第53卷•第12期• 2020年12月
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0前言
莹石球
82B 高碳钢盘条是用于冷拔生产钢丝、钢丝绳、钢
绞线等金属制品的主要原料，要求其通条性能好、脱碳 层小、索氏体含量基本要达到85%以上、不得有马氏体
和全网渗碳体存在。在拉拔、捻制过程中承受100%的 检验，在高应力状态下，任何缺陷和异常组织都会成为 断裂源u '2］o 高碳钢盘条后序加工一般都要经过多道
次的冷拉拔，使得拉拔方向的组织为纤维状组织，具有 很高的强度，但往往韧性较低。拉丝是指原材料经过
酸洗、磷化、剥壳、开坯，进行一次或多次的拉拔，期间 通过等温淬火的热处理方式改变钢丝组织，使其索氏
体化率达到85%及其以上，再次经过拉拔，使其达到目
标直径的一种工艺手段卩⑷。经常有用户反应盘条在 进入拉丝模时，往往只经过几道拉丝模，甚至有的盘条
只经过一道拉丝模就已经断裂，断口呈笔尖状，也称为 杯锥状断口。本工作中发生断裂的82B 盘条为制造钢
杨金艳，吴澎
(南通市产品质量监督检验所，江苏 南通226011)
［摘要］某82B 盘条为钢丝绳原料，进入拉丝模粗拉前两道工序时发生了杯锥状断裂。为此，通过金相显微镜 和扫描电子显微镜分析了 82B 盘条杯锥状断口断裂机理。结果表明：盘条的的杯锥状断口形成机理主要是由于盘
条芯部存在马氏体岛，导致沿芯部马氏体岛出现裂纹，随着进一步拉拔沿裂纹横向形成圆环状裂纹，纵向形成“V ” 型裂纹，最后断裂后形成“一尖一窝”的杯锥状断口。 ［关键词］82B 盘条；芯部马氏体岛；杯锥状断口；断裂［中图分类号］TG172
［文献标识码］B
［文章编号］1001-1560(2020)12-0157-06
Analysis on Fracture Cause of 82B Rod Cup Conical Fracture
YANG Jin-yan, WU Peng
(Nantong Institute of Supervision & Inspection on Product Quality , Nantong 226011, China)
Abstract : A 82B wire rod , which was the raw material of steel wire rope , had a cup - cone fracture when it entered the first two processes of rough drawing of drawing die. Cup Conical Fracture of 82B wire rod was studied by OM and SEM. Results showed that the formation mechanism
of cup - cone fracture was mainly due to the existence of martensite island in the core of the rod , leading to the cracks along the core martensite
island. With further drawing , circular cracks were formed along the transverse direction of the crack , then, '* V" cracks were formed longitudi nally, and finally, cup -cone fracture was formed after fracture.
Key words : 82B wire rod ； core martensite island ； cup -cone fracture ； fracture
丝绳产品的原材料，发生在进入拉丝模粗拉工艺的前2 道时而断裂，为了到此类断裂的产生原因，对82B 高
碳钢盘条断裂机理进行了研究。
盘条杯锥状断口形状分别对应为“一尖一窝”，尖 部呈锥状，也称之为笔尖状，凹下去部分呈杯状，杯锥
状断口由此得名⑸，具体形貌见图lo
将断口置于盛有丙酮的烧杯内，超声波清洗10
min 左右，取出吹干置入ZEISS stemi 508体视显微镜下
进行宏观检测，然后放入EVO MA 15扫描电镜下进行 断口微区检测。将样品及原材料盘条横纵截面分别进 行镶嵌-磨制-抛光后得到金相试样，利用ZEISS
Scope Alm 光学显微镜、EVO MA 15扫描电镜和TUK-
00N 2500全自动维氏硬度计进行微观检测、非金属夹
杂物和硬度分析。将其中1份横截面试样采用ARL
4460直读光谱仪进行化学成分分析。
［收稿日期］2020 - 08- 12
［基金项目］江苏省质量技术监督局科技项目(KJ185644 )资助
［通信作者］杨金艳(1979-)，高级工程师，主要从事钢丝绳金相、物化性能检测以及钢丝绳失效分析，电话:159****1850,
E-mail :50671955@
qq
Vol.53No.12Dec.2020
1mm
(a)锥状断I I
1mm
(b)杯状断口
图1盘条杯锥状断口形貌
2结果及分析
2.1检测结果
2.1.1化学成分分析
涨紧轮
对盘条采用ARL4460直读光谱仪进行化学成分分析。化学成分含量符合JISG3506中盘条原材料化学成分的技术要求(见表1)。
表1盘条化学成分分析结果(质量分数)%元素C Si Mn
第一次0.8190.2030.763
第二次0.8210.2070.748h5n7
平均值0.8200.2000.760 82B标准值0.790-0.8600.150-0.3500.600-0.900元素P S Cr Ni Cu
第一次0.0100.0080.1680.0300.088
第二次0.0100.0080.1660.0300.084
平均值0.0140.0080.1700.0300.090 82B标准值W0.030W0.030W0.250W0.300W0.250 2.1.2宏观分析
冷拉盘条断口呈杯锥状，图2a为断裂试样的横截面经过截取-镶嵌-磨抛后在体视显微镜下的形貌，试样横剖面芯部出现圆环，圆环边上存在裂纹，圆环与基体已经分离。图2b为断裂试样的纵截面形貌，芯部存在裂纹，因形状近似为“V”型，因此，也称“V”型裂纹。从图2b可观察到，“V”型裂纹都位于盘条
中心处。这种位于盘条中心的横截面圆环状以及纵截面“V”型裂纹形貌与断口处形成的杯锥状形貌一致，足以证明盘条芯部的横向圆环状及纵向“V”型裂纹为裂纹源，故在盘条受力作用下沿裂纹断裂而呈杯锥状。图3为原材料盘条纵截面和横截面的低倍形貌，从图3可观察到，横纵截面均未出现裂纹和裂口，整个截面组织衬度一致。
(a)横截面
(b)纵横面
图2盘条杯锥状断口体视显微镜形貌
(a)纵截面(b)横截面
图3原材料盘条低倍形貌
2.1.3横向微观分析
将图2a中断裂试样经5%硝酸酒精溶液腐蚀后，置于金相显微镜下观察显微组织形貌，图4a为盘条杯
第53卷•第12期•2020年12月
椎状断口芯部马氏体岛形貌，从中可观察到芯部白组织为马氏体，在马氏体周围存在裂纹和孔洞。图4b 为接近于盘条断口处的盘条芯部形貌，芯部存在大约直径为0.4mm的孔洞，未见其他组织存在，这是因为马氏体是一种硬而脆的相，在切割或磨制时，马氏体脱落后留下的孔洞。图4c为远离断口处盘条芯部形貌，芯部组织形貌异常，即使没有形成马氏体组织，但芯部有近70%已脱离基体，形成如图3c所示的圆环。图4d 为图4c芯部放大后的形貌，可观察到芯部组织以裂纹为分界线，芯部组织粗大，裂纹以外组织细小，说明在拉拔过程中两者流速不一致，基本可以认为芯部被裂纹包裹部位未随着拉拔而动。裂纹阻碍了力的传递，说明裂纹在拉拔前已经存在或者在拉拔前存在微裂纹，再进一步拉拔时裂纹得以扩大。图4e为原材料盘条横向组织形貌，组织为索氏体+珠光体+少量先共析相，为正常组织，索氏体化率达90%o
(a)芯部马氏体(c)芯部裂纹
(b)芯部孔洞
(d)芯部裂纹放大(e)原材料盘条横向组织
图4杯锥状断口芯部形貌
基于盘条横截面芯部存在马氏体岛的情况下，对
芯部马氏体岛与基体处进行了硬度检测(加载载荷100
N，加载时间10s)，从数值分析，芯部马氏体岛处的硬
度值高达600HV100N，远远高于基体处的硬度，约高
300HV100NO具体数据见表2。
表2盘条横截面硬度对比
位置断口芯部马氏体岛处
维氏硬度/hv100n 平均值/HVKX)N 605589599
595
586597
位置断口基体处
维氏硬度/hv100N282279282281280平均值/HV[Q0N281
位置原材料盘条
维氏硬度/hv100N276275276271273平均值/HV I®n274
同时对原材料盘条进行了硬度分析，采用同样的加载载荷和时间，具体数据见表2，断口基体处的硬度略大于原材料硬度，这是由于断口已经过几道冷拉拔工艺，发生了加工硬化所致。
2.1.4纵向微观分析
将图2b中断裂盘条试样及原材料盘条纵截面金相试样经5%硝酸酒精溶液腐蚀，置于金相显微镜下观察显微组织形貌。图5a为盘条纵向芯部存在的“V”型裂纹处未经腐蚀处理之前形貌，图5b为盘条纵向剖面经腐蚀后的显微组织形貌，显微组织为沿拉拔方向带状分布的索氏体+珠光体+少量先共析相。原材料盘条纵向显微组织同横截面组织一致，均为索氏体+珠光体+少量先共析相(组织形貌见图4e)0
对断裂盘条纵向及原材料盘条纵截面进行非金属夹杂物分析，两者夹杂物含量均不多，基本上未见有呈链状、球状等非延展性夹杂物。
只有少量延展性好的
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A类及C类夹杂物，均在技术要求的范围内。依据
GB/T10561-2005“钢中非金属夹杂物含量的测定标准
评级图显微检验法"A法评定夹杂物等级（见表3）o
（a）芯部“V”型裂纹（b）显微组织
图5盘条纵向形貌
表3盘条非金属夹杂物评定等级
盘条类别A类B类C类D类DS类细系0.5级0级0.5级 1.0级
断裂盘条
粗系0级0级0级0级-
细系0.5级0级 1.0级0.5级
原材料盘条
粗系0级0级0级0级2.1.5显微组织形貌
将同型号82B盘条横纵向金相试样置于扫描电子显微镜下观察分析，图6a为盘条纵向的显微组织形貌；图6b为盘条横向的显微组织形貌。组织均为索氏体+珠光体+少量先共析相，未见其他异常组织。该组织为合格的82B盘条横纵界面显微组织。
（a）纵向（b）横向图6盘条显微组织形貌1000x
2.1.6断口形貌分析
盘条断口共2个，一杯一锥一对断口，在丙酮溶液下超声波清洗10min，烘干后置于扫描电子显微镜下进行断口表面分析。图7a为盘条杯状断口整体形貌，图7b为杯状断口局部放大形貌处，从图中可观察到形貌基本呈韧窝，带有些许的撕裂棱。图7c为锥状断口整体形貌，图7d为锥状断口局部放大形貌处，从图中可观察到基本呈韧窝形貌。
2.1.7能谱分析
鉴于在盘条芯部出现了马氏体岛，所以对芯部马氏体岛处（图8）与基体处（图9）进行能谱分析，结果见表4。从表4成分对比可知，芯部马氏体处C、Cr、Mn 元素偏高，存在偏析现象。与表1中82B盘条规定的标准值相比较，芯部马氏体处C、Cr、Mn元素含量较高，尤其是Cr元素，已经超出标准规定的范围。因此,C、Cr、Mn元素偏析富集于芯部。研究也证实了82B盘条芯部形成的主要原因与C、Mn、Cr元素偏析富集于芯部有关⑷。
表4盘条成分能谱分析结果（质量分数）%元素C0Mn Cr 芯部马氏体组织8.18 1.990.870.26
基体组织处7.872」60.77
0.19
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(a)杯状断口整体(b)杯状断口局部放大lOOOx
(c)锥状断口整体
(d)锥状断口局部放大lOOOx防盗监控系统
图7杯锥状断口整体形貌泡沫模具
I 5 p in
)形貌
Fe Mn
,C 臥.................................
0.5 1.0 1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0
£/keV Fe Mn
「(：臥 i I I I I |
|
0.5
1.0
1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0E/keV (b)能谱
(b )能谱
图8芯部马氏体能谱分析图9基体能谱分析
2.2原因分析
2.2.1杯锥状断口形成过程
盘条在拉拔过程中除受拉伸应力F 外，还受到来 自拉丝模的挤压应力P 。图10给出了盘条经模具实际 拉拔过程中纵向“V ”型裂纹形成过程，可以观察到盘条
芯部产生裂纹与拉丝模的角度a 、压缩率有关，如果芯
部组织异常，存在硬而脆的马氏体组织，硬度高达600
HV 100N ，压应力不能正常传递到芯部，导致中心区域压
缩不到位，表层金属的变形比芯部大，表层金属产生压 应力，心部产生拉应力，逐步在马氏体与基体组织交界
处二者形成速度不连续，产生微裂纹和微孔洞，在进一 步扩展时，导致拉拔过程中芯部马氏体组织与外部区
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