弹簧钢丝拉拔断裂原因分析

彭小钢, 曹 标, 谭 莹

(广东检验检疫技术中心, 广州 510623)

弹簧钢丝拉拔断裂原因分析

彭小钢, 曹 标, 谭 莹

(广东检验检疫技术中心, 广州 510623)

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。

弹簧钢丝；拉拔断裂；显微组织缺陷

φ6.5 mm热轧盘条在冷拔加工成φ4.2 mm(编号为1号)和φ2.5 mm(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。

图1 断裂弹簧钢丝宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured spring steel wires:a) No.1; b) No.2

1.1.2 微观观察

1.1.2.1 1号钢丝

1号钢丝(φ4.2 mm)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。

图2 1号钢丝断口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of No.1 steel wire

图3 1号钢丝裂纹源区夹杂物SEM形貌Fig.3 SEM morphology of inclusions in the crack source area of No.1 steel wire

图4 1号钢丝裂纹源区夹杂物EDS谱Fig.4 EDS spectrum of inclusions in the crack source area of No.1 steel wire

1.1.2.2 2号钢丝

2号钢丝(φ2.5 mm)断口SEM形貌如图5所示，同样可以看到断口呈韧窝状，裂纹源位于中心位置，这同样也表明，材料的表面没有明显的外观缺陷。

图5 2号钢丝断口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture of No.2 steel wire:a) at low magnification; b) at high magnification

1.2 化学成分分析

加工成弹簧钢丝的热轧盘条是直径为6.5 mm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/T 699-2015对65钢成分的技术要求。

表1 原材料及失效件化学成分分析结果(质量分数)

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。

图6 1号钢丝的显微组织形貌Fig.6 Morphology of microstructure of No.1 steel wire

图7 2号钢丝的显微组织形貌Fig.7 Morphology of microstructure of No.2 steel wire

图8 原材料心部显微组织形貌Fig.8 Morphology of center microstructure of the raw material

图9 原材料表面显微组织形貌Fig.9 Morphology of surface microstructure of the raw material

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/T 10561-2005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/T 10561-2005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/T 10561-2005评定，A类夹杂物级别为A3。

图10 1号钢丝夹杂物形貌Fig.10 Morphology of inclusions of No.1 steel wire

图11 2号钢丝夹杂物形貌Fig.11 Morphology of inclusions of No.2 steel wire

图12 原材料夹杂物形貌Fig.12 Morphology of inclusions of the raw material

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。

图13 硫化夹杂物EDS谱(1号钢丝)Fig.13 EDS spectrum of sulfide inclusions (No.1 steel wire)

图14 硫化夹杂物EDS谱(2号钢丝)Fig.14 EDS spectrum of sulfide inclusions (No.2 steel wire)

图15 氧化夹杂物EDS谱(原材料)Fig.15 EDS spectrum of oxide inclusions (raw material)

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/T 699-2015对65钢的技术条件要求，且拉伸性能的波动幅度符合GB/T 24242.2-2009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。

表2 原材料试样的拉伸性能

表3 失效件及原材料试样的硬度试验结果

Tab.3 Hardness test results of the failure samples and the raw material samples

试样硬度/HV1号断口附近3081号远离断口处3372号断口附近3852号远离断口处4023号3254号310

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/T 699-2015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/T 24242.1-2009《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[1-2]。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到，盘条显微组织存在晶粒粗大、不均匀现象，这些组织缺陷同样破坏了基体的连续性，容易在交界处形成应力集中，进而导致钢丝拉拔断裂[4-5]。

3 结论及建议

弹簧钢丝原材料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。

建议进一步提高冶金质量，减少材料中的显微组织缺陷。

[1] 岳好明,王刚,薛俊峰,等.ER50-6热轧盘条拉拔断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2013,49(1):59-60,63.

[2] 黄海玲,陈庆丰.焊接用钢盘条断裂分析[J].理化检验-物理分册,2014,50(7):522-525.

[3] 张朝磊,刘雅政,周乐育,等.热轧材冷拉过程65钢硬线断裂分析[J].特殊钢,2012,33(1):57-59.

[4] 邹力扬.预应力钢丝断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2012,48(12):821-822,827.

[5] 关丽军,张庆安,曹标,等.45钢盘条拉拔断裂原因分析[J].物理测试,2007,25(1):42-44.

Reason Analysis on Fracture of Spring Steel Wires during Drawing

PENG Xiaogang, CAO Biao, TAN Ying

(Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center, Guangzhou 510623, China)

The fracture reasons of 65 steel hot rolled wire rods when drawing into spring steel wires were analyzed by means of fracture analysis, chemical composition analysis, metallographic analysis, energy spectrum analysis, mechanical property test, etc. The results show that the microstructure defects such as network ferrite, coarse and uneven grains, more non-metallic inclusions and so on, were main reasons for the fracture of the spring steel wires during drawing.

spring steel wire; drawing fracture; microstructure defect

10.11973/lhjy-wl201708014

2017-03-23

彭小钢(1958-)，男，高级工程师，主要从事金属材料检测和失效分析工作，pengxg@iqtc.cn

TG113.23

B

1001-4012(2017)08-0599-04