扭转角度对桥梁缆索钢丝组织的影响

支卫军,陈常勇,姜周华

(1.东北大学,辽宁 沈阳 110819; 2.宝山钢铁股份有限公司,上海 201999)

半个世纪以来,桥梁缆索用镀锌钢丝强度等级由1 670 MPa发展到目前广泛应用的1 770 MPa,并逐步向1 960、2 000 MPa级别推进[1]。钢丝的高强化是提高强度以减少索股的直径和质量,但强度指标的提高可能会影响韧性和塑性[2]。扭转试验是检验金属韧塑性的一种方便有效的试验方法,尤其适用于桥梁缆索用热镀锌钢丝。

受生产技术水平的限制,国内对于是否用扭转试验来检测桥索钢丝的韧塑性一直存在争议。主要的原因是认为扭转指标和松弛性能在生产工艺上互相制约[3]。近年来,原材料(盘条)和钢丝制造工艺的改进,在保证松弛性能的前提下,完全可以满足扭转指标的要求,因此扭转试验己经普遍被接受并用于检验钢丝的综合韧塑性能[4]。

大量研究表明,钢丝的生产工艺如盘条表面处理、冷拉拔工艺、热镀锌工艺等对钢丝扭转性能都有影响[5-7]。但是关于扭转过程中钢丝组织随扭转角度的变化却鲜有报导,因此,本试验选取国内两家不同厂商生产的桥梁缆索镀锌钢丝为原材料,探索扭转角度对钢丝组织的影响。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验钢丝共两种,分别为国内两家厂商生产,编号为A组和B组。其中A组钢丝的扭转角度分别为0°、350°、945°以及扭断,钢丝编号分别为0#、1#、2#、3#;B组钢丝扭转角度为0°、200°和扭断,钢丝编号分别为4#、5#、6#。试验所用钢丝如图1所示,其成分如表1所示。

图1 扭转试验所用的钢丝Fig.1 Steel wire for torsion experiment

表1 钢丝的化学成分Table 1 Composition analysis of experimental steels wire %

1.2 试验方法

试验所用的扭转设备、原理和过程详见以往的研究[5]。

钢丝经扭转试验后,先采用扫描电镜对其组织进行观察,从钢丝横向和纵向的边缘处、1/2半径处、芯部均取样进行分析。然后采用透射电镜对其组织进行检测,从钢丝横向和纵向的1/2半径处取样,取样的依据详见以往的研究[5]。

2 试验结果和分析

2.1 扭转角度对A组钢丝组织的影响

2.1.1 扭转角度对A组钢丝横向组织的影响

0#钢丝横向SEM组织如图2所示。由图2可知,钢丝边缘处局部组织发生溶解退化,使得索氏体片层之间的界限变得模糊,且有少量的微孔,这主要是因为钢丝热镀锌过程中,其表面受热最严重,导致表面组织中少部分渗碳体发生溶解;而r/2 处、芯部的组织则保持了很好的完整性,组织分布很均匀,片层之间的界限清晰明了。

图2 0#钢丝横向SEM组织Fig.2 Transverse SEM structure of 0# steel wire

1#钢丝横向SEM组织如图3所示。由图3可知,与0#钢丝相比,相同位置处,1#钢丝经扭转后组织变化主要表现在以下几个方面:①索氏体片被拉长、变薄,片间距明显减小,片层之间的界限很难分清楚;②索氏体团被扭曲得更加严重;③组织恶化,微孔的数量明显增多,分布明显更广泛;④渗碳体碎裂、球化现象明显更加严重,颗粒状、短棒状的渗碳体数量明显增多,分布明显更广。这些规律在透射照片中更加清晰和明显,如图4所示。

图3 1#钢丝横向SEM组织Fig.3 Transverse SEM structure of 1# steel wire

图4 A组钢丝横向r/2 处的TEM组织Fig.4 Transverse TEM structure of steel wire at r/2 (group A)

2#和3#钢丝的横向SEM组织分别如图5和图6所示。从图5、6可知,与0#钢丝相比,2#、3#钢丝经扭转后组织变化规律与1#钢丝类似,且随着扭转角度的增加,上述变化更加明显。

图5 2#钢丝横向SEM组织Fig.5 Transverse SEM structure of 2# steel wire

图6 3#钢丝横向SEM组织Fig.6 Transverse SEM structure of 3# steel wire

2.1.2 扭转角度对A组钢丝纵向组织的影响

0#钢丝纵向SEM组织如图7所示。由图7可知,索氏体片沿轴向呈纤维状排列,部分垂直于轴向的索氏体片由于拉拔作用而变得扭曲甚至断裂。边缘处局部组织发生溶解退化,使得索氏体片层之间的界限变得模糊,且有少量的微孔;而r/2 处、芯部的组织则保持了很好的完整性,组织分布很均匀,片层之间的界限清晰明了。

图7 0#钢丝纵向SEM组织Fig.7 Longitudinal SEM structure of 0# steel wire

1#钢丝纵向SEM组织如图8所示。由图8可知,与0#钢丝相比,相同位置处,1#钢丝经扭转后,索氏体片层仍然保持沿轴向呈纤维状分布,但整体上看,组织变化规律与横向SEM组织变化规律类似。

图8 1#钢丝纵向SEM组织Fig.8 Longitudinal SEM structure of 1# steel wire

2#和3#钢丝的纵向SEM组织分别如图9和图10所示。可以看出,随着扭转角度的增加,上述规律变得更加明显。

图9 2#钢丝纵向SEM组织Fig.9 Longitudinal SEM structure of 2# steel wire

图10 3#钢丝纵向SEM组织Fig.10 Longitudinal SEM structure of 3# steel wire

A组钢丝的透射组织如图11所示。从图11可知,随着扭转角度的增加,索氏体片层中的位错密度逐渐增加,在晶界处甚至出现堆积和缠结,形成位错墙,如图11(d)所示。

图11 A组钢丝纵向TEM组织Fig.11 Longitudinal TEM structure of steel wire (group A)

为了更精确地对比扭转角度对A组钢丝索氏体片层间距影响的差异,对它们的索氏体片层间距进行统计,结果如下:

(1) A(0°):57 ～ 71 nm;

(2) A(350°):53 ～ 60 nm;

(3) A(945°):52 ～ 69 nm;

(4) A(扭断):42 ～ 53 nm。

检测结果说明,随着扭转角度的增加,钢丝索氏体片层间距有减小的趋势,这与前文的观察结果相一致。

2.2 扭转角度对B组钢丝组织的影响

2.2.1 扭转角度对B组钢丝横向组织的影响

4#、5#和6#钢丝横向组织如图12～15所示。仔细对比可以看出,扭转角度对B组钢丝横向组织的影响与对A组钢丝组织的影响很类似。

图12 4#钢丝横向SEM组织Fig.12 Transverse SEM structure of 4# steel wire

图13 5#钢丝横向SEM组织Fig.13 Transverse SEM structure of 5# steel wire

图14 6#钢丝横向SEM组织Fig.14 Transverse SEM structure of 6# steel wire

图15 B组钢丝横向 r/2处TEM组织Fig.15 TEM structure of steel wire at r/2 (group B)

2.2.2 扭转角度对B组钢丝纵向组织的影响

4#、5#和6#钢丝纵向组织分别如图16～19所示。仔细对比可以看出,B组钢丝纵向组织随扭转角度增加时,其变化规律与A组钢丝很类似。

图16 4#钢丝纵向SEM组织Fig.16 Longitudinal SEM structure of 4# steel wire

图17 5#钢丝纵向SEM组织Fig.17 Longitudinal SEM structure of 5# steel wire

图18 6#钢丝纵向SEM组织Fig.18 Longitudinal SEM structure of 6# steel wire

图19 B组钢丝纵向TEM组织Fig.19 Transverse TEM structure of steel wire (group B)

为了更精确地对比扭转角度对B组钢丝索氏体片层间距影响的差异,对它们的索氏体片层间距进行统计,结果如下:

(1) B(0°):70 ～ 81 nm;

(2) B(200°):43 ～ 73 nm;

(3) B(扭断):41 ～ 65 nm。

检测结果说明,随着扭转角度的增加,钢丝索氏体片层间距有减小的趋势,这与观察结果相一致。

3 结论

通过对不同厂家生产的钢丝进行扭转试验,分析了扭转角度对A组和B组钢丝组织的影响,结果表明,随着扭转角度的增加,两组钢丝组织的变化有相同的规律,总结如下:

(1) 索氏体片被拉长、变薄,片间距明显减小,片层之间的界限很难分清楚。

(2) 横向组织中索氏体团被扭曲得更加严重。

(3) 组织逐渐恶化,微孔的数量明显增多,分布明显更广泛。

(4) 渗碳体碎裂、球化现象更加严重,颗粒状、短棒状的渗碳体颗粒数量明显增多,分布明显更广。

(5) 位错增加,局部区域出现位错堆积和缠结。