钢丝断裂原因分析

一、夹杂物引起断裂线材中非金属夹杂物的存在，破坏了组织的连续性，起到了一个显微裂纹的作用。当受到外力作用时，在夹杂物的顶端首先产生附加的应力集中。尤其在原奥氏体晶粒交界处出现的大块状、条状或片状碳化物，这些异常碳化物在材料冷变形时，严重地阻塞了位错的移动，致使该处产生应力集中。当应力集中达到一定大小时便会使碳化物开裂，或在碳化物与基体交界处产生裂纹。当裂纹达到失稳状态尺寸，地瞬时产生断裂。非金属夹杂物的多少是衡量帘线钢质量高低的一个重要因素。在用SEM对断口进行分析的过程中，经常发现非金属夹杂物。在典型的杯锥状断口上有时候就能发现夹杂物，SEM表明大多为三氧化二铝夹杂或其它高熔点脆性夹杂物。其避免主要是通过精炼，使夹杂物变为塑性低熔点夹杂物。脆性夹杂物是引起钢丝断裂的重要原因之一，而夹杂物引起断裂分为以下几种形势：1、夹杂物与钢基体之间界面脱开拉伸过程中，在夹杂物周围的局部加剧了应力集中；裂纹优先在与拉应力垂直的夹杂物与基体的界面产生并沿着夹杂物与钢基体界面扩展，致使夹杂物与基体界面脱开。2、夹杂物本身开裂由于脆性较矮杂物本身具有缺陷，在拉伸过程中，在缺陷处产生严重的应力集中，由于局部应力升高而导致夹杂物本身开裂。;3、混合开裂钢中非金属夹杂物的形状、分布是没有规律的，因此夹杂物在钢中引起裂纹也是随机性的，取决于夹杂物的性质、尺寸、形状及分布，对于同类型的夹杂物，由于形状、分布和受力方向不同，往往产生断裂的情况也不尽相同，有时两种断裂方式同时存在，有时两种断裂方式交替进行。4、沿两种不同类型夹杂物的相界开裂钢中经常出现几种夹杂物相共生在一起的复合夹杂物，由于各类夹杂物之间的力学性能和物理性质不同，相界结合力较弱，在拉应力作用下容易从相界开裂。二、偏析引起的钢丝断裂在一定程度上，中心偏析对钢丝拉断的危害必脆性夹杂物。因为偏析在更大程度上影响了钢丝的延伸性，从而使塑性变形不能在存在偏析的地方产生。在钢丝最初的拉拔过程中偏析导致小的裂纹的出现，等进入了最终拉拔时就导致了人字形断口(chevroncracks)在连铸过程中减少中心偏析的途径有以下几个：1、中心偏析随着中包过热度的降低而降低，因此中包的钢液温度应该尽可能的低；2、在结晶器和二冷安装电磁搅拌。结晶器的电磁搅拌能够减少中心偏析的程度和范围。电磁搅拌同样可改善V形偏在铸坯中心的存在；3、尽可能的降低拉速，能够减轻中心偏析程度。三、马氏体组织造成拉拔脆断硬线属高碳钢，控制冷却时，若冷却时间太短，对钢材不起作用；若冷却时间太长，就容易引起脆断。在斯太尔摩控制冷却上，穿水冷却是奥氏体急速过冷阶段。它的目的是控制具有高形变能压扁的奥氏体晶粒长大和保留加工硬化的效果，为吐丝温度和后部风冷段控制做准备。轧制硬线错误的指导思想是，企图使线材表面淬成马氏体，然后通过心部自回火方式形成回火马氏体。如果这样，在高速的轧制下线材表面得不到充分自回火，难免出现马氏体残余。因为线材直径只有5.5mm，最大也只有9mm，它的断面小，形变潜能也小，所以冷却不能过急，宜控制在0.3～0.6s，使线材表面温度始终在Ms以上(高于400℃)，以防止表面淬成马氏体。硬线的散卷风冷相当于“等温”处理阶段，它的目的是控制钢中以索氏体为主的组织，以利于提高拉拔性能。要求组织中铁素体可能少且以块状均匀分布，而非网状析出，因而也应采用快速冷却方式。但若冷却速度过快，也会产生贝氏体或马氏体组织。尤其对于有合金元素偏析的铸坯，冷却速度达25℃/s就容易产生马氏体。因此，冷却速度宜为6～15℃/s，使奥氏体分解转变在接近CCT曲线的鼻尖进行。对大直径线材，可选择高的初始冷却速度，因为直径增大，随体积增加的热焓量比表面所失去的热量要大，有促使先共析铁素体增加，珠光体组织长大之趋势。高碳马氏体既硬又脆，冲击吸收功很低，断后伸长率和断面收缩率几乎为零。同时，马氏体的比容比奥氏体大，当奥氏体转变为马氏体时钢的体积增大。由于马氏体转变的不均匀性，这种体积变化将引起很大的内应力，使钢发生变形，成为裂纹的根源。这样，在拉拔力或其它外力的作用下，易引起应力集中而使硬线脆断。四、严重脱碳层造成拉拔脆断线材的脱碳层直接影响着硬线的拉拔，对高碳硬线来说，严重的脱碳层好像一个缺口，不但承受面积小，应力增大，而且由于突然缩颈，容易引起应力集中导致拉丝脆断。通过脱碳层深度超标而使硬线脆断的试样断口观察和试样金相分析，发现有裂纹和组织两个重要特征。第一，硬线表面均存在白色长条，其中平行地分布着横裂纹，有的横裂纹已深入基体。因此，硬线的断线是由于它表层长条区内的横裂纹扩展而引起的。白色长条区是全脱碳形成的铁素体组织，它是组织中的薄弱环节。第二，硬线组织不是所要求的以索氏体为主的组织，而是网状铁素体和粗片状珠光体。网状铁素体的存在会导致抗拉强度下降，拉拔时承受变形能力差;粗片状珠光体的存在也会导致硬线塑韧性及拉拔能力的降低。这两种组织是由于加热温度过高、加热时间过长，钢的相变温度偏高，过冷度小而析出的，是脱碳的前沿产物。此外，硬线随拉拔变形程度的加大，加工硬化程度也增大，网状铁素体和粗片珠光体的存在又增加硬线的脆性。当硬线拉拔时，由于脱碳层产生横裂纹，而邻近网状铁素体和粗片状珠光体又不能有效地阻止裂纹的扩展，且受到拉拔、收盘的扭绞力共同作用，部分硬线即刻脆断。因此，铸坯加热温度愈高，加热时间愈长，炉内漏气或其他不正常因素愈多，脱碳会愈严重，从部分脱碳到全脱碳，使钢失去更多的碳。为了防止脱碳，应严格执行规章制度，对不同钢号和规格钢坯及时调整加热温度，提高工作的责任感。从控制脱碳优化氧化铁皮的角度考虑，炉内应保持一定氧化气氛，可形成薄的氧化铁皮，阻止钢坯表面继续脱碳。在预热段应缓慢加热(至850℃，2h)，并有合适的保温。钢坯在850℃～1050℃时，由于脱碳有向抛物线顶点发展的趋势，应严格控制加热时间不超过30min,并要尽理缩短均热段保温时间。五、其它非冶金原因关于钢丝拉拔时的断丝，1984年ZeevZimerman和RoverJ.Henry对此作了探讨。他们对钢帘线用钢丝在水箱拉丝机上拉拔时断口用SEM进行分析，观察到拉拔断口大部分成杯锥状。并指出，钢丝拉拔时，表面层金属比心部金属变形大，这引起表面层金属沿长度方向受压应力而中心部分受拉应力，当此拉应力过大时致使在中心部位产生中心破裂，即形成V型裂纹或人字形裂纹。并认为这种V型裂纹是拉拔断丝成为大量杯锥状断口的原因。虽然ZeevZimerman和RovertJ.Herry对此研究得很详细，但是未能考虑后面工序中的捻制断丝问题，未能指出两种杯锥状断口的内在联系。1981年，EddyG.Demeyere在研究高低碳钢的夹杂物对钢丝拉拔时的可加工性能和机械性能的影响时，曾指出，在钢丝拉拔到Φ0.25mm过程中，很少或根本没有发现由于夹杂物引起的断丝更令人惊奇的是，即使50µm大的零星存在的夹杂物也未能造成拉拔断丝，而主要是由于表面缺陷或过在造成的断丝。他说，这种情况与帘线捻制时不同，由于在捻制时钢丝受到扭转变形，则夹杂物的影响就显得中大。显然，EddyG.Demeyere试图从夹杂物角度出发同时考虑帘线钢用钢丝的拉拔断丝和年至断丝问题，但在该文中，他对这两种断丝之间内在联系的探讨仅此而已，未能进行深入研究。因此，钢丝表面缺陷、内部夹杂物、热处理工艺、拉拔工艺都可能导致钢丝质量不合理，从而在拉拔过程中断裂。