桥梁缆索用87Mn 镀锌钢丝扭转异常断裂分析

李玉岗，路晨龙，薄 宇

（天津荣程联合钢铁集团有限公司，天津300352）

0 引言

桥梁缆索广泛应用在大跨度桥梁和大型建筑结构领域。其中有悬索桥的主缆、吊索，斜拉桥的斜拉索，拱吊桥的吊索，大型体育场馆、剧院、展厅的悬索和拉索等。桥梁缆索钢丝要求具有严格的机械力学性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、弹性模量、扭转、反复弯曲、缠绕、松弛、疲劳等性能指标。所以原料盘条需成分均匀、非金属夹杂物级别低、无异常组织、较高的强度和塑性、良好的表面质量。

桥梁缆索主要由高强度热镀锌钢丝制成[1]，高强度热镀锌钢丝是采用经索氏体化处理的高质量盘条，经冷拉和热镀锌防腐处理加工而成。钢丝经热镀锌处理后通常受温度影响扭转性能会发生轻微下降，也有个别异常情况下，热镀锌钢丝扭转性能会急剧恶化，造成严重后果。针对钢丝扭转性能异常下降的现象，本文通过检测盘条、镀锌钢丝的各项质量指标，来分析和查找问题原因。

1 热镀锌钢丝生产工艺及主要问题

1.1 热镀锌钢丝生产工艺流程

桥梁缆索镀锌钢丝生产工艺流程：盘条酸洗磷化处理→拉拔至φ6.93 mm/φ7.05 mm→收线→镀锌→收线→稳定化处理→收线包装。

1.1.1 盘条拉拔工艺

盘条材料：87Mn；盘条规格：φ13.0 mm；拉拔道次：7 次；拉拔速度：2.5～2.8 m/s；总压缩率：70.6%。拉拔工艺见表1。

1.1.2 热镀锌工序

表1 拉拔工艺 /mm

（1） 酸碱洗处理。拉拔后的钢丝经过碱洗（NaOH）、酸洗（HCl）、清洗、烘干完成热镀锌前预处理工艺，碱洗的目的是除油；酸洗的目的是清除氧化皮。

（2）纯锌热镀。酸碱洗处理后的钢丝通过长度6 m 左右的纯锌槽，进行热镀锌作业。现场镀锌线速28 m/min，锌温450～460 ℃。

（3）锌铝合金热镀（GF）。根据终端需求还可以在纯锌热镀的基础上进行锌铝合金热镀，镀锌后的钢丝通过长度6 m 左右的锌铝合金槽，进行热镀锌铝合金作业，热镀温度450～460 ℃。要求两道热度工序总时长约为24 秒；钢丝单位面积的锌层重量不小于300 g/m2，换算单侧锌层厚度0.045 mm 左右；根据《GB/T 17101-2008 桥梁缆索用热镀锌钢丝》，尺寸允许偏差要求为φ7.00 mm±0.07 mm。

（4）稳定化处理。处理温度为370～380 ℃，42%张力。

1.2 主要问题及断丝形貌特征

根据客户要求，盘条拉拔成钢丝后扭转试验圈数要求达到20 次以上，经热镀锌后扭转试验圈数达到12 次以上。经测试发现，规格为φ13.0 mm的87Mn 盘条，在拉拔7 道次至φ7.05 mm 钢丝后，扭转圈数可稳定达到25～30 次，但热镀锌后，扭转圈数有明显波动，部分镀锌钢丝扭转圈数5次便已断裂。观察断口可以看到，异常断口多呈异常斜劈状（见图1），也有个别呈平面台阶状并伴有裂纹（见图2），而性能正常的镀锌钢丝扭转圈数可以达到20 次，且断裂面较平滑（见图3）。后文中为方便区分，异常断口统称为1#试样，正常断口统称为2#试样。

2 力学性能分析

2.1 钢丝力学性能

图1 镀锌钢丝异常斜劈状断口

图2 镀锌钢丝异常平断口

图3 镀锌钢丝正常平面断口

对一组φ7.05 mm 规格的87Mn 拉拔钢丝进行力学性能测试，结果如表2 所示。从表2 可以看出，盘条经拉拔成φ7.05 mm 钢丝后抗拉强度平均值为1 714 MPa，极值差为51 MPa，扭转性能良好、稳定，圈数介于25～30 次之间。

2.2 热镀锌钢丝力学性能

对一组φ7.05 mm 规格的87Mn 热镀锌钢丝进行力学性能测试，结果如表3 所示。从表3 可以看出，φ7.05 mm 钢丝热镀锌后抗拉强度略有下降，平均值为1 708 MPa，极值差为23 MPa，相对而言数值分布更趋于稳定，但扭转性能发生较大波动，扭转圈数介于5～20 之间。

3 热镀锌钢丝扭转性能异常分析

从热镀锌工艺可以看到，热镀温度在450～460℃，总时间约为24 秒，这相当于对钢丝做了一个短时间的退火，此时钢丝内应力降低，缓解拉拔后的加工硬化，使抗拉强度分布趋于稳定，有微小下降（6 MPa）。但同时短暂的退火会使钢丝韧性值下降，因此镀锌后钢丝通常会出现扭转圈数下降的现象，但如此明显的波动显然是不合理的。

表2 拉拔钢丝力学性能

表3 热镀锌钢丝力学性能

因此，针对扭转圈数低于8 次断裂的异常断口（1#试样）和高于12 次以上断裂的正常断口（2#试样）分别做进一步的检验分析，来查找热镀锌钢丝扭转性能异常的原因。

3.1 化学成分对比分析

分别对1#试样、2#试样进行化学成分分析（见表4），从表4 可以看，出两者的化学成分无明显区别。

3.2 低倍形貌

对1#试样、2#试样垂直轴向取样，用1∶1 盐酸水溶液在65 ℃下浸蚀15 分钟后，观察试样横截面低倍形貌（见图4），可以看出，1#试样有较明显的中心偏析以及锭型偏析痕迹，而2#试样有轻微的中心疏松，无明显偏析现象。

表4 镀锌钢丝化学成分对比分析 /%

图4 低倍形貌

3.3 镀锌钢丝表面微观特征

（1）垂直钢丝轴向经抛光后，用扫描电镜观察钢丝表面锌层，2#试样表面锌层相对较厚，同时锌层更加致密，气孔较少较小（见图5、图6）。

（2）用稀盐酸洗掉钢丝表面锌层后，使用4%硝酸酒精腐蚀，从试样表面组织来看，1#试样表面脱碳层厚度为0.05 mm（图7），2#试样脱碳层厚度为0.05 mm（图8）。

图5 1#试样锌层300×

图6 2#试样锌层300×

扭转性能对金属表层性能尤为敏感，有文献认为表面质量能较好的反应出钢丝的扭转性能[2]，从上述金相检验结果来看，两支钢丝脱碳深度并无差异，也未发现有明显的表面缺陷，仅钢丝表面锌层上有所区别，判断锌层致密度更好的情况下，对扭转性能或有较好提升。

3.4 镀锌钢丝内部微观特征

（1）垂直镀锌钢丝轴向磨制抛光式样，使用4%硝酸酒精腐蚀后，1#试样在50 倍下观察均可以看出心部有明显的偏析（图9），在2#试样心部未发现偏析（图10）。放大至1 000 倍后观察，1#试样心部受扭转影响，索氏体沿扭转方向变形，2#试样心部组织扭转次数多、变形大呈更为明显的条状分布。

（2）从钢丝原材盘条上取样观察横截面，对比试样心部组织原始差异。试样经抛光后用碱性苦味酸钠水溶液（2 g 苦味酸，25 g 氢氧化钠，100 ml 水）[3]，在沸腾状态下煮蚀试样30 秒。在光镜50 倍下观察，1#试样原材盘条心部有明显偏析，放大至500倍后观察为大量的二次渗碳体沿原奥氏体晶界呈严重的网状分布（图11），2#试样心部未发现二次渗碳体（图12）。

桥梁缆索87Mn 碳含量已过共析点，在缓冷状态下会沿原奥氏体晶界析出二次渗碳体，生产上通过控制冷却使奥氏体过冷至Ac1 温度以下，先共析二次渗碳体转变被遏制而直接发生共析转变，冷却后得到索氏体组织。二次渗碳体是一种硬而脆的组织相，在受力时易在此处产生应力集中形成裂纹或孔隙，导致断裂。而二次渗碳体的析出是由于冷却速度相对较小或中心碳偏析（碳含量高）引起。

从上述检验结果来看，心部的偏析对扭转性能有较大影响，即心部偏析越大，二次渗碳体分布越多，对于扭转性能的恶化越严重。

图7 1#试样脱碳500×

图8 2#试样脱碳500×

图9 1#试样心部组织50×

图10 2#试样心部组织50×

3.5 镀锌钢丝扭转异常断口微观特征

钢丝在扭转过程中表面受到最大的切应力，因此扭转性能对钢丝表面质量有着高敏感性，理论上开裂应起源于承受最大应力的钢丝表面。但从1#试样平面台阶状断口处取样，抛光后观察断口裂纹分布状态（图13、图14），从裂纹的分布特征判断裂纹起源于A 点（图14），即扭转开裂起源于钢丝内部。

从图14 可以看到，裂纹由A 点开始向多个方向扩展，两侧分布二次裂纹，经测量A 点距边部1 712 μm，钢丝的直径为7.05 mm，计算可知A 点处于钢丝直径的1/4 附近，这也与文献中试验结果所判断一致，即扭转断裂起源于钢丝直径的1/4 处[4]。

同时文献试验指出，在450 ℃下短时间保温可以使碳原子扩散，铁素体内碳原子浓度变高导致时效硬化，使钢丝扭转性能发生变化，产生分层[4]。而值得注意的是，上文低倍检验结果表明，扭转性能较差的钢丝有明显的锭型偏析低倍形貌，同时偏析的边缘也十分接近钢丝直径的1/4 处。而偏析带附近碳原子浓度更高，因此向铁素体内扩散程度更高，同样支持断裂起源于钢丝内部理论。而不同部位性能产生的差异性变化，也会在扭转过程中使钢丝变形不均而引起裂纹，导致扭转性能恶化。

图11 1#试样原材盘条心部500×

图12 2#试样原材盘条心部500×

图13 1#试样平面台阶状心部组织

图14 1#试样平面台阶状断口边部组织

3.6 非金属夹杂物

非金属夹杂物以机械混合物的形式存在于钢中，其性能与钢有很大的差异，破坏了钢基体的均匀性、连续性，当出现超出临界尺寸的夹杂会在该处形成裂纹导致开裂。为判断夹杂物对扭转性能的影响，沿试样轴向剖开，抛光后观察断口纵截面，发现断口处无非金属夹杂物聚集现象。

根据标准GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法》中A 法评级结果（表5）可以看出：1#试样A 类硫化物0.5 级，断口附近非金属夹杂物级别较低，未发现大颗粒及超尺寸夹杂，纯净度较好；2#试样B 类氧化铝0.5 级，整个截面上仅发现1 条长度为30 μm 的B 类氧化铝夹杂物，纯净度较高。

上述结果表明，在偏析明显的情况下，即使非金属夹杂物纯净度情况较好，对扭转性能能够造成的有利影响依旧有限。

表5 非金属夹杂物（A 法） /级

4 结语

（1）平面台阶状断口扭转断裂裂纹起源于钢丝内部。钢丝经热度锌工艺450 ℃下短时间保温后，钢丝原铸坯偏析处，因碳扩散的原因导致与钢丝其他部位性能存在差异，扭转时应力集中易产生裂纹，使扭转性能变差。

（2）盘条心部的碳偏析对扭转性能有较大影响，即心部碳偏析越大，二次渗碳体分布越多，对钢丝扭转性能的恶化越严重。

（3）在偏析较为明显的状态下，即使钢的纯净度情况较好，对扭转性能的提升依旧有限。

（4）扭转性能对金属表层质量敏感，在锌层更致密的情况下，对扭转性能有利。