起重用鋼絲繩斷裂原因
李 磊,楊金艷
(南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 國家鋼絲繩產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,南通226011)
摘 要:某起重用鋼絲繩僅使用1個(gè)月就發(fā)生了早期斷裂,采用宏觀分析、微觀分析、能譜分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)等方法,對鋼絲繩的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:鋼絲繩受到嚴(yán)重的磨損和剪切擠壓變形,并引起了溫度升高造成組織變化,導(dǎo)致鋼絲繩承載能力降低而失效;部分鋼絲斷裂后造成剩余的鋼絲不足以支撐全部的承載力,最終導(dǎo)致鋼絲繩斷裂失效。
關(guān)鍵詞:鋼絲繩;斷裂;磨損;剪切擠壓
中圖分類號:TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)06-0066-05
某起重用鋼絲繩在提升過程中發(fā)生斷裂。該鋼絲繩型號為116×37M-FC1670UsZ,鋼絲繩結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鋼絲繩一般選用65牌號的盤條鋼為原材料,通過拉絲→捻股→合繩工藝完成。其所用鋼絲強(qiáng)度是通過拉絲工藝得到的,通過多道次的拉拔工藝,使得拉拔方向的組織為纖維狀組織,具有很高的強(qiáng)度,但往往韌性較低。所以需要進(jìn)行熱處理恢復(fù)鋼絲塑性,通過采用等溫淬火的熱處理方式改變鋼絲組織,使其索氏體組織達(dá)到85%及以上,再次經(jīng)過多次拉拔處理達(dá)到目標(biāo)絲徑[1]。捻股是將鋼絲捻制成股,為生產(chǎn)該型號鋼絲繩要先按一定捻距生產(chǎn)1×7結(jié)構(gòu)第一層股繩,然后生產(chǎn)1×19結(jié)構(gòu)二層股繩,最后生產(chǎn)1×37結(jié)構(gòu)三層股繩,通過多工序控制捻距不同,捻角相同制成股;合繩是在合繩機(jī)上將6股圍繞麻芯中心線作螺旋線排列生產(chǎn)鋼絲繩的工藝過程。制成的鋼絲繩如圖1所示,此結(jié)構(gòu)鋼絲繩每股由3層同種鋼絲加1根加粗的中心絲組成,鋼絲數(shù)由外層到內(nèi)層分別為18,12,6,是一種常見的點(diǎn)接觸鋼絲繩結(jié)構(gòu)。此鋼絲繩僅使用了1個(gè)月,先起吊質(zhì)量為1t的物品后再吊質(zhì)量為550kg的物品時(shí)發(fā)生斷裂,斷裂時(shí)未過載,通過觀察現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)滑輪組件摩擦嚴(yán)重,滑輪槽外側(cè)發(fā)亮,事故雖未造成人員傷亡,但造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了找出鋼絲繩斷裂的原因,進(jìn)而采取有效措施避免類似事故再次發(fā)生,筆者對斷裂鋼絲繩進(jìn)行了失效分析。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀分析
1.1.1 斷裂鋼絲繩宏觀形貌
斷裂鋼絲繩及斷頭的宏觀形貌如圖 2 所示,可見斷頭附近及鋼絲繩表面磨損嚴(yán)重,并且有擠碾壓的痕跡。圖 3 為鋼絲繩表面宏觀形貌,可見鋼絲繩芯部麻芯已被擠壓外露,部分鋼絲繩表層股鋼絲已壓扁并且磨損幾乎近半,鋼絲摩擦處光亮。觀察事故現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)滑輪組件摩擦嚴(yán)重,并且滑輪槽外側(cè)發(fā)亮,應(yīng)該是鋼絲繩滑出滑輪槽外,與滑輪組件發(fā)生了嚴(yán)重的摩擦和擠壓所致。
1.1.2 鋼絲斷口宏觀形貌及表面分析
將鋼絲繩斷頭拆解,經(jīng)酒精清洗后,吹干置于ZEISSstemi508型體視顯微鏡下觀察,鋼絲繩股一共6股,芯股為麻芯,其中4股斷口基本平齊,如圖4所示;其余2股有幾根鋼絲參差不齊,如圖4b)所示,絕大多數(shù)斷口端部發(fā)黑。
繩股中的芯股頸縮狀偏少,擠壓碾斷斷口偏多,圖4c)所示芯股斷口為頸縮狀形貌,圖4d)為芯股擠壓碾斷斷口形貌,靠近斷口處鋼絲已被擠壓變形,并且存在刮擦傷痕,鋼絲繩表面整體形貌存在嚴(yán)重的磨損平臺及表面亂絲現(xiàn)象,如圖4e)和f)所示。圖4g)為鋼絲繩麻芯擠壓變形形貌,從圖中可觀察到被鋼絲股擠壓的深溝痕跡。
從整體上分析,鋼絲斷口一共分為兩類,一類為擠壓斷裂斷口,斷口 端 部 發(fā) 黑,總 計(jì) 125個(gè);另一類為頸縮狀斷口,總計(jì)97個(gè),具體股中斷裂情況見表1所示。其中股1、股2為斷口參差不齊的鋼絲繩股,其中擠壓斷裂斷口較少,頸縮狀斷口較多;其他4股斷口均為平齊狀態(tài),其中擠壓斷裂斷口較多,頸縮狀斷口較少,尤其繩股中芯股鋼絲幾乎均為擠壓斷裂,可見鋼絲繩在斷裂時(shí)擠壓力非常大,整個(gè)鋼絲股已被碾開。擠壓斷裂的斷口約占總斷口的56%,頸縮狀斷口約占44%。
1.2 微觀分析
將斷口清洗后,置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。鋼絲表面刮擦痕跡如圖5所示。圖6為鋼絲表面擠壓變形形貌。圖7a)所示為鋼絲頸縮斷口整體形貌,屬于典型的純拉伸載荷狀態(tài)下的頸縮狀斷口形貌,占整體鋼絲斷口比例約44%。頸縮狀斷口形貌由3個(gè)區(qū)域組成,分別為纖維區(qū)、放射狀與剪切唇。纖維區(qū)位于斷口中部,如圖7b)所示,較粗糙,緊接纖維區(qū)是放射區(qū),放射區(qū)為解理斷裂,放射線消失。然后是剪切唇,如圖7c)所示。3個(gè)區(qū)域形成順序是:首先形成纖維區(qū)域,再形成放射區(qū)域,最后形成剪切唇。圖8為鋼絲擠壓斷裂斷口形貌,鋼絲中心已擠壓分層,擠壓斷裂斷口占整體鋼絲斷口比例約56%。
1.3 能譜分析
對鋼絲斷口進(jìn)行能譜(EDS)分析,結(jié)果如圖9所示。未見存在腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)元素存在,表明鋼絲繩斷絲原因與腐蝕無關(guān)。
1.4 鋼絲微觀分析
對鋼絲縱截面經(jīng)過截取、鑲嵌、磨制、拋光(腐蝕),在 ZEISSScopeAlm 型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察分析。圖10a)為鋼絲刮傷處縱向邊部馬氏體組織形貌,從圖中可觀察到鋼絲表面存在白色馬氏體。圖10b)為擠壓斷裂鋼絲斷口端部馬氏體組織形貌,圖10c)為擠壓斷口邊部馬氏體組織形貌。圖11為鋼絲縱向顯微組織形貌,其顯微組織為冷拉拔狀態(tài)下的纖維狀索氏體+少量先共析相,顯微組織正常。
1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)
選取 斷 裂 處 的 鋼 絲 繩 傷 痕 較 少 處 按 照GB/T20118-2017《鋼絲繩通用技術(shù)條件》進(jìn)行鋼絲繩力學(xué)試驗(yàn),結(jié)果見表2。鋼絲繩拆股試驗(yàn)中鋼絲抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)、彎折以及鋼絲繩整體破斷力符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。由于鋼絲繩使用過,并且鋼絲表面刮擦比較嚴(yán)重,雖然試驗(yàn)過程中盡量避免試樣鋼絲的傷痕,但仍然會對鋼絲的力學(xué)性能有影響。從表2數(shù)值來看,鋼絲
繩力學(xué)性能是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的。由于鋼絲繩已使用過并且是靠近斷裂處,表面?zhèn)圯^多,表2中數(shù)值僅做參考。
2 分析與討論
鋼絲繩斷裂的斷頭基本平齊,斷頭附近以及鋼絲繩表面磨損嚴(yán)重,并且有擠碾壓的痕跡。部分麻芯已被擠壓外露,有些部位鋼絲繩表層股鋼絲已壓扁并且磨損幾乎近半,鋼絲摩擦處顏色發(fā)亮。表明鋼絲繩在斷裂前以及斷裂時(shí)受到嚴(yán)重的刮擦和擠壓變形。從鋼絲斷口來分析,斷口一共分為兩類,一類為擠壓斷裂斷口,斷口 端 部 發(fā) 黑,總 計(jì) 125個(gè);另一類為頸縮狀斷口,總計(jì)97個(gè),沒有疲勞斷口。擠壓斷裂的斷口約占總斷口的56%,頸縮狀斷口約占44%。頸縮狀斷口為塑性斷裂,
鋼絲擠壓 斷 裂 的 斷 口 占 56%,鋼 絲 擠 壓 斷 裂后,近56%的鋼絲已斷,力集中于頸縮狀斷口鋼絲(剩余的44%)上,不足以支撐全部的承載力,進(jìn)而拉拔斷裂。
從鋼絲受到擠壓摩擦處以及擠壓斷裂斷口處馬氏體組織來分析,進(jìn)一步表明了鋼絲繩在斷裂前以及斷裂時(shí)受到大力碾壓變形[2]。鋼絲外側(cè)受刮擦、擠壓處鋼絲直徑明顯變小并且變形,在擠壓變形處以及斷口端部存在白色硬化淬火馬氏體組織,馬氏體組織的產(chǎn)生是因?yàn)殇摻z邊部受擠壓刮擦過程中,鋼絲表面瞬間溫度升高,達(dá)到奧氏體化溫度,而鋼絲內(nèi)部處于常溫狀態(tài),這就導(dǎo)致內(nèi)外溫差很大,也就是鋼絲內(nèi)部或者空氣相當(dāng)于淬火介質(zhì),將摩擦表面由奧氏體快速淬成馬氏體組織。
這種淬火馬氏體是一種硬而脆的有害組織,易誘發(fā)裂紋導(dǎo)致鋼絲斷裂[3-5]。該馬氏體組織的存在進(jìn)一步表明了鋼絲在斷裂前以及斷裂時(shí)必定受到了大力的擠壓和硬磨。對鋼絲斷口進(jìn)行能譜分析,未見有腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)元素存在,鋼絲繩的使用環(huán)境不會影響鋼絲繩使用。
選取斷裂處的鋼絲繩傷痕較少處進(jìn)行鋼絲繩力學(xué)性能試驗(yàn),鋼絲繩拆股試驗(yàn)中鋼絲抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)、彎折以及鋼絲繩整體破斷力基本符合 GB/T20118-2017的要求。鋼絲繩服役時(shí)的實(shí)際載荷為10kN,而最小破斷拉力為59.6kN,使用鋁制壓制接頭,鋼絲繩的安全系數(shù)為5,接頭安全系數(shù)應(yīng)選0.9,額定工作載荷應(yīng)為1.09t?？梢?在現(xiàn)場使用條件下,鋼絲繩承載能力基本滿足正常使用要求,如果不是受到摩擦和擠壓,鋼絲繩應(yīng)該是能夠滿足使用要求的。
3 結(jié)論及建議
部分鋼絲繩受到嚴(yán)重的磨損和剪切擠壓變形,并引起了溫度升高造成組織變化,導(dǎo)致鋼絲繩承載能力降低而失效;部分鋼絲斷裂后造成剩余的鋼絲不足以支撐全部的承載力,最終導(dǎo)致鋼絲繩斷裂失效。
建議檢查鋼絲繩運(yùn)作工況中受到較大或集中的橫向作用力的可能,一般是一些相關(guān)的輔助裝置,比如注意滑輪以及運(yùn)作裝置是否存在松動(dòng)、間隙過大以及硬度不匹配等問題,防止鋼絲繩在運(yùn)行過程中出現(xiàn)跳槽、卡頓等現(xiàn)象。
（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 2021年 > 6期 > pp.66）
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