信息摘要：
1.引言 在合理的使用和維護下，鋼絲繩是一種具有高強度、高彈性、良好撓性的結(jié)構(gòu)件。鋼絲繩的股是由優(yōu)質(zhì)碳素鋼絲通過捻制而成，再由若干股圍繞繩芯按螺旋線運動捻制成鋼絲繩。
1.引言
在合理的使用和維護下，鋼絲繩是一種具有高強度、高彈性、良好撓性的結(jié)構(gòu)件。鋼絲繩的股是由優(yōu)質(zhì)碳素鋼絲通過捻制而成，再由若干股圍繞繩芯按螺旋線運動捻制成鋼絲繩。由于結(jié)構(gòu)的特殊性使得它有較好的機械性能，如：優(yōu)良的彎曲性能、彈性性能和抗沖擊性能等。
在拉力的作用下，鋼絲的扭轉(zhuǎn)特性會使其產(chǎn)生徑向分量，鋼絲之間由此存在正常的接觸壓力，因此，鋼絲破斷后，在離開斷裂處一段距離后，會很快又恢復(fù)承載一定的拉力，所以只要斷裂均勻的分布在鋼絲繩的鋼絲上，那么，這些斷裂的鋼絲就不會影響鋼絲繩整體的強度。這也是為什么使用高強度低延展性的鋼絲制造鋼絲繩的原因（鋼絲繩用的鋼絲的強度高達2100Mpa）。單根鋼絲的斷裂不一定是有害的，在某些情形下甚至有利的，例如可以通過單根鋼絲斷裂分析來表征鋼絲繩整體疲勞斷裂的發(fā)展過程，從而采取有效措施對鋼絲繩進行保護。但是，如果采取措施不當(dāng)，鋼絲的裂紋任其發(fā)展下去，可能會導(dǎo)致鋼絲繩出現(xiàn)災(zāi)難性的失效。因此，應(yīng)在鋼絲繩使用生命周期中，對其實施定期的檢測；而且，檢測不應(yīng)僅僅集中在最容易斷裂的鋼絲上，應(yīng)對鋼絲繩其它易受到外部侵蝕的部位也進行檢測，同時根據(jù)檢測結(jié)果加強對鋼絲繩損壞機制的分析，以便采取有效應(yīng)對措施。鋼絲繩檢測的重點是評估其在下次檢測前的使用周期中是否安全，而不是本次檢測中是否安全。
本文研究了一條起重機用7股鋼絲繩的破斷失效過程。該繩在其服役12個月后就報廢了，從分析斷口形貌特征出發(fā)，本文重點研究造成此鋼絲繩使用壽命短的原因。
2 試驗
首先，對整個鋼絲繩做宏觀斷裂行為推測，然后采用光學(xué)顯微鏡對每根鋼絲進行金相分析。最后通過SEM觀察斷口形貌。光學(xué)顯微鏡的樣品直接從鋼絲上切下，而SEM的樣品來源于斷裂鋼絲的斷口。采用拉伸試驗機對個別鋼絲進行破壞試驗，并在彎曲試驗機上做半徑為2.5mm的彎曲試驗。
金相樣品制備之前，用酒精去除了鋼絲上殘留的灰塵和油漬，之后用超聲波進行清理。為便于觀察，試樣首先進行磨光和拋光，然后用濃度為2％硝酸酒精腐蝕處理。
對松股后的鋼絲繩外股鋼絲做拉伸和彎曲試驗。所有的彎曲試驗以同樣的方式進行，即一次彎曲試驗為來回彎曲90度。不同直徑鋼絲的彎曲半徑均為2.5mm。
3 結(jié)果和討論
圖1是破斷后的鋼絲繩外觀形貌，不齊整的破斷口表明鋼絲繩的斷裂是一個逐漸發(fā)展的過程。此外，對未斷部分表面觀察發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的外表面上部分鋼絲出現(xiàn)了斷裂口（見圖2），說明這部分鋼絲繩在服役過程中受到的拉力已超過其抗拉強度。由于在纏繞卷筒的時候，鋼絲繩最外側(cè)的受到的拉力最大，因此最外側(cè)的鋼絲斷裂出現(xiàn)的概率比較大。觀察鋼絲繩表面，未發(fā)現(xiàn)腐蝕和磨損。
圖3為鋼絲繩橫截面圖，可知鋼絲繩由七股組成，一根繩芯和六根捻股。繩芯也是由七股組成，每股由7根直徑均為0.66mm的鋼絲組成。外則六股每股由9根直徑為1.2mm、9根直徑為0.7mm和1根直徑為1.4mm的鋼絲組成。
鋼絲的斷口形貌顯示了其疲勞特征，如圖4-6所示。斷口表面邊緣的損壞是在鋼絲繩斷裂之前，兩根斷裂的鋼絲終端相互的摩擦造成的，如圖4、圖5所示。
SEM進一步觀察表明，疲勞裂紋首先由于摩擦在鋼絲表面形成，然后在往復(fù)作用過程中不斷擴展，直至遇到下一個裂紋。裂紋的合并擴展并不會導(dǎo)致斷裂的必然，只有形成貫穿于整個斷面的裂紋才會形成斷裂，或者由于裂紋使得有效承載面積減少，導(dǎo)致抗拉強度不足引起斷裂。此過程在每根鋼絲上不斷重復(fù)，其結(jié)果是鋼絲繩斷絲數(shù)量的不斷增加，最終引起整個鋼絲繩的完全斷裂。
圖7為光學(xué)顯微鏡下觀察到的用于制造鋼絲繩的索氏體化處理的碳素鋼鋼絲的金相圖。在其斷面結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)一個徑向裂紋，深度約為50μm。裂紋周圍的脫碳基質(zhì)表明，此缺陷來源于線材的制造過程，它可能是疲勞裂紋的擴展源。
鋼絲的最低抗拉強度為1791 N/mm2，最高抗拉為2220 N/mm2。需要指出的是，中間股的鋼絲很多不具有拉伸強度，在松股中心股的時候就已經(jīng)斷裂了。同樣，中心股的鋼絲在彎曲試驗時就會發(fā)生斷裂，有些在第進行一次彎曲的時就發(fā)生斷裂。因此，對中心股的鋼絲做彎曲試驗是不可能的。對外股的鋼絲實施彎曲試驗表明，直徑為1.4mm的鋼絲在其斷裂之前，進行的彎曲次數(shù)最少。比較不同股上同直徑鋼絲的彎曲次數(shù)，有非常相似的結(jié)果：直徑1.4鋼絲的彎曲次數(shù)在7.5-8.5之間，直徑為1.2鋼絲的彎曲次數(shù)在15.0-22.5之間，直徑為0.7鋼絲的彎曲次數(shù)在39.5-57.0之間。本彎曲試驗的目的僅是為了比較外邊三股鋼絲繩。在標準彎曲試驗中，彎曲的半徑取決于鋼絲的半徑。直徑為1.4mm和1.2mm鋼絲的彎曲半徑為3.75mm，直徑為0.7mm鋼絲的彎曲半徑為1.75mm。
中心股鋼絲繩的破斷機械機制尚不清楚，繩股鋼絲之間交叉接觸的侵蝕，以及疲勞裂紋增長起始點—脫碳表面缺陷—的影響也許能解釋這點。
鋼絲繩如此多的斷絲導(dǎo)致了其強度下降到其使用強度以下，因此，引起其災(zāi)難性的斷裂。
4 結(jié)論
七股鋼絲繩的破壞性的斷裂是由于過度的疲勞使用和缺少檢查和維護。
疲勞裂紋的增長是鋼絲表面的裂紋引發(fā)的，隨著斷裂的鋼絲繩的數(shù)量的增加，鋼絲繩的承載能力逐漸下降，直至斷裂。
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