扭轉(zhuǎn)角度對(duì)橋梁纜索鋼絲組織的影響

支衛(wèi)軍,陳常勇,姜周華

(1.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110819; 2.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201999)

半個(gè)世紀(jì)以來,橋梁纜索用鍍鋅鋼絲強(qiáng)度等級(jí)由1 670 MPa發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的1 770 MPa,并逐步向1 960、2 000 MPa級(jí)別推進(jìn)[1]。鋼絲的高強(qiáng)化是提高強(qiáng)度以減少索股的直徑和質(zhì)量,但強(qiáng)度指標(biāo)的提高可能會(huì)影響韌性和塑性[2]。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)是檢驗(yàn)金屬韌塑性的一種方便有效的試驗(yàn)方法,尤其適用于橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲。

受生產(chǎn)技術(shù)水平的限制,國內(nèi)對(duì)于是否用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來檢測(cè)橋索鋼絲的韌塑性一直存在爭(zhēng)議。主要的原因是認(rèn)為扭轉(zhuǎn)指標(biāo)和松弛性能在生產(chǎn)工藝上互相制約[3]。近年來,原材料(盤條)和鋼絲制造工藝的改進(jìn),在保證松弛性能的前提下,完全可以滿足扭轉(zhuǎn)指標(biāo)的要求,因此扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)己經(jīng)普遍被接受并用于檢驗(yàn)鋼絲的綜合韌塑性能[4]。

大量研究表明,鋼絲的生產(chǎn)工藝如盤條表面處理、冷拉拔工藝、熱鍍鋅工藝等對(duì)鋼絲扭轉(zhuǎn)性能都有影響[5-7]。但是關(guān)于扭轉(zhuǎn)過程中鋼絲組織隨扭轉(zhuǎn)角度的變化卻鮮有報(bào)導(dǎo),因此,本試驗(yàn)選取國內(nèi)兩家不同廠商生產(chǎn)的橋梁纜索鍍鋅鋼絲為原材料,探索扭轉(zhuǎn)角度對(duì)鋼絲組織的影響。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼絲共兩種,分別為國內(nèi)兩家廠商生產(chǎn),編號(hào)為A組和B組。其中A組鋼絲的扭轉(zhuǎn)角度分別為0°、350°、945°以及扭斷,鋼絲編號(hào)分別為0#、1#、2#、3#;B組鋼絲扭轉(zhuǎn)角度為0°、200°和扭斷,鋼絲編號(hào)分別為4#、5#、6#。試驗(yàn)所用鋼絲如圖1所示,其成分如表1所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)所用的鋼絲Fig.1 Steel wire for torsion experiment

表1 鋼絲的化學(xué)成分Table 1 Composition analysis of experimental steels wire %

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的扭轉(zhuǎn)設(shè)備、原理和過程詳見以往的研究[5]。

鋼絲經(jīng)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后,先采用掃描電鏡對(duì)其組織進(jìn)行觀察,從鋼絲橫向和縱向的邊緣處、1/2半徑處、芯部均取樣進(jìn)行分析。然后采用透射電鏡對(duì)其組織進(jìn)行檢測(cè),從鋼絲橫向和縱向的1/2半徑處取樣,取樣的依據(jù)詳見以往的研究[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 扭轉(zhuǎn)角度對(duì)A組鋼絲組織的影響

2.1.1 扭轉(zhuǎn)角度對(duì)A組鋼絲橫向組織的影響

0#鋼絲橫向SEM組織如圖2所示。由圖2可知,鋼絲邊緣處局部組織發(fā)生溶解退化,使得索氏體片層之間的界限變得模糊,且有少量的微孔,這主要是因?yàn)殇摻z熱鍍鋅過程中,其表面受熱最嚴(yán)重,導(dǎo)致表面組織中少部分滲碳體發(fā)生溶解;而r/2 處、芯部的組織則保持了很好的完整性,組織分布很均勻,片層之間的界限清晰明了。

圖2 0#鋼絲橫向SEM組織Fig.2 Transverse SEM structure of 0# steel wire

1#鋼絲橫向SEM組織如圖3所示。由圖3可知,與0#鋼絲相比,相同位置處,1#鋼絲經(jīng)扭轉(zhuǎn)后組織變化主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①索氏體片被拉長(zhǎng)、變薄,片間距明顯減小,片層之間的界限很難分清楚;②索氏體團(tuán)被扭曲得更加嚴(yán)重;③組織惡化,微孔的數(shù)量明顯增多,分布明顯更廣泛;④滲碳體碎裂、球化現(xiàn)象明顯更加嚴(yán)重,顆粒狀、短棒狀的滲碳體數(shù)量明顯增多,分布明顯更廣。這些規(guī)律在透射照片中更加清晰和明顯,如圖4所示。

圖3 1#鋼絲橫向SEM組織Fig.3 Transverse SEM structure of 1# steel wire

圖4 A組鋼絲橫向r/2 處的TEM組織Fig.4 Transverse TEM structure of steel wire at r/2 (group A)

2#和3#鋼絲的橫向SEM組織分別如圖5和圖6所示。從圖5、6可知,與0#鋼絲相比,2#、3#鋼絲經(jīng)扭轉(zhuǎn)后組織變化規(guī)律與1#鋼絲類似,且隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加,上述變化更加明顯。

圖5 2#鋼絲橫向SEM組織Fig.5 Transverse SEM structure of 2# steel wire

圖6 3#鋼絲橫向SEM組織Fig.6 Transverse SEM structure of 3# steel wire

2.1.2 扭轉(zhuǎn)角度對(duì)A組鋼絲縱向組織的影響

0#鋼絲縱向SEM組織如圖7所示。由圖7可知,索氏體片沿軸向呈纖維狀排列,部分垂直于軸向的索氏體片由于拉拔作用而變得扭曲甚至斷裂。邊緣處局部組織發(fā)生溶解退化,使得索氏體片層之間的界限變得模糊,且有少量的微孔;而r/2 處、芯部的組織則保持了很好的完整性,組織分布很均勻,片層之間的界限清晰明了。

圖7 0#鋼絲縱向SEM組織Fig.7 Longitudinal SEM structure of 0# steel wire

1#鋼絲縱向SEM組織如圖8所示。由圖8可知,與0#鋼絲相比,相同位置處,1#鋼絲經(jīng)扭轉(zhuǎn)后,索氏體片層仍然保持沿軸向呈纖維狀分布,但整體上看,組織變化規(guī)律與橫向SEM組織變化規(guī)律類似。

圖8 1#鋼絲縱向SEM組織Fig.8 Longitudinal SEM structure of 1# steel wire

2#和3#鋼絲的縱向SEM組織分別如圖9和圖10所示?？梢钥闯?隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加,上述規(guī)律變得更加明顯。

圖9 2#鋼絲縱向SEM組織Fig.9 Longitudinal SEM structure of 2# steel wire

圖10 3#鋼絲縱向SEM組織Fig.10 Longitudinal SEM structure of 3# steel wire

A組鋼絲的透射組織如圖11所示。從圖11可知,隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加,索氏體片層中的位錯(cuò)密度逐漸增加,在晶界處甚至出現(xiàn)堆積和纏結(jié),形成位錯(cuò)墻,如圖11(d)所示。

圖11 A組鋼絲縱向TEM組織Fig.11 Longitudinal TEM structure of steel wire (group A)

為了更精確地對(duì)比扭轉(zhuǎn)角度對(duì)A組鋼絲索氏體片層間距影響的差異,對(duì)它們的索氏體片層間距進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如下:

(1) A(0°):57 ～ 71 nm;

(2) A(350°):53 ～ 60 nm;

(3) A(945°):52 ～ 69 nm;

(4) A(扭斷):42 ～ 53 nm。

檢測(cè)結(jié)果說明,隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加,鋼絲索氏體片層間距有減小的趨勢(shì),這與前文的觀察結(jié)果相一致。

2.2 扭轉(zhuǎn)角度對(duì)B組鋼絲組織的影響

2.2.1 扭轉(zhuǎn)角度對(duì)B組鋼絲橫向組織的影響

4#、5#和6#鋼絲橫向組織如圖12～15所示。仔細(xì)對(duì)比可以看出,扭轉(zhuǎn)角度對(duì)B組鋼絲橫向組織的影響與對(duì)A組鋼絲組織的影響很類似。

圖12 4#鋼絲橫向SEM組織Fig.12 Transverse SEM structure of 4# steel wire

圖13 5#鋼絲橫向SEM組織Fig.13 Transverse SEM structure of 5# steel wire

圖14 6#鋼絲橫向SEM組織Fig.14 Transverse SEM structure of 6# steel wire

圖15 B組鋼絲橫向 r/2處TEM組織Fig.15 TEM structure of steel wire at r/2 (group B)

2.2.2 扭轉(zhuǎn)角度對(duì)B組鋼絲縱向組織的影響

4#、5#和6#鋼絲縱向組織分別如圖16～19所示。仔細(xì)對(duì)比可以看出,B組鋼絲縱向組織隨扭轉(zhuǎn)角度增加時(shí),其變化規(guī)律與A組鋼絲很類似。

圖16 4#鋼絲縱向SEM組織Fig.16 Longitudinal SEM structure of 4# steel wire

圖17 5#鋼絲縱向SEM組織Fig.17 Longitudinal SEM structure of 5# steel wire

圖18 6#鋼絲縱向SEM組織Fig.18 Longitudinal SEM structure of 6# steel wire

圖19 B組鋼絲縱向TEM組織Fig.19 Transverse TEM structure of steel wire (group B)

為了更精確地對(duì)比扭轉(zhuǎn)角度對(duì)B組鋼絲索氏體片層間距影響的差異,對(duì)它們的索氏體片層間距進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如下:

(1) B(0°):70 ～ 81 nm;

(2) B(200°):43 ～ 73 nm;

(3) B(扭斷):41 ～ 65 nm。

檢測(cè)結(jié)果說明,隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加,鋼絲索氏體片層間距有減小的趨勢(shì),這與觀察結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同廠家生產(chǎn)的鋼絲進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),分析了扭轉(zhuǎn)角度對(duì)A組和B組鋼絲組織的影響,結(jié)果表明,隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加,兩組鋼絲組織的變化有相同的規(guī)律,總結(jié)如下:

(1) 索氏體片被拉長(zhǎng)、變薄,片間距明顯減小,片層之間的界限很難分清楚。

(2) 橫向組織中索氏體團(tuán)被扭曲得更加嚴(yán)重。

(3) 組織逐漸惡化,微孔的數(shù)量明顯增多,分布明顯更廣泛。

(4) 滲碳體碎裂、球化現(xiàn)象更加嚴(yán)重,顆粒狀、短棒狀的滲碳體顆粒數(shù)量明顯增多,分布明顯更廣。

(5) 位錯(cuò)增加,局部區(qū)域出現(xiàn)位錯(cuò)堆積和纏結(jié)。