摘要:運用斷口分析、化學成分分析、金相分析、能譜分析以及力學性能試驗等檢測手段,對某６５鋼熱軋盤條在拉拔成為彈簧鋼絲過程中發生斷裂的原因進行了分析.結果表明:熱軋盤條顯微組織中存在網狀鐵素體、晶粒粗大且不均勻以及較多的非金屬夾雜物等缺陷是導致其在拉拔過程中發生斷裂的主要原因.

關鍵詞:彈簧鋼絲;拉拔斷裂;顯微組織缺陷

中圖分類號:TG１１３．２３　　　文獻標志碼:B  文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０８Ｇ０５９９Ｇ０４

?６．５mm 熱軋盤條在冷拔加工成?４．２mm(編號為１號)和?２．５mm(編號為２號)的鋼絲時發生斷裂.熱軋盤條材料為６５鋼,其加工成彈簧鋼絲的主要工藝過程為:熱軋盤條→退火→酸洗→拉絲.筆者對斷裂鋼絲的斷口形貌、化學成分、力學性能以及顯微組織等進行了檢驗和分析,以期查明其斷裂原因,為盤條拉絲生產質量的改進提供借鑒和參考.

１ 理化檢驗

１．１ 斷口分析

１．１．１ 宏觀觀察

圖１是失效彈簧鋼絲斷口宏觀形貌,可以看到斷口呈典型的筆尖狀,仔細檢查斷口附近鋼絲表面,未發現表面質量缺陷.

１．１．２ 微觀觀察

１．１．２．１ １號鋼絲

１號鋼絲(?４．２mm)斷口掃描電鏡(SEM)形貌見圖２,可以看到斷口呈韌窩狀,裂紋源位于中心位置,這也表明材料表面沒有明顯的外觀缺陷.將源區放大可見有夾雜物存在,見圖３;能譜(EDS)分析表明,夾雜物含有鈣、鋁、硅等雜質元素,見圖４.

１．３ 金相分析

１．３．１ 顯微組織觀察

觀察１號鋼絲截面的顯微組織,如圖６所示,可以看到顯微組織為變形珠光體＋沿晶分布的鐵素體,且晶粒粗大、不均勻;２號鋼絲的顯微組織中也存在網狀鐵素體,如圖７所示.鋼絲原材料熱軋盤條中心部位的顯微組織為片狀珠光體及呈網狀分布的鐵素體,見圖８;邊緣未見明顯脫碳層,見圖９.的６５鋼,取失效件試樣１號和２號以及原材料試樣３號和４號檢測其化學成分,結果如表１所示.可見無論是 原 材 料 還 是 失 效 件,其 化 學 成 分 均 符 合GB/T６９９－２０１５對６５鋼成分的技術要求.

１．３ 金相分析

１．３．１ 顯微組織觀察

觀察１號鋼絲截面的顯微組織,如圖６所示,可以看到顯微組織為變形珠光體＋沿晶分布的鐵素體,且晶粒粗大、不均勻;２號鋼絲的顯微組織中也存在網狀鐵素體,如圖７所示.鋼絲原材料熱軋盤條中心部位的顯微組織為片狀珠光體及呈網狀分布的鐵素體,見圖８;邊緣未見明顯脫碳層,見圖９.

１．３．２ 非金屬夾雜物檢驗

金相試樣拋光態觀察可見,鋼絲及其原材料中均存在大量的非金屬夾雜物.圖１０是１號鋼絲夾雜物形貌,按照 GB/T１０５６１－２００５評定,A 類夾雜物級別為 A２．５;圖１１是２號鋼絲夾雜物形貌,按照GB/T１０５６１－２００５評定,A 類夾雜物級別為 A２,B類夾雜物級別為 B１;圖１２是原材料夾雜物形貌,按照 GB/T１０５６１－２００５ 評 定,A 類 夾 雜 物 級 別為 A３.

能譜分析 結 果 表 明,１ 號、２ 號 鋼 絲 及 其 原 材料中的夾雜 物 均 主 要 以 硫 化 物 為 主,也 有 少 量 氧化物.硫化物能譜見圖１３和圖１４,氧化物能譜見圖１５.

從以上金相檢驗結果可以看到,鋼絲原材料顯微組織晶粒粗大、不均勻,且存在較多包括硫化物和氧化物在內的非金屬夾雜物,這些組織缺陷的存在會影響材料的使用.

１．４ 力學性能試驗

１．４．１ 拉伸試驗

取原材料試樣３號和４號測試其拉伸性能,結果如表２所示,可見原材料的拉伸性能符合 GB/T６９９－２０１５對６５鋼的技術條件要求,且拉伸性能的波動幅度符合 GB/T２４２４２．２－２００９技術要求.由此可以看到,鋼絲原材料的力學性能正常.

１．４．２ 硬度試驗

分別檢測失效件１號和２號鋼絲斷口附近和遠離斷口處 橫 截 面 的 硬 度,并 與 原 材 料 試 樣 ３ 號 和４號橫截面處的硬度進行比較,結果如表 ３ 所示.可見失效件１號和２號鋼絲斷口附近和遠離斷口處的硬度差別不大,并且１號和２號鋼絲硬度與原材料試樣３號和４號的硬度同樣差別不大,這表明材料的力學性能是均勻的.

２ 分析與討論

由以上理化檢驗結果可以知道:失效鋼絲的斷口宏觀形貌呈筆尖狀,斷口處存在非金屬夾雜物,裂紋源處于鋼絲中心位置,鋼絲表面未見質量缺陷;鋼絲原材料熱軋盤條化學成分符合 GB/T６９９－２０１５對６５鋼的技術要求;鋼絲顯微組織為珠光體＋網狀鐵素體,且存在晶粒粗大、不均勻現象;同時顯微組織中存在較多的硫化物和氧化物夾雜物.網狀鐵素體、粗大不均勻的晶粒以及較多夾雜物都會降低材料的 力 學 性 能,從 而 影 響 其 使 用,不 符 合 GB/T２４２４２．１－２００９«制絲用非合金鋼盤條 第１部分:一般要求»中關于顯微組織中不得存在對其使用有害的組織缺陷的規定.

網狀鐵素體的存在將割裂珠光體之間的聯系,使鋼的強度特別是屈服強度降低,同時降低材料的塑性,從而容易導致變形開裂;晶粒粗大、不均勻同樣也會降低材料的力學性能,影響使用.如果鋼中存在明顯的夾雜物,在材料加工變形時,由于夾雜物與鋼基體變形不一致,基體的連續性被這一變性差異破壞,勢必會造成在夾雜物和基體之間的交界處產生應力集中,從而導致材料在變形處產生裂紋進而引起斷裂[１Ｇ２].鋼絲斷口裂紋源處存在的夾雜物就證明了夾雜物是材料在加工過程中產生應力集中進而導致斷裂的原因[３];同時,從金相分析結果還可以看出現,從而使得水冷壁管向火側承受交變熱應力作

用,這對水冷壁管橫向裂紋的產生具有重要影響.

對裂紋區域進行能譜分析發現,除氧化產物外,裂紋內物質亦含有較高含量的硫元素;對向火側表層灰分結焦成分進行分析發現,灰分中亦含有較高含量的硫元素,說明在裂紋擴展過程中其周圍有氧化和腐蝕現象發生.

由以上分析可以推斷,該水冷壁內螺紋管裂紋屬于熱疲勞裂紋,其形成的原因為鍋爐在啟停爐以及負荷變化的運行期間,水冷壁管向火側壁溫發生大幅度波動,易形成熱沖擊,使向火側管壁承受較大的交變熱應力,當壁溫波動峰值產生的熱應力超過材料的屈服強度時便會使管子產生塑性變形,在循環次數較多時,熱應力所引發的塑性變形逐漸累積引起向火側管壁的損傷,從而產生熱疲勞裂紋[６Ｇ７].美國電力研究院經過多年試驗研究認為壁溫峰值是導致水冷壁管產生橫向裂紋失效的關鍵因素[８Ｇ９].

因此,本次水冷壁管泄漏主要是由向火側管壁上熱疲勞裂紋擴展導致的,另腐蝕介質的存在加速了熱疲勞裂紋的擴展.

３ 結論及建議

該鍋爐水冷壁內螺紋管泄漏是由于在鍋爐機組啟停爐或負荷變化期間,其向火側承受較多次數較大的交變熱應力,誘發管壁產生熱疲勞裂紋,同時管壁附著的含硫腐蝕性灰分結焦,也對裂紋的擴展具有促進作用,兩者相互作用造成管子泄漏失效.

建議鍋爐在運行期間盡量避免大幅度調整運行負荷以及低負荷運行,減小水冷壁管承受的熱沖擊疲勞,同時應避免摻燒含硫灰分較高的煤質,以免發生更大的損害.

（文章來源：材料與測試網-   理化檢驗－物理分冊 > 53卷 > 8期）