扭轉角度對橋梁纜索鋼絲組織的影響

支衛軍,陳常勇,姜周華

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

半個世紀以來,橋梁纜索用鍍鋅鋼絲強度等級由1 670 MPa發展到目前廣泛應用的1 770 MPa,并逐步向1 960、2 000 MPa級別推進[1]。鋼絲的高強化是提高強度以減少索股的直徑和質量,但強度指標的提高可能會影響韌性和塑性[2]。扭轉試驗是檢驗金屬韌塑性的一種方便有效的試驗方法,尤其適用于橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲。

受生產技術水平的限制,國內對于是否用扭轉試驗來檢測橋索鋼絲的韌塑性一直存在爭議。主要的原因是認為扭轉指標和松弛性能在生產工藝上互相制約[3]。近年來,原材料(盤條)和鋼絲制造工藝的改進,在保證松弛性能的前提下,完全可以滿足扭轉指標的要求,因此扭轉試驗己經普遍被接受并用于檢驗鋼絲的綜合韌塑性能[4]。

大量研究表明,鋼絲的生產工藝如盤條表面處理、冷拉拔工藝、熱鍍鋅工藝等對鋼絲扭轉性能都有影響[5-7]。但是關于扭轉過程中鋼絲組織隨扭轉角度的變化卻鮮有報導,因此,本試驗選取國內兩家不同廠商生產的橋梁纜索鍍鋅鋼絲為原材料,探索扭轉角度對鋼絲組織的影響。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗鋼絲共兩種,分別為國內兩家廠商生產,編號為A組和B組。其中A組鋼絲的扭轉角度分別為0°、350°、945°以及扭斷,鋼絲編號分別為0#、1#、2#、3#;B組鋼絲扭轉角度為0°、200°和扭斷,鋼絲編號分別為4#、5#、6#。試驗所用鋼絲如圖1所示,其成分如表1所示。

圖1 扭轉試驗所用的鋼絲Fig.1 Steel wire for torsion experiment

表1 鋼絲的化學成分Table 1 Composition analysis of experimental steels wire %

1.2 試驗方法

試驗所用的扭轉設備、原理和過程詳見以往的研究[5]。

鋼絲經扭轉試驗后,先采用掃描電鏡對其組織進行觀察,從鋼絲橫向和縱向的邊緣處、1/2半徑處、芯部均取樣進行分析。然后采用透射電鏡對其組織進行檢測,從鋼絲橫向和縱向的1/2半徑處取樣,取樣的依據詳見以往的研究[5]。

2 試驗結果和分析

2.1 扭轉角度對A組鋼絲組織的影響

2.1.1 扭轉角度對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,這主要是因為鋼絲熱鍍鋅過程中,其表面受熱最嚴重,導致表面組織中少部分滲碳體發生溶解;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#鋼絲經扭轉后組織變化主要表現在以下幾個方面:①索氏體片被拉長、變薄,片間距明顯減小,片層之間的界限很難分清楚;②索氏體團被扭曲得更加嚴重;③組織惡化,微孔的數量明顯增多,分布明顯更廣泛;④滲碳體碎裂、球化現象明顯更加嚴重,顆粒狀、短棒狀的滲碳體數量明顯增多,分布明顯更廣。這些規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#鋼絲經扭轉后組織變化規律與1#鋼絲類似,且隨著扭轉角度的增加,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 扭轉角度對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#鋼絲經扭轉后,索氏體片層仍然保持沿軸向呈纖維狀分布,但整體上看,組織變化規律與橫向SEM組織變化規律類似。

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。可以看出,隨著扭轉角度的增加,上述規律變得更加明顯。

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,隨著扭轉角度的增加,索氏體片層中的位錯密度逐漸增加,在晶界處甚至出現堆積和纏結,形成位錯墻,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)

為了更精確地對比扭轉角度對A組鋼絲索氏體片層間距影響的差異,對它們的索氏體片層間距進行統計,結果如下:

(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。

檢測結果說明,隨著扭轉角度的增加,鋼絲索氏體片層間距有減小的趨勢,這與前文的觀察結果相一致。

2.2 扭轉角度對B組鋼絲組織的影響

2.2.1 扭轉角度對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。仔細對比可以看出,扭轉角度對B組鋼絲橫向組織的影響與對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 扭轉角度對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。仔細對比可以看出,B組鋼絲縱向組織隨扭轉角度增加時,其變化規律與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)

為了更精確地對比扭轉角度對B組鋼絲索氏體片層間距影響的差異,對它們的索氏體片層間距進行統計,結果如下:

(1) B(0°):70 ～ 81 nm;

(2) B(200°):43 ～ 73 nm;

(3) B(扭斷):41 ～ 65 nm。

檢測結果說明,隨著扭轉角度的增加,鋼絲索氏體片層間距有減小的趨勢,這與觀察結果相一致。

3 結論

通過對不同廠家生產的鋼絲進行扭轉試驗,分析了扭轉角度對A組和B組鋼絲組織的影響,結果表明,隨著扭轉角度的增加,兩組鋼絲組織的變化有相同的規律,總結如下:

(1) 索氏體片被拉長、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被扭曲得更加嚴重。

(3) 組織逐漸惡化,微孔的數量明顯增多,分布明顯更廣泛。

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

(5) 位錯增加,局部區域出現位錯堆積和纏結。