橋梁纜索用87Mn 鍍鋅鋼絲扭轉異常斷裂分析

李玉崗，路晨龍，薄 宇

（天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津300352）

0 引言

橋梁纜索廣泛應用在大跨度橋梁和大型建筑結構領域。其中有懸索橋的主纜、吊索，斜拉橋的斜拉索，拱吊橋的吊索，大型體育場館、劇院、展廳的懸索和拉索等。橋梁纜索鋼絲要求具有嚴格的機械力學性能，包括抗拉強度、屈服強度、延伸率、彈性模量、扭轉、反復彎曲、纏繞、松弛、疲勞等性能指標。所以原料盤條需成分均勻、非金屬夾雜物級別低、無異常組織、較高的強度和塑性、良好的表面質量。

橋梁纜索主要由高強度熱鍍鋅鋼絲制成[1]，高強度熱鍍鋅鋼絲是采用經索氏體化處理的高質量盤條，經冷拉和熱鍍鋅防腐處理加工而成。鋼絲經熱鍍鋅處理后通常受溫度影響扭轉性能會發生輕微下降，也有個別異常情況下，熱鍍鋅鋼絲扭轉性能會急劇惡化，造成嚴重后果。針對鋼絲扭轉性能異常下降的現象，本文通過檢測盤條、鍍鋅鋼絲的各項質量指標，來分析和查找問題原因。

1 熱鍍鋅鋼絲生產工藝及主要問題

1.1 熱鍍鋅鋼絲生產工藝流程

橋梁纜索鍍鋅鋼絲生產工藝流程：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。拉拔后的鋼絲經過堿洗（NaOH）、酸洗（HCl）、清洗、烘干完成熱鍍鋅前預處理工藝，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長度6 m 左右的純鋅槽，進行熱鍍鋅作業。現場鍍鋅線速28 m/min，鋅溫450～460 ℃。

（3）鋅鋁合金熱鍍（GF）。根據終端需求還可以在純鋅熱鍍的基礎上進行鋅鋁合金熱鍍，鍍鋅后的鋼絲通過長度6 m 左右的鋅鋁合金槽，進行熱鍍鋅鋁合金作業，熱鍍溫度450～460 ℃。要求兩道熱度工序總時長約為24 秒；鋼絲單位面積的鋅層重量不小于300 g/m2，換算單側鋅層厚度0.045 mm 左右；根據《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）穩定化處理。處理溫度為370～380 ℃，42%張力。

1.2 主要問題及斷絲形貌特征

根據客戶要求，盤條拉拔成鋼絲后扭轉試驗圈數要求達到20 次以上，經熱鍍鋅后扭轉試驗圈數達到12 次以上。經測試發現，規格為φ13.0 mm的87Mn 盤條，在拉拔7 道次至φ7.05 mm 鋼絲后，扭轉圈數可穩定達到25～30 次，但熱鍍鋅后，扭轉圈數有明顯波動，部分鍍鋅鋼絲扭轉圈數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（見圖1），也有個別呈平面臺階狀并伴有裂紋（見圖2），而性能正常的鍍鋅鋼絲扭轉圈數可以達到20 次，且斷裂面較平滑（見圖3）。后文中為方便區分，異常斷口統稱為1#試樣，正常斷口統稱為2#試樣。

2 力學性能分析

2.1 鋼絲力學性能

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

對一組φ7.05 mm 規格的87Mn 拉拔鋼絲進行力學性能測試，結果如表2 所示。從表2 可以看出，盤條經拉拔成φ7.05 mm 鋼絲后抗拉強度平均值為1 714 MPa，極值差為51 MPa，扭轉性能良好、穩定，圈數介于25～30 次之間。

2.2 熱鍍鋅鋼絲力學性能

對一組φ7.05 mm 規格的87Mn 熱鍍鋅鋼絲進行力學性能測試，結果如表3 所示。從表3 可以看出，φ7.05 mm 鋼絲熱鍍鋅后抗拉強度略有下降，平均值為1 708 MPa，極值差為23 MPa，相對而言數值分布更趨于穩定，但扭轉性能發生較大波動，扭轉圈數介于5～20 之間。

3 熱鍍鋅鋼絲扭轉性能異常分析

從熱鍍鋅工藝可以看到，熱鍍溫度在450～460℃，總時間約為24 秒，這相當于對鋼絲做了一個短時間的退火，此時鋼絲內應力降低，緩解拉拔后的加工硬化，使抗拉強度分布趨于穩定，有微小下降（6 MPa）。但同時短暫的退火會使鋼絲韌性值下降，因此鍍鋅后鋼絲通常會出現扭轉圈數下降的現象，但如此明顯的波動顯然是不合理的。

表2 拉拔鋼絲力學性能

表3 熱鍍鋅鋼絲力學性能

因此，針對扭轉圈數低于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）分別做進一步的檢驗分析，來查找熱鍍鋅鋼絲扭轉性能異常的原因。

3.1 化學成分對比分析

分別對1#試樣、2#試樣進行化學成分分析（見表4），從表4 可以看，出兩者的化學成分無明顯區別。

3.2 低倍形貌

對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，無明顯偏析現象。

表4 鍍鋅鋼絲化學成分對比分析 /%

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#試樣表面鋅層相對較厚，同時鋅層更加致密，氣孔較少較小（見圖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×

扭轉性能對金屬表層性能尤為敏感，有文獻認為表面質量能較好的反應出鋼絲的扭轉性能[2]，從上述金相檢驗結果來看，兩支鋼絲脫碳深度并無差異，也未發現有明顯的表面缺陷，僅鋼絲表面鋅層上有所區別，判斷鋅層致密度更好的情況下，對扭轉性能或有較好提升。

3.4 鍍鋅鋼絲內部微觀特征

（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#試樣心部未發現偏析（圖10）。放大至1 000 倍后觀察，1#試樣心部受扭轉影響，索氏體沿扭轉方向變形，2#試樣心部組織扭轉次數多、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，對比試樣心部組織原始差異。試樣經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重的網狀分布（圖11），2#試樣心部未發現二次滲碳體（圖12）。

橋梁纜索87Mn 碳含量已過共析點，在緩冷狀態下會沿原奧氏體晶界析出二次滲碳體，生產上通過控制冷卻使奧氏體過冷至Ac1 溫度以下，先共析二次滲碳體轉變被遏制而直接發生共析轉變，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，在受力時易在此處產生應力集中形成裂紋或孔隙，導致斷裂。而二次滲碳體的析出是由于冷卻速度相對較小或中心碳偏析（碳含量高）引起。

從上述檢驗結果來看，心部的偏析對扭轉性能有較大影響，即心部偏析越大，二次滲碳體分布越多，對于扭轉性能的惡化越嚴重。

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 鍍鋅鋼絲扭轉異常斷口微觀特征

鋼絲在扭轉過程中表面受到最大的切應力，因此扭轉性能對鋼絲表面質量有著高敏感性，理論上開裂應起源于承受最大應力的鋼絲表面。但從1#試樣平面臺階狀斷口處取樣，拋光后觀察斷口裂紋分布狀態（圖13、圖14），從裂紋的分布特征判斷裂紋起源于A 點（圖14），即扭轉開裂起源于鋼絲內部。

從圖14 可以看到，裂紋由A 點開始向多個方向擴展，兩側分布二次裂紋，經測量A 點距邊部1 712 μm，鋼絲的直徑為7.05 mm，計算可知A 點處于鋼絲直徑的1/4 附近，這也與文獻中試驗結果所判斷一致，即扭轉斷裂起源于鋼絲直徑的1/4 處[4]。

同時文獻試驗指出，在450 ℃下短時間保溫可以使碳原子擴散，鐵素體內碳原子濃度變高導致時效硬化，使鋼絲扭轉性能發生變化，產生分層[4]。而值得注意的是，上文低倍檢驗結果表明，扭轉性能較差的鋼絲有明顯的錠型偏析低倍形貌，同時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，因此向鐵素體內擴散程度更高，同樣支持斷裂起源于鋼絲內部理論。而不同部位性能產生的差異性變化，也會在扭轉過程中使鋼絲變形不均而引起裂紋，導致扭轉性能惡化。

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#試樣平面臺階狀心部組織

圖14 1#試樣平面臺階狀斷口邊部組織

3.6 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物以機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、連續性，當出現超出臨界尺寸的夾雜會在該處形成裂紋導致開裂。為判斷夾雜物對扭轉性能的影響，沿試樣軸向剖開，拋光后觀察斷口縱截面，發現斷口處無非金屬夾雜物聚集現象。

根據標準GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法》中A 法評級結果（表5）可以看出：1#試樣A 類硫化物0.5 級，斷口附近非金屬夾雜物級別較低，未發現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，整個截面上僅發現1 條長度為30 μm 的B 類氧化鋁夾雜物，純凈度較高。

上述結果表明，在偏析明顯的情況下，即使非金屬夾雜物純凈度情況較好，對扭轉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

4 結語

（1）平面臺階狀斷口扭轉斷裂裂紋起源于鋼絲內部。鋼絲經熱度鋅工藝450 ℃下短時間保溫后，鋼絲原鑄坯偏析處，因碳擴散的原因導致與鋼絲其他部位性能存在差異，扭轉時應力集中易產生裂紋，使扭轉性能變差。

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

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

（4）扭轉性能對金屬表層質量敏感，在鋅層更致密的情況下，對扭轉性能有利。