失效分析 | 钢丝绳断裂的根本原因

钢丝绳的历史可以追溯到 1836 年 Wilhelm Albert 的工程创新。从那时起，钢丝绳 的应用开始 扩大， 并 深刻影响了各个工业 领域 ，包括负载提升、悬索桥、电梯和海洋应用。

钢丝绳具有卓越的机械性能， 可以 承受显著轴向载荷的能力、扭转刚度和弯曲柔韧性。与实心钢丝绳不同，钢丝绳由多个 独立 元件组成，因此具有不会突然发生灾难性故障的优势，即使在 部分 组件破损的情况下，也可以继续 工作 。这种弹性对于确保钢丝绳的耐用性至关重要，使它们能够承受局部损坏，例如断丝或断股。

尽管钢丝绳具有多种优点，但它们 的 使用寿命有限。这些绳索承受着很大的机械载荷，这可能导致局部变形。此外，钢丝的腐蚀和应力腐蚀开裂等环境因素进一步促进了钢丝的 断裂 。

钢丝断裂的问题由来已久，科研和工程人员针对此问题做了大量工作 。 Tijani 等对人为损伤的钢绞线和因腐蚀而损坏的钢绞线进行了比较分析。 Mouhib 人为地损坏了不同长度的绳索 ， 并 进行了实验研究。 Meksem 等关注钢丝绳的可靠性，而 Boudral 等研究了外线和芯线的强度。 Meknassi 等专门研究了金属丝外壳中的腐蚀。 Majid Azimi 等利用虚拟裂纹闭合技术（ VCCT ）对特殊裂纹搭接球试样进行破坏研究 。

钢丝绳由于其卓越的柔韧性和承受载荷的能力 应用在 各种 领域 ， 有 两个值得注意的工业 领域： 包括采矿作业和电梯系统。这些绳索 由捻成股的单根钢丝 组成，这些钢丝进一步捻在一起形成最终的绳索配置。 芯、股和线 构成了钢丝绳的三个主要元素。螺旋绞线由围绕笔直的中心芯线以螺旋状连续层排列的导线组成。相比之下， 钢丝绳通常由六股螺旋状铺设在中心芯上 。

钢丝绳的排列方式复杂，钢丝以特定方式扭曲以获得轴向强度和刚度，同时在弯曲过程中保持柔韧性。钢丝的坚固性是通过利用具有 高碳含量和精细 显微 结构的普通碳钢 来实现的。随后 , 这种金属线在生产过程中经历了一系列的热处理和冷加工 , 包括连续拉丝等工序。固有 的 制造缺陷（如搭接、脱碳和夹杂物）的存在可能会与操作条件相互作用 ， 这种相互作用会影响正在进行的 断裂 过程，并最终导致 失效 。由于钢丝表面形成硬化相， 疲劳可能是绳丝失效的主要原因 。

导致 断裂 的其他因素包括 弯曲应力、磨损、腐蚀、摩擦磨损和过度力 。各种 断裂 模式发生的速率在很大程度上取决于具体应用。影响这种退化的几个条件包括运行参数 , 如速度和负载、绳索类型、滑轮尺寸 ( 直径 ) 、沟槽类型和宽度 , 以及维护实践 , 如重新润滑和滑轮维护的频率。

在 案例 中，采用 6X17Seale 型钢丝绳，旨在承受高达 10 吨的负载，用于提升货物。通常，这种类型的钢丝绳用于使用重约 5-40 公斤的手动齿轮小车提升重达 50 吨的材料。令人惊讶的是，钢丝绳在使用 1 年后承受 3 吨的负载时失效。

本文利用案例研究方法深入研究了导致绳索过早失效的因素。

使用直读光谱仪（ OES ）分析钢丝绳的化学成分。通过各种 研究 方法 进行 钢丝绳失效分析， 主要 包括目视检查、断口分析、光镜、 SEM/EDX 分析和硬度测试。有缺陷的 样品来自工作 现场，以便进行彻底检查。

备注： 常见的钢丝绳材料包括高碳钢（碳含量通常在 0.7%~0.95% 之间） ， 合金钢（如锰钢、硅锰钢等）。

f) 贝氏体（ Bainite ）：在珠光体和马氏体转变温度之间形成的组织 ， 在普通碳钢中较少见，更多出现在某些合金钢或经过特殊热处理的钢中 。

图 1 显示了 断裂 的钢丝绳。 本 钢丝绳由几股股线组成，这些股线围绕钢芯呈螺旋状排列。绞线的直径约为 0.5 毫米。绳子在一个地方断裂，每根线看起来都像是 斧头 被砍断了。 在断裂的侧面 也可以看到润滑剂沉积物，以及似乎被锁定的 部分 曲线 区域 。看来绳子在故障中跳了一个滑轮。

2 断 口 分析

图 2 显示了典型的 钢丝断裂形貌特征。

图 2 （ a ） 钢丝绳 断口形貌 。（ b-f ） 断口 同时出脆性和延展性区域，表明疲劳失效。这些区域被放大以揭示微裂纹和其他特征。

图 2 （ g-h ） 断口 表现出疲劳裂纹，从其表面的各个点传播，最终以延展性方式失效。此外， 可以看见断面传播 的径向裂纹。（ i ， j ）显示线径大部分的疲劳失效，其余部分由于剪切力而失效。显示 钢丝 中的塑性变形和金属因磨损而去除的情况 。

观察到 断口的 裂纹在整个面出现，导致疲劳失效，然后是延展性失效。带有海滩 形状 的 光滑表面表示疲劳失效区域，而不平坦区域表示延展性失效 。

韧性裂缝表现出崎岖的轮廓或表现出杯锥状破坏 状态 ，而脆性裂缝则表现出光滑、尖锐的表面，可以反射光线。因此，在图像中可以明显识别延性和脆性断裂特性。

裂纹起源于凹槽。海滩痕迹和最终的断裂清晰可见，证实了疲劳断裂。脆性和延展性失效的区域由标记的箭头清楚地表示。

在某些情况下，疲劳失效会显著延伸到 钢丝 的直径上，其余部分由于剪切力而失效。此外，观察到的塑性变形很小，并且由于一侧的磨损导致金属脱落。

2 断口抛光截面 分析

通过切割和制备 钢丝 样品，冷镶嵌然后进行抛光，随后使用光 镜 和 SEM-EDS 在蚀刻和未蚀刻状态下进行分析。 显微 结构分析揭示了整个样品的 回火马氏体 / 下贝氏体 。此外，在表面上观察到脱碳区域和 镀 锌层。使用 EDS 验证锌的存在。