摘要:運(yùn)用斷口分析、化學(xué)成分分析、金相分析、能譜分析以及力學(xué)性能試驗(yàn)等檢測(cè)手段,對(duì)某６５鋼熱軋盤條在拉拔成為彈簧鋼絲過程中發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:熱軋盤條顯微組織中存在網(wǎng)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(dǎo)致其在拉拔過程中發(fā)生斷裂的主要原因.

關(guān)鍵詞:彈簧鋼絲;拉拔斷裂;顯微組織缺陷

中圖分類號(hào):TG１１３．２３　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B  文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０８Ｇ０５９９Ｇ０４

?６．５mm 熱軋盤條在冷拔加工成?４．２mm(編號(hào)為１號(hào))和?２．５mm(編號(hào)為２號(hào))的鋼絲時(shí)發(fā)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(duì)斷裂鋼絲的斷口形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能以及顯微組織等進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,以期查明其斷裂原因,為盤條拉絲生產(chǎn)質(zhì)量的改進(jìn)提供借鑒和參考.

１ 理化檢驗(yàn)

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(xì)檢查斷口附近鋼絲表面,未發(fā)現(xiàn)表面質(zhì)量缺陷.

１．１．２ 微觀觀察

１．１．２．１ １號(hào)鋼絲

１號(hào)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(qū)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(zhì)元素,見圖４.

１．３ 金相分析

１．３．１ 顯微組織觀察

觀察１號(hào)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(hào)鋼絲的顯微組織中也存在網(wǎng)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(wǎng)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(hào)和２號(hào)以及原材料試樣３號(hào)和４號(hào)檢測(cè)其化學(xué)成分,結(jié)果如表１所示.可見無論是 原 材 料 還 是 失 效 件,其 化 學(xué) 成 分 均 符 合GB/T６９９－２０１５對(duì)６５鋼成分的技術(shù)要求.

１．３ 金相分析

１．３．１ 顯微組織觀察

觀察１號(hào)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(hào)鋼絲的顯微組織中也存在網(wǎng)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(wǎng)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(yàn)

金相試樣拋光態(tài)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(hào)鋼絲夾雜物形貌,按照 GB/T１０５６１－２００５評(píng)定,A 類夾雜物級(jí)別為 A２．５;圖１１是２號(hào)鋼絲夾雜物形貌,按照GB/T１０５６１－２００５評(píng)定,A 類夾雜物級(jí)別為 A２,B類夾雜物級(jí)別為 B１;圖１２是原材料夾雜物形貌,按照 GB/T１０５６１－２００５ 評(píng) 定,A 類 夾 雜 物 級(jí) 別為 A３.

能譜分析 結(jié) 果 表 明,１ 號(hào)、２ 號(hào) 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(yàn)結(jié)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(nèi)的非金屬夾雜物,這些組織缺陷的存在會(huì)影響材料的使用.

１．４ 力學(xué)性能試驗(yàn)

１．４．１ 拉伸試驗(yàn)

取原材料試樣３號(hào)和４號(hào)測(cè)試其拉伸性能,結(jié)果如表２所示,可見原材料的拉伸性能符合 GB/T６９９－２０１５對(duì)６５鋼的技術(shù)條件要求,且拉伸性能的波動(dòng)幅度符合 GB/T２４２４２．２－２００９技術(shù)要求.由此可以看到,鋼絲原材料的力學(xué)性能正常.

１．４．２ 硬度試驗(yàn)

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

２ 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)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(zhì)量缺陷;鋼絲原材料熱軋盤條化學(xué)成分符合 GB/T６９９－２０１５對(duì)６５鋼的技術(shù)要求;鋼絲顯微組織為珠光體＋網(wǎng)狀鐵素體,且存在晶粒粗大、不均勻現(xiàn)象;同時(shí)顯微組織中存在較多的硫化物和氧化物夾雜物.網(wǎng)狀鐵素體、粗大不均勻的晶粒以及較多夾雜物都會(huì)降低材料的 力 學(xué) 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(guān)于顯微組織中不得存在對(duì)其使用有害的組織缺陷的規(guī)定.

網(wǎng)狀鐵素體的存在將割裂珠光體之間的聯(lián)系,使鋼的強(qiáng)度特別是屈服強(qiáng)度降低,同時(shí)降低材料的塑性,從而容易導(dǎo)致變形開裂;晶粒粗大、不均勻同樣也會(huì)降低材料的力學(xué)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(shí),由于夾雜物與鋼基體變形不一致,基體的連續(xù)性被這一變性差異破壞,勢(shì)必會(huì)造成在夾雜物和基體之間的交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致材料在變形處產(chǎn)生裂紋進(jìn)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(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而導(dǎo)致斷裂的原因[３];同時(shí),從金相分析結(jié)果還可以看出現(xiàn),從而使得水冷壁管向火側(cè)承受交變熱應(yīng)力作

用,這對(duì)水冷壁管橫向裂紋的產(chǎn)生具有重要影響.

對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn),除氧化產(chǎn)物外,裂紋內(nèi)物質(zhì)亦含有較高含量的硫元素;對(duì)向火側(cè)表層灰分結(jié)焦成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),灰分中亦含有較高含量的硫元素,說明在裂紋擴(kuò)展過程中其周圍有氧化和腐蝕現(xiàn)象發(fā)生.

由以上分析可以推斷,該水冷壁內(nèi)螺紋管裂紋屬于熱疲勞裂紋,其形成的原因?yàn)殄仩t在啟停爐以及負(fù)荷變化的運(yùn)行期間,水冷壁管向火側(cè)壁溫發(fā)生大幅度波動(dòng),易形成熱沖擊,使向火側(cè)管壁承受較大的交變熱應(yīng)力,當(dāng)壁溫波動(dòng)峰值產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)便會(huì)使管子產(chǎn)生塑性變形,在循環(huán)次數(shù)較多時(shí),熱應(yīng)力所引發(fā)的塑性變形逐漸累積引起向火側(cè)管壁的損傷,從而產(chǎn)生熱疲勞裂紋[６Ｇ７].美國(guó)電力研究院經(jīng)過多年試驗(yàn)研究認(rèn)為壁溫峰值是導(dǎo)致水冷壁管產(chǎn)生橫向裂紋失效的關(guān)鍵因素[８Ｇ９].

因此,本次水冷壁管泄漏主要是由向火側(cè)管壁上熱疲勞裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的,另腐蝕介質(zhì)的存在加速了熱疲勞裂紋的擴(kuò)展.

３ 結(jié)論及建議

該鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管泄漏是由于在鍋爐機(jī)組啟停爐或負(fù)荷變化期間,其向火側(cè)承受較多次數(shù)較大的交變熱應(yīng)力,誘發(fā)管壁產(chǎn)生熱疲勞裂紋,同時(shí)管壁附著的含硫腐蝕性灰分結(jié)焦,也對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有促進(jìn)作用,兩者相互作用造成管子泄漏失效.

建議鍋爐在運(yùn)行期間盡量避免大幅度調(diào)整運(yùn)行負(fù)荷以及低負(fù)荷運(yùn)行,減小水冷壁管承受的熱沖擊疲勞,同時(shí)應(yīng)避免摻燒含硫灰分較高的煤質(zhì),以免發(fā)生更大的損害.

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-   理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 53卷 > 8期）