橋梁纜索用87Mn 鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)異常斷裂分析

李玉崗，路晨龍，薄 宇

（天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300352）

0 引言

橋梁纜索廣泛應(yīng)用在大跨度橋梁和大型建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。其中有懸索橋的主纜、吊索，斜拉橋的斜拉索，拱吊橋的吊索，大型體育場(chǎng)館、劇院、展廳的懸索和拉索等。橋梁纜索鋼絲要求具有嚴(yán)格的機(jī)械力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、彈性模量、扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎曲、纏繞、松弛、疲勞等性能指標(biāo)。所以原料盤條需成分均勻、非金屬夾雜物級(jí)別低、無(wú)異常組織、較高的強(qiáng)度和塑性、良好的表面質(zhì)量。

橋梁纜索主要由高強(qiáng)度熱鍍鋅鋼絲制成[1]，高強(qiáng)度熱鍍鋅鋼絲是采用經(jīng)索氏體化處理的高質(zhì)量盤條，經(jīng)冷拉和熱鍍鋅防腐處理加工而成。鋼絲經(jīng)熱鍍鋅處理后通常受溫度影響扭轉(zhuǎn)性能會(huì)發(fā)生輕微下降，也有個(gè)別異常情況下，熱鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)性能會(huì)急劇惡化，造成嚴(yán)重后果。針對(duì)鋼絲扭轉(zhuǎn)性能異常下降的現(xiàn)象，本文通過(guò)檢測(cè)盤條、鍍鋅鋼絲的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，來(lái)分析和查找問(wèn)題原因。

1 熱鍍鋅鋼絲生產(chǎn)工藝及主要問(wèn)題

1.1 熱鍍鋅鋼絲生產(chǎn)工藝流程

橋梁纜索鍍鋅鋼絲生產(chǎn)工藝流程：盤條酸洗磷化處理→拉拔至φ6.93 mm/φ7.05 mm→收線→鍍鋅→收線→穩(wěn)定化處理→收線包裝。

1.1.1 盤條拉拔工藝

盤條材料：87Mn；盤條規(guī)格：φ13.0 mm；拉拔道次：7 次；拉拔速度：2.5～2.8 m/s；總壓縮率：70.6%。拉拔工藝見(jiàn)表1。

1.1.2 熱鍍鋅工序

表1 拉拔工藝 /mm

（1） 酸堿洗處理。拉拔后的鋼絲經(jīng)過(guò)堿洗（NaOH）、酸洗（HCl）、清洗、烘干完成熱鍍鋅前預(yù)處理工藝，堿洗的目的是除油；酸洗的目的是清除氧化皮。

（2）純鋅熱鍍。酸堿洗處理后的鋼絲通過(guò)長(zhǎng)度6 m 左右的純鋅槽，進(jìn)行熱鍍鋅作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)鍍鋅線速28 m/min，鋅溫450～460 ℃。

（3）鋅鋁合金熱鍍（GF）。根據(jù)終端需求還可以在純鋅熱鍍的基礎(chǔ)上進(jìn)行鋅鋁合金熱鍍，鍍鋅后的鋼絲通過(guò)長(zhǎng)度6 m 左右的鋅鋁合金槽，進(jìn)行熱鍍鋅鋁合金作業(yè)，熱鍍溫度450～460 ℃。要求兩道熱度工序總時(shí)長(zhǎng)約為24 秒；鋼絲單位面積的鋅層重量不小于300 g/m2，換算單側(cè)鋅層厚度0.045 mm 左右；根據(jù)《GB/T 17101-2008 橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》，尺寸允許偏差要求為φ7.00 mm±0.07 mm。

（4）穩(wěn)定化處理。處理溫度為370～380 ℃，42%張力。

1.2 主要問(wèn)題及斷絲形貌特征

根據(jù)客戶要求，盤條拉拔成鋼絲后扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)圈數(shù)要求達(dá)到20 次以上，經(jīng)熱鍍鋅后扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)圈數(shù)達(dá)到12 次以上。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，規(guī)格為φ13.0 mm的87Mn 盤條，在拉拔7 道次至φ7.05 mm 鋼絲后，扭轉(zhuǎn)圈數(shù)可穩(wěn)定達(dá)到25～30 次，但熱鍍鋅后，扭轉(zhuǎn)圈數(shù)有明顯波動(dòng)，部分鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)圈數(shù)5次便已斷裂。觀察斷口可以看到，異常斷口多呈異常斜劈狀（見(jiàn)圖1），也有個(gè)別呈平面臺(tái)階狀并伴有裂紋（見(jiàn)圖2），而性能正常的鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)圈數(shù)可以達(dá)到20 次，且斷裂面較平滑（見(jiàn)圖3）。后文中為方便區(qū)分，異常斷口統(tǒng)稱為1#試樣，正常斷口統(tǒng)稱為2#試樣。

2 力學(xué)性能分析

2.1 鋼絲力學(xué)性能

圖1 鍍鋅鋼絲異常斜劈狀斷口

圖2 鍍鋅鋼絲異常平斷口

圖3 鍍鋅鋼絲正常平面斷口

對(duì)一組φ7.05 mm 規(guī)格的87Mn 拉拔鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出，盤條經(jīng)拉拔成φ7.05 mm 鋼絲后抗拉強(qiáng)度平均值為1 714 MPa，極值差為51 MPa，扭轉(zhuǎn)性能良好、穩(wěn)定，圈數(shù)介于25～30 次之間。

2.2 熱鍍鋅鋼絲力學(xué)性能

對(duì)一組φ7.05 mm 規(guī)格的87Mn 熱鍍鋅鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表3 所示。從表3 可以看出，φ7.05 mm 鋼絲熱鍍鋅后抗拉強(qiáng)度略有下降，平均值為1 708 MPa，極值差為23 MPa，相對(duì)而言數(shù)值分布更趨于穩(wěn)定，但扭轉(zhuǎn)性能發(fā)生較大波動(dòng)，扭轉(zhuǎn)圈數(shù)介于5～20 之間。

3 熱鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)性能異常分析

從熱鍍鋅工藝可以看到，熱鍍溫度在450～460℃，總時(shí)間約為24 秒，這相當(dāng)于對(duì)鋼絲做了一個(gè)短時(shí)間的退火，此時(shí)鋼絲內(nèi)應(yīng)力降低，緩解拉拔后的加工硬化，使抗拉強(qiáng)度分布趨于穩(wěn)定，有微小下降（6 MPa）。但同時(shí)短暫的退火會(huì)使鋼絲韌性值下降，因此鍍鋅后鋼絲通常會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下降的現(xiàn)象，但如此明顯的波動(dòng)顯然是不合理的。

表2 拉拔鋼絲力學(xué)性能

表3 熱鍍鋅鋼絲力學(xué)性能

因此，針對(duì)扭轉(zhuǎn)圈數(shù)低于8 次斷裂的異常斷口（1#試樣）和高于12 次以上斷裂的正常斷口（2#試樣）分別做進(jìn)一步的檢驗(yàn)分析，來(lái)查找熱鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)性能異常的原因。

3.1 化學(xué)成分對(duì)比分析

分別對(duì)1#試樣、2#試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析（見(jiàn)表4），從表4 可以看，出兩者的化學(xué)成分無(wú)明顯區(qū)別。

3.2 低倍形貌

對(duì)1#試樣、2#試樣垂直軸向取樣，用1∶1 鹽酸水溶液在65 ℃下浸蝕15 分鐘后，觀察試樣橫截面低倍形貌（見(jiàn)圖4），可以看出，1#試樣有較明顯的中心偏析以及錠型偏析痕跡，而2#試樣有輕微的中心疏松，無(wú)明顯偏析現(xiàn)象。

表4 鍍鋅鋼絲化學(xué)成分對(duì)比分析 /%

圖4 低倍形貌

3.3 鍍鋅鋼絲表面微觀特征

（1）垂直鋼絲軸向經(jīng)拋光后，用掃描電鏡觀察鋼絲表面鋅層，2#試樣表面鋅層相對(duì)較厚，同時(shí)鋅層更加致密，氣孔較少較?。ㄒ?jiàn)圖5、圖6）。

（2）用稀鹽酸洗掉鋼絲表面鋅層后，使用4%硝酸酒精腐蝕，從試樣表面組織來(lái)看，1#試樣表面脫碳層厚度為0.05 mm（圖7），2#試樣脫碳層厚度為0.05 mm（圖8）。

圖5 1#試樣鋅層300×

圖6 2#試樣鋅層300×

扭轉(zhuǎn)性能對(duì)金屬表層性能尤為敏感，有文獻(xiàn)認(rèn)為表面質(zhì)量能較好的反應(yīng)出鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能[2]，從上述金相檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩支鋼絲脫碳深度并無(wú)差異，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的表面缺陷，僅鋼絲表面鋅層上有所區(qū)別，判斷鋅層致密度更好的情況下，對(duì)扭轉(zhuǎn)性能或有較好提升。

3.4 鍍鋅鋼絲內(nèi)部微觀特征

（1）垂直鍍鋅鋼絲軸向磨制拋光式樣，使用4%硝酸酒精腐蝕后，1#試樣在50 倍下觀察均可以看出心部有明顯的偏析（圖9），在2#試樣心部未發(fā)現(xiàn)偏析（圖10）。放大至1 000 倍后觀察，1#試樣心部受扭轉(zhuǎn)影響，索氏體沿扭轉(zhuǎn)方向變形，2#試樣心部組織扭轉(zhuǎn)次數(shù)多、變形大呈更為明顯的條狀分布。

（2）從鋼絲原材盤條上取樣觀察橫截面，對(duì)比試樣心部組織原始差異。試樣經(jīng)拋光后用堿性苦味酸鈉水溶液（2 g 苦味酸，25 g 氫氧化鈉，100 ml 水）[3]，在沸騰狀態(tài)下煮蝕試樣30 秒。在光鏡50 倍下觀察，1#試樣原材盤條心部有明顯偏析，放大至500倍后觀察為大量的二次滲碳體沿原奧氏體晶界呈嚴(yán)重的網(wǎng)狀分布（圖11），2#試樣心部未發(fā)現(xiàn)二次滲碳體（圖12）。

橋梁纜索87Mn 碳含量已過(guò)共析點(diǎn)，在緩冷狀態(tài)下會(huì)沿原奧氏體晶界析出二次滲碳體，生產(chǎn)上通過(guò)控制冷卻使奧氏體過(guò)冷至Ac1 溫度以下，先共析二次滲碳體轉(zhuǎn)變被遏制而直接發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，冷卻后得到索氏體組織。二次滲碳體是一種硬而脆的組織相，在受力時(shí)易在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋或孔隙，導(dǎo)致斷裂。而二次滲碳體的析出是由于冷卻速度相對(duì)較小或中心碳偏析（碳含量高）引起。

從上述檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，心部的偏析對(duì)扭轉(zhuǎn)性能有較大影響，即心部偏析越大，二次滲碳體分布越多，對(duì)于扭轉(zhuǎn)性能的惡化越嚴(yán)重。

圖7 1#試樣脫碳500×

圖8 2#試樣脫碳500×

圖9 1#試樣心部組織50×

圖10 2#試樣心部組織50×

3.5 鍍鋅鋼絲扭轉(zhuǎn)異常斷口微觀特征

鋼絲在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中表面受到最大的切應(yīng)力，因此扭轉(zhuǎn)性能對(duì)鋼絲表面質(zhì)量有著高敏感性，理論上開(kāi)裂應(yīng)起源于承受最大應(yīng)力的鋼絲表面。但從1#試樣平面臺(tái)階狀斷口處取樣，拋光后觀察斷口裂紋分布狀態(tài)（圖13、圖14），從裂紋的分布特征判斷裂紋起源于A 點(diǎn)（圖14），即扭轉(zhuǎn)開(kāi)裂起源于鋼絲內(nèi)部。

從圖14 可以看到，裂紋由A 點(diǎn)開(kāi)始向多個(gè)方向擴(kuò)展，兩側(cè)分布二次裂紋，經(jīng)測(cè)量A 點(diǎn)距邊部1 712 μm，鋼絲的直徑為7.05 mm，計(jì)算可知A 點(diǎn)處于鋼絲直徑的1/4 附近，這也與文獻(xiàn)中試驗(yàn)結(jié)果所判斷一致，即扭轉(zhuǎn)斷裂起源于鋼絲直徑的1/4 處[4]。

同時(shí)文獻(xiàn)試驗(yàn)指出，在450 ℃下短時(shí)間保溫可以使碳原子擴(kuò)散，鐵素體內(nèi)碳原子濃度變高導(dǎo)致時(shí)效硬化，使鋼絲扭轉(zhuǎn)性能發(fā)生變化，產(chǎn)生分層[4]。而值得注意的是，上文低倍檢驗(yàn)結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)性能較差的鋼絲有明顯的錠型偏析低倍形貌，同時(shí)偏析的邊緣也十分接近鋼絲直徑的1/4 處。而偏析帶附近碳原子濃度更高，因此向鐵素體內(nèi)擴(kuò)散程度更高，同樣支持?jǐn)嗔哑鹪从阡摻z內(nèi)部理論。而不同部位性能產(chǎn)生的差異性變化，也會(huì)在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中使鋼絲變形不均而引起裂紋，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)性能惡化。

圖11 1#試樣原材盤條心部500×

圖12 2#試樣原材盤條心部500×

圖13 1#試樣平面臺(tái)階狀心部組織

圖14 1#試樣平面臺(tái)階狀斷口邊部組織

3.6 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物以機(jī)械混合物的形式存在于鋼中，其性能與鋼有很大的差異，破壞了鋼基體的均勻性、連續(xù)性，當(dāng)出現(xiàn)超出臨界尺寸的夾雜會(huì)在該處形成裂紋導(dǎo)致開(kāi)裂。為判斷夾雜物對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響，沿試樣軸向剖開(kāi)，拋光后觀察斷口縱截面，發(fā)現(xiàn)斷口處無(wú)非金屬夾雜物聚集現(xiàn)象。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)方法》中A 法評(píng)級(jí)結(jié)果（表5）可以看出：1#試樣A 類硫化物0.5 級(jí)，斷口附近非金屬夾雜物級(jí)別較低，未發(fā)現(xiàn)大顆粒及超尺寸夾雜，純凈度較好；2#試樣B 類氧化鋁0.5 級(jí)，整個(gè)截面上僅發(fā)現(xiàn)1 條長(zhǎng)度為30 μm 的B 類氧化鋁夾雜物，純凈度較高。

上述結(jié)果表明，在偏析明顯的情況下，即使非金屬夾雜物純凈度情況較好，對(duì)扭轉(zhuǎn)性能能夠造成的有利影響依舊有限。

表5 非金屬夾雜物（A 法） /級(jí)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）平面臺(tái)階狀斷口扭轉(zhuǎn)斷裂裂紋起源于鋼絲內(nèi)部。鋼絲經(jīng)熱度鋅工藝450 ℃下短時(shí)間保溫后，鋼絲原鑄坯偏析處，因碳擴(kuò)散的原因?qū)е屡c鋼絲其他部位性能存在差異，扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力集中易產(chǎn)生裂紋，使扭轉(zhuǎn)性能變差。

（2）盤條心部的碳偏析對(duì)扭轉(zhuǎn)性能有較大影響，即心部碳偏析越大，二次滲碳體分布越多，對(duì)鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的惡化越嚴(yán)重。

（3）在偏析較為明顯的狀態(tài)下，即使鋼的純凈度情況較好，對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的提升依舊有限。

（4）扭轉(zhuǎn)性能對(duì)金屬表層質(zhì)量敏感，在鋅層更致密的情況下，對(duì)扭轉(zhuǎn)性能有利。