1、第40卷Vol.40第6期No.6金屬制品MetalProducts2014年12月December2014doi：103969/jissn10034226201406003鋼絲繩失效過程及延長其使用壽命原理分析崔影，蔣雪江無錫214196）（無錫通用鋼繩有限公司，江蘇摘要微動疲勞和腐蝕疲勞是造成鋼絲繩失效的主要原因。微動疲勞是微動磨損與疲勞的復合作用，腐蝕疲勞則是腐蝕與疲勞的復合作用，磨損與腐蝕的交替作用通常表現(xiàn)為彼此加速。應力集中促進疲勞裂紋的萌生與擴展。抑制微動磨損、防止腐蝕和應力集中的發(fā)生、減緩疲勞微裂紋的萌生與擴展是確定延長鋼絲繩使用壽命技術措施的基本準則。對鋼絲進行表面處理如耐磨磷

2、化使制繩鋼絲成為復合材料，使用復合材料制造鋼絲繩芯將是金屬制品行業(yè)的發(fā)展方向。關鍵詞鋼絲繩；使用壽命；微動疲勞；微動磨損；表面處理；耐磨磷化TG3564+5中圖分類號PrincipleanalysisofsteelwireropefailureprocessandextendservicelifeCUIYing，JIANGXue-jiang（WuxiUniversalSteelopeCo，Ltd，Wuxi214196，China）AbstractFrettingfatigueandcorrosionfatiquearemainreasontocausewireropefailureFretti

3、ngfatigueisthecom-poundeffectoffrettingwearandfatigue，corrosionfatigueisthecompoundeffectofcorrosionandfatigue，alternatefunctionofwearandcorrosionusuallypresentedastheaccelerationofeachotherStressconcentrationpromotesinitiationandpropa-gationofthefatiguecrack，refrainfrettingwear，preventcorrosionands

4、tressconcentration，slowdowntheinitiationandpropagationoffatiguemicro-crackisthebasicprincipletodeterminethetechnicalmeasurestoextendservicelifeofwireropeSteelwiresurfacetreatmentsuchaswear-resistantphosphatizingmakesthewirebecomecompositematerials，theuseofcompositematerialsformakingwireropecorewillb

5、ethedevelopmentdirectionofmetalproductsKeywordssteelwirerope；servicelife；frettingfatigue；frettingwear；surfacetreatment；wear-resistantphosphatizing1鋼絲繩的失效過程制繩受自身結(jié)構(gòu)特點以及鋼材物理特性的影響，鋼絲受到軸向應力作用時發(fā)生彈性伸長變形，當鋼絲繩內(nèi)部相鄰的任意兩根鋼絲變形不同步時，它們之間將發(fā)生相對滑動，這種相對滑動量一般在微米量級，稱為微動，由微動引起的磨損稱為微動磨損。疲勞是造成鋼絲繩失效的另一個主要原因，鋼絲在交變應力作用下，在鋼絲表面

6、或次表面的缺陷或損傷處萌生微裂紋，微裂紋逐漸擴展，直至發(fā)生疲勞斷裂，應力集中促進鋼絲繩疲勞裂紋的萌生與擴展。生，磨損與腐蝕的交替作用通常表現(xiàn)為彼此加速，如對電梯鋼絲繩做疲勞試驗需714d時間，在對鋼絲繩的拆股檢驗中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)棕紅色銹跡（Fe2O3），因為涂敷這是磨損與銹蝕同時發(fā)生的最有力證據(jù)，油脂的鋼絲繩靜置14d不會發(fā)生肉眼可以識別的明顯銹蝕。微動疲勞是鋼絲繩失效的主要原因，微動疲勞也可以視作微動磨損與疲勞共同作用的結(jié)果。腐蝕環(huán)境中使用的鋼絲繩，如漁業(yè)捕撈用鍍鋅鋼絲繩，海水中氯離子對鍍鋅層和鋼絲基體的腐蝕鋼絲繩內(nèi)部鋼絲表面的磨損與銹蝕往往共同發(fā)及疲勞的復合作用是造成鋼絲繩失效的主要原因。櫘櫘

7、櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘2010（2）：2326J金屬制品，HUZheng-zhongInitialfailurecauseanalysisandsettle-mentmeasuresofmulti-layerstrandswireropeJMetalProducts，2010（2）：2326（收稿日期：20140820）作者簡介胡欽剛1971年生，工程師，寧夏新日恒力鋼絲繩股份有限公司副總工程師。·14·金屬制品第40卷對于普通的微動疲勞現(xiàn)象而言，微動損傷初期并無較長的裂紋，表面劃傷的劃痕方向與微動方向平行，

8、而微動疲勞裂紋產(chǎn)生的斷裂方向應與微動方向垂直，因而表面劃傷不能導致破壞性的裂紋產(chǎn)生。在脫層階段的早期不會產(chǎn)生擴展性的微裂紋，因為在這個時期磨損材料少，所形成的磨蝕坑的尺寸不大，這樣裂紋的擴展動力很小，不足以向內(nèi)擴張。隨著脫層階段的延續(xù)，脫層材料不斷增多并氧化，磨蝕坑的尺寸也在增大，蝕坑底部受硬質(zhì)氧化磨屑的反復碾磨會變得低洼不平并產(chǎn)生較大的塑性變形，由此產(chǎn)生較大的應力集中，導致疲勞裂紋在坑底部萌生1產(chǎn)生磨屑過程中，盡管其磨損機制十分復雜，但有一點是確定無疑的，磨屑脫離基體過程中，必然要經(jīng)歷裂紋萌生與擴展至連通導致脫落的過程，產(chǎn)生磨屑過程中形成的微裂紋即微凸體被撕裂脫離鋼絲基體過程中的微裂紋，在彎

9、曲應力作用下，可能演變?yōu)槠谖⒘鸭y，這種可能性隨著鋼絲表面磨損量的加大而升高，這是微動在微觀上形成的危害，鋼絲繩使用過程中受到的彎曲應力越大，演變成疲勞微裂紋的幾率越大，并向鋼絲徑向擴展的速率越高。鋼絲繩內(nèi)部鋼絲之間摩擦力的存在，一方面造成了鋼絲表面微動損傷的發(fā)生，另一方面，摩擦力的存在也可以將鋼絲承受的軸向應力向相鄰鋼絲傳遞，使鋼絲繩受到的軸向應力在鋼絲繩橫截面上趨于均勻。鋼絲繩的失效過程是從鋼絲表面在摩擦力作用下逐步發(fā)生塑性變形、加工硬化、劃傷、微動磨損和銹蝕開始的，通過對失效鋼絲繩拆股檢驗并對斷口進行分析，失效鋼絲繩內(nèi)部鋼絲表面均存在嚴重的磨損現(xiàn)象3。鋼絲繩在交變應力作用下發(fā)生的微動磨損

10、損傷有其特點。鋼絲繩的軸向與股的軸向成一定的角度（繩捻角）；股的軸向與鋼絲的軸向也成一定的角度（股捻角）；而對于線接觸股而言，相鄰層的鋼絲也成一定的角度（不同層的捻角不同）；對于阻旋轉(zhuǎn)多股鋼絲繩而言，相鄰層采用相反的繩捻向，除此之外還有同向捻和組合捻鋼絲繩（同心層股捻向不同）以及三捻鋼絲繩。股和繩的捻角是根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)選定的，繩捻角常用范圍是14°23°，股外層捻角9°18°，鋼絲繩內(nèi)部相鄰鋼絲的角度是多樣的，尤其是屬于不同股繩的相鄰鋼絲，某些情況下相鄰鋼絲的軸向是互相垂直或接近垂直的狀態(tài)。鋼絲繩使用過程中在卷筒上有時是多層纏繞的，鋼絲繩纏繞在卷筒

11、上受到拉應力或壓應力的作用，有時鋼絲繩橫斷面由圓形改變?yōu)闄E圓形，麻芯鋼絲繩尤其明顯，這種現(xiàn)象說明股發(fā)生了周向的微動。鋼絲繩結(jié)構(gòu)及使用過程中受力的復雜性使其微動狀況十分復雜，鋼絲繩內(nèi)部相互接觸的鋼絲是多角度的，微動方向包括鋼絲的軸向和周向、股的軸向和周向，其中周向微動也可視為扭動。微動造成的表面刮傷方向則與微動方向相同，鋼絲周向的表面刮傷在彎曲應力作用下，極有可能演變?yōu)槠谖⒘鸭y并沿鋼絲徑向擴展，從而降低鋼絲繩使用壽命，鋼絲表面周向的微動刮傷危害大于軸向的。對鋼絲繩進行疲勞試驗，在試驗輪處承受彎曲應力作用的鋼絲繩破壞程度遠大于未承受彎曲應力的部分（僅承受交變應力但未彎曲變形），而雙向彎曲部分破壞

12、程度大于單這一點能夠證明彎曲應力對鋼絲繩使向彎曲部分，用壽命的影響程度。鋼絲繩內(nèi)部鋼絲之間的微動危害是極其嚴重的，微動磨損和銹蝕在宏觀上直接導致該處鋼絲橫截面積的減小，造成應力集中的發(fā)生，促進疲勞微裂紋在鋼絲表面損傷和缺陷處的萌生2。巴發(fā)海等4通過掃描電鏡對鋼絲斷口形貌進行觀察，確認鋼絲繩斷絲的性質(zhì)為疲勞斷裂，斷裂源位于鋼絲表面的損傷處，斷絲表面存在較多磨損、擠壓剝落等缺陷，幾乎所有斷口附近的外表面都存在大量長度為微米和亞微米級、深淺不一的縱向損傷溝槽，而在平行于斷口的方向上則存在較多的橫向微裂紋，部分斷絲表面有腐蝕坑和泥漿狀花樣的腐蝕痕跡，嚴重磨損處的橫截面僅剩下原來的約60%，從斷面上的放

13、射條紋花樣可知鋼絲斷裂起源于磨損區(qū)域的表面，這都說明了鋼絲繩內(nèi)部鋼5絲表面磨損損傷與疲勞斷裂的關聯(lián)性。文獻介紹，通過微動試驗證明，鋼絲試樣的微動磨損導致其橫截面積損失及缺口處應力集中，從而降低鋼絲試樣的疲勞壽命。鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間的微動是維持鋼絲繩固有屬性的必要條件，因為鋼絲間微動的存在才使鋼絲繩具有非常良好的柔韌性及彈性彎曲變形能力等，鋼絲繩的微動不能通過技術措施予以去除，只能采取技術措施防范微動所帶來的危害26。延長鋼絲繩使用壽命技術措施原理分析鋼絲繩的失效過程是從鋼絲表面開始的，磨損發(fā)生在鋼絲表面，銹蝕也從鋼絲表面開始，疲勞微裂紋在鋼絲表面或次表面萌生然后向內(nèi)逐步擴展至鋼絲斷裂，因此，延長

14、鋼絲繩使用壽命的技術措施，必須能夠抑制鋼絲表面微動磨損損傷，防止腐蝕，減緩。微動磨損第6期崔影，等：鋼絲繩失效過程及延長其使用壽命原理分析·15·疲勞微裂紋的萌生與擴展。鋼絲繩結(jié)構(gòu)設計、生產(chǎn)過程控制和使用環(huán)節(jié)中，所有針對延長使用壽命的7技術措施均需以此為原則制定與實施。21抑制鋼絲表面微動磨損損傷的快速發(fā)生214增加鋼絲間接觸面積降低磨損速率通過鍛打、拉拔、輥壓等措施提高壓實類鋼絲繩，了鋼絲之間的接觸面積，在鋼絲間壓力一定的情況下降低了壓應力，從而降低磨損速率。鋼絲間接觸面積由大到小順序：壓實類鋼絲繩、線接觸鋼絲繩、點接觸鋼絲繩，使用壽命按以上順序逐漸降低。對股或繩的鍛打可

15、以達到對其表面機械強化的作用。215摩擦副硬度的匹配摩擦副的硬度對彼此的耐磨損性能有直接影響，如鋼絲繩內(nèi)部互相接觸的鋼絲之間，鋼絲繩外層鋼絲與接觸的滑輪卷筒之間等，它們的硬度應互相匹配。22221減緩疲勞斷裂萌生與擴展速率鋼材冶煉質(zhì)量211通過潤滑降低摩擦因數(shù)兩個互相接觸的物體間有相對滑動或滑動趨勢時，它們之間將產(chǎn)生摩擦力，摩擦是兩個接觸表面相互作用引起的滑動阻力和能量損耗，磨損是摩擦的結(jié)果。為了抑制鋼絲表面的磨損損傷必須先降低摩擦力，使用潤滑劑在摩擦副的相對運動表面形成潤滑膜防止運動表面直接接觸，這種方法是工程中最有效的減摩抗磨方法。潤滑是手段，抑制鋼絲表面磨損損傷是目的，涂敷潤滑脂兼具防止

16、鋼絲氧化的效果。為保證鋼絲之間的潤滑效果，潤滑脂在鋼絲全部表面上必須均勻分布，在捻股合攏點前噴涂潤滑脂是最合理的涂敷方式，捻股或合繩后的浸油方式會造成鋼絲繩內(nèi)的部分鋼絲表面不能被潤滑脂所浸潤，這是因為潤滑脂的黏度較大，不能迅速滲入鋼絲之間的間隙將內(nèi)部鋼絲全部表面予以浸潤。鋼絲表面之間不能形成有效的潤滑油膜時，摩擦增大并導致磨損顯著增加。潤滑脂的性能指標與溫度密切相關，應根據(jù)鋼絲繩使用環(huán)境的溫度區(qū)間選用抗微動磨損效果最佳的潤滑脂。鋼絲繩使用過程中的補充潤滑，潤滑脂成分與性能應該與初始潤滑脂相匹配。212提高鋼絲表面耐磨性對制繩鋼絲進行表面處理，提高鋼絲抗微動磨損損傷的能力。如磷化涂層鋼絲繩專利技

17、術，使用錳系或鋅錳系對鋼絲進行磷化，使鋼絲表面更加耐磨，并與潤滑脂共同作用降低摩擦因數(shù)，提高鋼絲抗銹蝕能力，一項措施同時達到減摩、抗磨和抗銹蝕效果，從而達到抑制微動磨損損傷并延長鋼絲繩使用8壽命的目的。213物理性隔離疲勞微裂紋一般在鋼絲表面損傷及鋼材缺陷處萌生，如鋼材基體與非金屬夾雜物兩相界面處，非金屬夾雜物誘發(fā)鋼中的疲勞裂紋有2個途徑：一是鋼在服役條件下夾雜物不能傳遞鋼基體中承受的應力，在夾雜物的周圍可達到臨界的峰值應力，夾雜物對裂紋的形成就有直接成核的效果；二是在對鋼材塑性變形加工期間，夾雜物具有的變形能力與鋼材不同，加工過程中在夾雜物與鋼材基體的界面上產(chǎn)9生微裂紋。選擇純凈度高的盤條為

18、原料，鋼材中非金屬夾雜物（尤其是脆性非金屬夾雜物）數(shù)量越少、粒度越小越好，這樣有利于提高鋼絲繩的耐疲勞性能，如切割鋼絲用盤條、鋼簾線用盤條，這2種盤條綜合質(zhì)量均優(yōu)于鋼絲繩企業(yè)普遍使用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼熱軋盤條。222熱處理金相組織制繩鋼絲最終熱處理后，理想的金相組織是索氏體，索氏體化率越高越好。裂紋總是出現(xiàn)在應力最大強度最低的部位，鋼材中的鐵素體強度低，鋼絲熱處理后存在網(wǎng)狀鐵素體組織時，疲勞微裂紋容易沿著網(wǎng)狀鐵素體擴展直至鋼絲斷裂，因此，最終熱處理后不能存在網(wǎng)狀鐵素體，同時要嚴格控制熱處理過程中鋼絲表面脫碳層的深度。223避免應力集中并減小彎曲應力疲勞微裂紋的萌生、擴展與受力有直接的因果關系，使用時

19、，鋼絲繩中的鋼絲要同時承受拉應力、鋼絲間的接觸應力及摩擦力、扭轉(zhuǎn)應力、圍繞滑輪彈性變形時的彎曲應力以及與滑輪間的摩擦力等，由于鋼絲繩結(jié)構(gòu)和使用工況的復雜多變以及受各類應力施加方式的影響，而且鋼絲繩在提升過程中是以一定速度運行的，很難將鋼絲繩內(nèi)部鋼絲任意一個將鋼鋼摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)殇撍苣Σ?，使磨損主要發(fā)生在塑料上，從而保護鋼絲表面不被磨損。涂塑鋼絲繩就是利用物理性隔離原理抑制微動磨損發(fā)生的，包括對鋼絲、鋼芯、股和鋼絲繩涂敷高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚酰胺等。使用高分子材料繩輪也可以降低鋼絲繩外表面的磨損。需要注意的是，涂塑層需要一定的厚度，即使僅對繩或股繩涂塑，整繩的破斷拉力也會大幅度降低（

20、與同直徑同結(jié)構(gòu)鋼絲繩對比），因而降低了其使用范圍。·16·金屬制品10第40卷質(zhì)點在一定狀態(tài)下的受力情況分析清楚，因此也不可能從理論上精確計算鋼絲繩內(nèi)部鋼絲的受力大小。但應力集中促進疲勞微裂紋的萌生與擴展，彎曲應力增大提高疲勞微裂紋向鋼絲徑向擴展的幾率和速率是確定的，避免應力集中和減小彎曲應力可以減緩疲勞斷裂萌生與擴展速率。鋼絲繩使用過程中不要過載，盡量降低鋼絲繩受到的沖擊載荷，增大鋼絲繩變形滑輪的直徑以減少鋼絲繩受到的彎曲應力，避免其他物體與鋼絲繩的非預期接觸摩擦等，均可以延長鋼絲繩使用壽命。224制繩鋼絲強度韌性的最佳組合鋼絲的抗拉強度、扭轉(zhuǎn)和彎曲等力學性能指標，是鋼絲

21、分別在拉應力、扭轉(zhuǎn)應力和彎曲應力作用下抵抗塑性變形直至發(fā)生斷裂能力的標定，試驗的破壞過程包括塑性變形、裂紋萌生和擴展直至相互連通而斷裂，強度、扭轉(zhuǎn)、彎曲指標越高，說明鋼絲在拉應力、扭轉(zhuǎn)應力、彎曲應力作用下抵抗裂紋萌生與擴展的能力越強。制繩用優(yōu)質(zhì)碳素鋼絲索氏體化后要經(jīng)過總壓縮率75%93%的冷拉以提高抗拉強度，并在鋼絲內(nèi)部形成變形織構(gòu)，因而鋼絲的力學性能存在嚴重的各向異性，強度隨著冷拉變形程度加大而升高，韌性隨之下降。鋼絲強度為一定級別時，扭轉(zhuǎn)和彎曲值越高，越有利于延長鋼絲繩使用壽命，因而針對不同使用要求的制繩鋼絲需要采用適宜的總壓縮率。225減小鋼絲繩殘余應力并穩(wěn)定鋼絲繩結(jié)構(gòu)在捻股合繩過程中，

22、鋼絲受到捻制應力的作用，捻制后鋼絲繩的殘余應力在使用過程中會與其他應力產(chǎn)生疊加效應，捻制過程中的張力控制，捻股后變形器，合繩預變形器、后變形器，以及預張拉技術的使用，可以保證捻制后鋼絲繩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而且有效減小捻制后的殘余應力，保證鋼絲繩在使用過程中受力趨于均勻。23防止腐蝕鋼絲鍍鋅、鍍鋅鋁合金是最常用的防腐方法，磷用復合材料技術提高繩芯使用壽命，如使用樹脂對纖維材料進行變性處理，或者使用鋼絲、纖維和高分子材料共同捻制復合材料繩芯等，一切纖維狀材料理論上均可以用于捻制繩芯，只要篩選出性能適宜且性價比高的品種即可。3結(jié)語微動疲勞和腐蝕疲勞是造成鋼絲繩失效的主要原因，微動疲勞是微動磨損與疲勞的復合

23、作用，腐蝕疲勞則是腐蝕與疲勞的復合作用，磨損與腐蝕的交替作用通常表現(xiàn)為彼此加速，應力集中促進疲勞裂紋的萌生與擴展，抑制微動磨損、防止腐蝕和應力集中的發(fā)生、減緩疲勞微裂紋的萌生與擴展是確定延長鋼絲繩使用壽命技術措施的基本準則。運用摩擦學原理與相關技術解決鋼絲繩內(nèi)部的磨損問題，是提高鋼絲繩使用壽命的一條新途徑，如對光面鋼絲進行耐磨磷化處理，以提高其耐磨損、耐腐蝕能力，復合材料可以彌補單一材料的性能缺點，使用復合材料制造鋼絲繩芯是未來技術發(fā)展的趨勢。參考文獻（eferences）1楊茂勝，陳躍良，郁大照，等微動疲勞研究的現(xiàn)狀與J強度與環(huán)境，2008（6）：4554展望YANGMao-sheng，CH

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25、hen，YINWan-quanBreakfailureanalysisofwireropeforportJMetalProducts，2008，34（2）：20254巴發(fā)海，李玲，陸洲港口橋吊用鋼絲繩斷絲原因分析J機械工程材料，2009，33（12）：9093BAFa-hai，LILing，LUZhouFracturewirescausea-nalysisofsteelwireropeforportmachineJMaterialsforMechanicalEngineering，2009，33（12）：90935張德坤，葛世榮鋼絲的微動磨損及其對疲勞斷裂行為J摩擦學學報，2004，24（4）

26、：356359的影響研究ZHANGDe-kun，GEShi-rongStudyonfrettingwearofwireropeandtheinfluenceonfatiguefracturebehaviorJTribology，2004，24（4）：3563596崔影起重鋼絲繩的微動疲勞C/全國金屬制品信化與涂敷潤滑脂也有一定的防氧化效果，涂塑可以將空氣與鋼絲進行物理隔絕，不銹鋼絲繩通過合金在鋼絲表面形成致密的氧化膜減緩進一步的腐蝕。24選擇高質(zhì)量繩芯用戶要求柔軟的鋼絲繩必須使用纖維繩芯，而黃麻繩芯易腐爛，劍麻難精密梳紡而存在麻紗疙瘩，合成材料的聚丙烯、聚乙烯儲油率低，繩芯的早期損壞會大幅度降

27、低鋼絲繩使用壽命。繩芯和鋼絲繩的使用壽命應該相匹配，可以使第6期崔影，等：鋼絲繩失效過程及延長其使用壽命原理分析JPortOperation，2014（1）：3032·17·息網(wǎng)全國金屬制品信息網(wǎng)第23屆年會暨2013金屬制品行業(yè)技術信息交流會論文集鄭州：全國金屬制2013：130135品信息網(wǎng)，CUIYingFrettingfatigueofhoistropeC/ChinaSteelWireProductsInfoASSNThe23thAnnualMeetingPa-persofChinaSteelWireProductsInfoASSNand2013Technology

28、InformationExchangeMeetingofSteelWireProductsIndustryZhengzhou：ChinaSteelWireProductsInfoASSN，2013：1301357崔影鋼絲繩失效機理分析及改進舉措J港口裝2012（4）：14卸，CUIYingAnalysisonwireropefailuremechanismanditsimprovementsJPortOperation，2012（4）：148崔影鋼絲繩磷化涂層技術J港口裝卸，2014（1）：3032CUIYingSteelwireropephosphatecoatingtechnology崔9張愛梅非金屬夾雜物對鋼性能的影響J物理測2006（4）：4244試，ZHANGAi-meiEffectofnon-metallicinclusiononprop-ertyofsteelJPhysicsExaminationandTesting，2006（4）：424410崔影，金屬劉艷，劉震鋼絲繩用復合材料繩芯J2009（4）：5254，57制品，CUIYing，LIUYan，LIUZhenCompositemat