分享：弹簧钢丝拉拔断裂原因分析

摘要:运用断口分析、化学成分分析、金相分析、能谱分析以及力学性能试验等检测手段,对某６５钢热轧盘条在拉拔成为弹簧钢丝过程中发生断裂的原因进行了分析.结果表明:热轧盘条显微组织中存在网状铁素体、晶粒粗大且不均匀以及较多的非金属夹杂物等缺陷是导致其在拉拔过程中发生断裂的主要原因.

关键词:弹簧钢丝;拉拔断裂;显微组织缺陷

中图分类号:TG１１３．２３　　　文献标志码:B  文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０８Ｇ０５９９Ｇ０４

?６．５mm 热轧盘条在冷拔加工成?４．２mm(编号为１号)和?２．５mm(编号为２号)的钢丝时发生断裂.热轧盘条材料为６５钢,其加工成弹簧钢丝的主要工艺过程为:热轧盘条→退火→酸洗→拉丝.笔者对断裂钢丝的断口形貌、化学成分、力学性能以及显微组织等进行了检验和分析,以期查明其断裂原因,为盘条拉丝生产质量的改进提供借鉴和参考.

１ 理化检验

１．１ 断口分析

１．１．１ 宏观观察

图１是失效弹簧钢丝断口宏观形貌,可以看到断口呈典型的笔尖状,仔细检查断口附近钢丝表面,未发现表面质量缺陷.

１．１．２ 微观观察

１．１．２．１ １号钢丝

１号钢丝(?４．２mm)断口扫描电镜(SEM)形貌见图２,可以看到断口呈韧窝状,裂纹源位于中心位置,这也表明材料表面没有明显的外观缺陷.将源区放大可见有夹杂物存在,见图３;能谱(EDS)分析表明,夹杂物含有钙、铝、硅等杂质元素,见图４.

１．３ 金相分析

１．３．１ 显微组织观察

观察１号钢丝截面的显微组织,如图６所示,可以看到显微组织为变形珠光体＋沿晶分布的铁素体,且晶粒粗大、不均匀;２号钢丝的显微组织中也存在网状铁素体,如图７所示.钢丝原材料热轧盘条中心部位的显微组织为片状珠光体及呈网状分布的铁素体,见图８;边缘未见明显脱碳层,见图９.的６５钢,取失效件试样１号和２号以及原材料试样３号和４号检测其化学成分,结果如表１所示.可见无论是 原 材 料 还 是 失 效 件,其 化 学 成 分 均 符 合GB/T６９９－２０１５对６５钢成分的技术要求.

１．３ 金相分析

１．３．１ 显微组织观察

观察１号钢丝截面的显微组织,如图６所示,可以看到显微组织为变形珠光体＋沿晶分布的铁素体,且晶粒粗大、不均匀;２号钢丝的显微组织中也存在网状铁素体,如图７所示.钢丝原材料热轧盘条中心部位的显微组织为片状珠光体及呈网状分布的铁素体,见图８;边缘未见明显脱碳层,见图９.

１．３．２ 非金属夹杂物检验

金相试样抛光态观察可见,钢丝及其原材料中均存在大量的非金属夹杂物.图１０是１号钢丝夹杂物形貌,按照 GB/T１０５６１－２００５评定,A 类夹杂物级别为 A２．５;图１１是２号钢丝夹杂物形貌,按照GB/T１０５６１－２００５评定,A 类夹杂物级别为 A２,B类夹杂物级别为 B１;图１２是原材料夹杂物形貌,按照 GB/T１０５６１－２００５ 评 定,A 类 夹 杂 物 级 别为 A３.

能谱分析 结 果 表 明,１ 号、２ 号 钢 丝 及 其 原 材料中的夹杂 物 均 主 要 以 硫 化 物 为 主,也 有 少 量 氧化物.硫化物能谱见图１３和图１４,氧化物能谱见图１５.

从以上金相检验结果可以看到,钢丝原材料显微组织晶粒粗大、不均匀,且存在较多包括硫化物和氧化物在内的非金属夹杂物,这些组织缺陷的存在会影响材料的使用.

１．４ 力学性能试验

１．４．１ 拉伸试验

取原材料试样３号和４号测试其拉伸性能,结果如表２所示,可见原材料的拉伸性能符合 GB/T６９９－２０１５对６５钢的技术条件要求,且拉伸性能的波动幅度符合 GB/T２４２４２．２－２００９技术要求.由此可以看到,钢丝原材料的力学性能正常.

１．４．２ 硬度试验

分别检测失效件１号和２号钢丝断口附近和远离断口处 横 截 面 的 硬 度,并 与 原 材 料 试 样 ３ 号 和４号横截面处的硬度进行比较,结果如表 ３ 所示.可见失效件１号和２号钢丝断口附近和远离断口处的硬度差别不大,并且１号和２号钢丝硬度与原材料试样３号和４号的硬度同样差别不大,这表明材料的力学性能是均匀的.

２ 分析与讨论

由以上理化检验结果可以知道:失效钢丝的断口宏观形貌呈笔尖状,断口处存在非金属夹杂物,裂纹源处于钢丝中心位置,钢丝表面未见质量缺陷;钢丝原材料热轧盘条化学成分符合 GB/T６９９－２０１５对６５钢的技术要求;钢丝显微组织为珠光体＋网状铁素体,且存在晶粒粗大、不均匀现象;同时显微组织中存在较多的硫化物和氧化物夹杂物.网状铁素体、粗大不均匀的晶粒以及较多夹杂物都会降低材料的 力 学 性 能,从 而 影 响 其 使 用,不 符 合 GB/T２４２４２．１－２００９«制丝用非合金钢盘条 第１部分:一般要求»中关于显微组织中不得存在对其使用有害的组织缺陷的规定.

网状铁素体的存在将割裂珠光体之间的联系,使钢的强度特别是屈服强度降低,同时降低材料的塑性,从而容易导致变形开裂;晶粒粗大、不均匀同样也会降低材料的力学性能,影响使用.如果钢中存在明显的夹杂物,在材料加工变形时,由于夹杂物与钢基体变形不一致,基体的连续性被这一变性差异破坏,势必会造成在夹杂物和基体之间的交界处产生应力集中,从而导致材料在变形处产生裂纹进而引起断裂[１Ｇ２].钢丝断口裂纹源处存在的夹杂物就证明了夹杂物是材料在加工过程中产生应力集中进而导致断裂的原因[３];同时,从金相分析结果还可以看出现,从而使得水冷壁管向火侧承受交变热应力作

用,这对水冷壁管横向裂纹的产生具有重要影响.

对裂纹区域进行能谱分析发现,除氧化产物外,裂纹内物质亦含有较高含量的硫元素;对向火侧表层灰分结焦成分进行分析发现,灰分中亦含有较高含量的硫元素,说明在裂纹扩展过程中其周围有氧化和腐蚀现象发生.

由以上分析可以推断,该水冷壁内螺纹管裂纹属于热疲劳裂纹,其形成的原因为锅炉在启停炉以及负荷变化的运行期间,水冷壁管向火侧壁温发生大幅度波动,易形成热冲击,使向火侧管壁承受较大的交变热应力,当壁温波动峰值产生的热应力超过材料的屈服强度时便会使管子产生塑性变形,在循环次数较多时,热应力所引发的塑性变形逐渐累积引起向火侧管壁的损伤,从而产生热疲劳裂纹[６Ｇ７].美国电力研究院经过多年试验研究认为壁温峰值是导致水冷壁管产生横向裂纹失效的关键因素[８Ｇ９].

因此,本次水冷壁管泄漏主要是由向火侧管壁上热疲劳裂纹扩展导致的,另腐蚀介质的存在加速了热疲劳裂纹的扩展.

３ 结论及建议

该锅炉水冷壁内螺纹管泄漏是由于在锅炉机组启停炉或负荷变化期间,其向火侧承受较多次数较大的交变热应力,诱发管壁产生热疲劳裂纹,同时管壁附着的含硫腐蚀性灰分结焦,也对裂纹的扩展具有促进作用,两者相互作用造成管子泄漏失效.

建议锅炉在运行期间尽量避免大幅度调整运行负荷以及低负荷运行,减小水冷壁管承受的热冲击疲劳,同时应避免掺烧含硫灰分较高的煤质,以免发生更大的损害.

（文章来源：材料与测试网-   理化检验－物理分册 > 53卷 > 8期）