钢丝绳残余应力检测及分析

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｙｕｓｉｎｇＰｒｏｔｏＬＸＲＤｍｉｃｒｏｚｏｎｅＸｒａｙｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｍｅｔｅｒｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅａｘｉａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄ ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓｏｆｔｈｅｏｕｔｅｒｓｔｅｅｌｗｉｒｅｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ０．５ｍｍ ｉｎｗｉｒｅｒｏｐｅ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｄｉａ ａｎｄａｇｉｎｇｔｉｍｅａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｗｉｒｅｒｏｐｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｗｉｒｅｒｏｐｅ ａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｕｒｉｎｇｄｒａｗｉｎｇａｎｄｔｗｉｓｔｉｎｇｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅｒｏｐｅａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅｒｏｐｅａｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｒｏｐｅ；ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；Ｘｒａｙ；ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｄｉａ
１ 残余应力产生机理及影响 １．１ 钢丝绳内部的残余应力
制绳钢丝在拉拔过程中，盘条经过多个道次的 拉拔减径，获得直径、抗拉强度、扭转次数等性能指 标满足设计要求的制绳钢丝。
钢丝拉拔受力示意图如图 １所示。钢丝需要承 受拉力 Ｆ１、拉丝模压力 Ｎ和摩擦力 Ｆ２，摩擦力方向 与钢丝拉拔方向相反，且摩擦力由钢丝表面沿径向 逐渐减小。在拉力、拉丝模压力和摩擦力的共同作
钢丝绳在拉拔和捻制过程中不可避免地产生残 余应力，残余应力的大小对钢丝绳的拉伸、扭转、弯 曲等力学性能 和 使 用 性 能 均 有 重 要 的 影 响 ［１－５］，通 过对钢丝绳残余应力进行检测分析，获得钢丝绳内 部残余应力分布情况，对于提高钢丝绳的力学性能 及使用寿命具有非常重要的意义。
用下，钢丝内部的金属变形速率由心部至表面逐渐 减小 ［６－７］，由于钢 丝 表 面 和 心 部 的 金 属 沿 轴 向 的 变 形速率不同，在钢丝内部的不同区域产生轴向的残 余拉应力和残余压应力，二者在钢丝内部保持平衡。
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅ
ＳｕｎＷｅｎ１，ＳｕｎＪｉｅ１，ＺｈｕＷｅｉｊｕｎ２，ＬｉｕＬｉｈｕａ２
（１．ＪｉａｎｇｓｕＦａｓｔｅｎＭａｔｅｒｉａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｇｙｉｎ２１４４４６，Ｃｈｉｎａ； ２．ＦａｓｔｅｎＨｏｐｅｓｕｎＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｎｇｙｉｎ２１４４３１，Ｃｈｉｎａ）
摘要：通过使用微区 Ｘ射线残余应力仪 Ｐｒｏｔｏ－ＬＸＲＤ对钢丝绳中直径 ０．５ｍｍ的外层钢丝表面和不同深度的轴向 残余应力检测，分析不同等温介质和常温时效时间对钢丝残余应力的影响及钢丝绳内残余应力的分布情况，阐述 钢丝绳拉拔和捻制过程中影响残余应力的因素以及残余应力对钢丝绳性能的影响。 关键词：钢丝绳；残余应力；Ｘ射线；等温介质。 中图分类号：ＴＧ３５６．４＋５ 文献标识码：Ａ
第 ４５卷
加而逐渐增加。在制绳钢丝的拉拔过程中，钢丝内 的残余应力沿着径向产生差异，在钢丝捻股及合绳 过程中通过预变形器、压模和后变形器时产生扭转 和弯曲的组合变形，钢丝内的残余应力又产生了轴 向和周向的差异。在钢丝绳的结构形式中，每根钢 丝既有沿着股中心丝的扭转和弯曲，也有整股钢丝 沿着钢丝绳中心股的扭转和弯曲，这些都增加了钢 丝绳内部残余应力的复杂程度。 １．２ 残余应力对钢丝绳性能的影响
第４５卷 第１期 Ｖｏｌ４５ Ｎｏ１
金 属 制 品 Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－４２２６．２０１９．０１．０１３
钢丝绳残余应力检测及分析
２０１９年 ２月 Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１９
孙 文１， 孙 杰１， 朱维军２， 刘礼华２
（１．江苏法尔胜材料分析测试有限公司， 江苏 江阴 ２１４４４６； ２．法尔胜泓癉集团有限公司， 江苏 江阴 ２１４４３１）
图 １ 钢丝拉拔受力示意图 Ｆｉｇ．１ Ｄｒａｗｉｎｇｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍ ｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅ
制绳钢丝通常要经过多个道次的拉拔，钢丝沿 径向不同区域的轴wk.baidu.com残余应力的差异随着道次的增
资助：江苏省创新能力建设计划（科技设施类）———企业重点实验（ＢＭ２０１６０２３）
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金 属 制 品
钢丝绳的性能不仅取决于盘条的化学成分、金 相组织和力学性能、制绳钢丝的拉拔过程和捻制过 程及工艺参数，钢丝的残余应力及分布也是重要的 影响因素。
由于生产工艺因素，组成钢丝绳的每根钢丝在制 绳过程中不可避免地产生残余应力，残余应力对钢丝 的拉伸性能、扭转性能、疲劳性能和耐腐蚀性能［８］都 有不同程度的影响。拉拔后的钢丝轴向残余应力一 般为表面受拉、心部受压状态，残余应力的存在一般 不影响抗拉强度，但会导致断裂延伸率和屈服强度的 降低。随着轴向残余拉应力的增加，钢丝在扭转过程 中处于扭转和拉伸的复杂应力状态下，因此萌生裂纹 的概率增加，降低钢丝扭转性能。钢丝表面的残余拉 应力会在一定程度上降低疲劳寿命，而残余压应力可 提高钢丝及钢丝绳的疲劳寿命［９］。当钢丝表面存在 残余拉应力且处于腐蚀性环境时，应力腐蚀的作用将 迅速降低钢丝的性能。钢丝绳内部的钢丝处于扭转 和弯曲的组合状态下，残余拉应力加上钢丝绳结构形 式［１０］的共同作用影响钢丝绳的性能。
表 １ 钢丝绳不同生产工艺及常温时效时间 Ｔａｂｌｅ１ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅａｎｄ
ｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｒｅａｔｕｒｅａｇｉｎｇｔｉｍｅ
编号 １＃
制绳钢丝拉拔前淬火介质 常温时效 ／月
铅浴
１
２＃
水浴
１
３＃
铅浴
１５
在钢丝绳表面轴向残余应力的检测过程中，为 了减少检测点位置对检测结果的影响，分别在 ３个 样品的轴向选取 ３个截面，每个截面取周向均匀分 布 ６个点的轴向残余应力，检测点的周向分布示意 图如图 ２所示。