夾雜物形貌Fig.11 Morphology of inclusions of No.2 steel wire

圖12 原材料夾雜物形貌Fig.12 Morphology of inclusions of the raw material

能譜分析結(jié)果表明，1號(hào)、2號(hào)鋼絲及其原材料中的夾雜物均主要以硫化物為主，也有少量氧化物。硫化物能譜見圖13和圖14，氧化物能譜見圖15。

圖13 硫化夾雜物EDS譜(1號(hào)鋼絲)Fig.13 EDS spectrum of sulfide inclusions (No.1 steel wire)

圖14 硫化夾雜物EDS譜(2號(hào)鋼絲)Fig.14 EDS spectrum of sulfide inclusions (No.2 steel wire)

圖15 氧化夾雜物EDS譜(原材料)Fig.15 EDS spectrum of oxide inclusions (raw material)

從以上金相檢驗(yàn)結(jié)果可以看到，鋼絲原材料顯微組織晶粒粗大、不均勻，且存在較多包括硫化物和氧化物在內(nèi)的非金屬夾雜物，這些組織缺陷的存在會(huì)影響材料的使用。

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

1.4.1 拉伸試驗(yàn)

取原材料試樣3號(hào)和4號(hào)測(cè)試其拉伸性能，結(jié)果如表2所示，可見原材料的拉伸性能符合GB/T 699-2015對(duì)65鋼的技術(shù)條件要求，且拉伸性能的波動(dòng)幅度符合GB/T 24242.2-2009技術(shù)要求。由此可以看到，鋼絲原材料的力學(xué)性能正常。

1.4.2 硬度試驗(yàn)

分別檢測(cè)失效件1號(hào)和2號(hào)鋼絲斷口附近和遠(yuǎn)離斷口處橫截面的硬度，并與原材料試樣3號(hào)和4號(hào)橫截面處的硬度進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示?？梢娛Ъ?號(hào)和2號(hào)鋼絲斷口附近和遠(yuǎn)離斷口處的硬度差別不大,并且1號(hào)和2號(hào)鋼絲硬度與原材料試樣3號(hào)和4號(hào)的硬度同樣差別不大，這表明材料的力學(xué)性能是均勻的。

表2 原材料試樣的拉伸性能

表3 失效件及原材料試樣的硬度試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Hardness test results of the failure samples and the raw material samples

試樣硬度/HV1號(hào)斷口附近3081號(hào)遠(yuǎn)離斷口處3372號(hào)斷口附近3852號(hào)遠(yuǎn)離斷口處4023號(hào)3254號(hào)310

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可以知道:失效鋼絲的斷口宏觀形貌呈筆尖狀，斷口處存在非金屬夾雜物,裂紋源處于鋼絲中心位置,鋼絲表面未見質(zhì)量缺陷；鋼絲原材料熱軋盤條化學(xué)成分符合GB/T 699-2015對(duì)65鋼的技術(shù)要求；鋼絲顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，且存在晶粒粗大、不均勻現(xiàn)象；同時(shí)顯微組織中存在較多的硫化物和氧化物夾雜物。網(wǎng)狀鐵素體、粗大不均勻的晶粒以及較多夾雜物都會(huì)降低材料的力學(xué)性能，從而影響其使用，不符合GB/T 24242.1-2009《制絲用非合金鋼盤條 第1部分：一般要求》中關(guān)于顯微組織中不得存在對(duì)其使用有害的組織缺陷的規(guī)定。

網(wǎng)狀鐵素體的存在將割裂珠光體之間的聯(lián)系，使鋼的強(qiáng)度特別是屈服強(qiáng)度降低，同時(shí)降低材料的塑性，從而容易導(dǎo)致變形開裂；晶粒粗大、不均勻同樣也會(huì)降低材料的力學(xué)性能，影響使用。如果鋼中存在明顯的夾雜物，在材料加工變形時(shí)，由于夾雜物與鋼基體變形不一致，基體的連續(xù)性被這一變性差異破壞，勢(shì)必會(huì)造成在夾雜物和基體之間的交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料在變形處產(chǎn)生裂紋進(jìn)而引起斷裂[1-2]。鋼絲斷口裂紋源處存在的夾雜物就證明了夾雜物是材料在加工過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而導(dǎo)致斷裂的原因[3]；同時(shí)，從金相分析結(jié)果還可以看到，盤條顯微組織存在晶粒粗大、不均勻現(xiàn)象，這些組織缺陷同樣破壞了基體的連續(xù)性，容易在交界處形成應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致鋼絲拉拔斷裂[4-5]。

3 結(jié)論及建議

彈簧鋼絲原材料熱軋盤條顯微組織中存在網(wǎng)狀鐵素體、晶粒粗大且不均勻以及較多的非金屬夾雜物等缺陷，是導(dǎo)致其在拉拔過(guò)程中發(fā)生斷裂的主要原因。

建議進(jìn)一步提高冶金質(zhì)量，減少材料中的顯微組織缺陷。

[1] 岳好明,王剛,薛俊峰,等.ER50-6熱軋盤條拉拔斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2013,49(1):59-60,63.

[2] 黃海玲,陳慶豐.焊接用鋼盤條斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(7):522-525.

[3] 張朝磊,劉雅政,周樂育,等.熱軋材冷拉過(guò)程65鋼硬線斷裂分析[J].特殊鋼,2012,33(1):57-59.

[4] 鄒力揚(yáng).預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2012,48(12):821-822,827.

[5] 關(guān)麗軍,張慶安,曹標(biāo),等.45鋼盤條拉拔斷裂原因分析[J].物理測(cè)試,2007,25(1):42-44.

Reason Analysis on Fracture of Spring Steel Wires during Drawing

PENG Xiaogang, CAO Biao, TAN Ying

(Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center, Guangzhou 510623, China)

The fracture reasons of 65 steel hot rolled wire rods when drawing into spring steel wires were analyzed by means of fracture analysis, chemical composition analysis, metallographic analysis, energy spectrum analysis, mechanical property test, etc. The results show that the microstructure defects such as network ferrite, coarse and uneven grains, more non-metallic inclusions and so on, were main reasons for the fracture of the spring steel wires during drawing.

spring steel wire; drawing fracture; microstructure defect

10.11973/lhjy-wl201708014

2017-03-23

彭小鋼(1958-)，男，高級(jí)工程師，主要從事金屬材料檢測(cè)和失效分析工作，pengxg@iqtc.cn

TG113.23

B

1001-4012(2017)08-0599-04