钢丝绳失效过程及延长其使用寿命原理分析

1、December2014doi：103969/jissn10034226201406003钢丝绳失效过程及延长其使用寿命原理分析崔影，蒋雪江无锡214196）（无锡通用钢绳有限公司，江苏摘要微动疲劳和腐蚀疲劳是造成钢丝绳失效的主要原因。微动疲劳是微动磨损与疲劳的复合作用，腐蚀疲劳则是腐蚀与疲劳的复合作用，磨损与腐蚀的交替作用通常表现为彼此加速。应力集中促进疲劳裂纹的萌生与扩展。抑制微动磨损、防止腐蚀和应力集中的发生、减缓疲劳微裂纹的萌生与扩展是确定延长钢丝绳使用寿命技术措施的基本准则。对钢丝进行表面处理如耐磨磷化使制绳钢丝成为复合材料，使用复合材料制造钢丝绳芯将是金属制品行业的发展方向。关键词

2、钢丝绳；使用寿命；微动疲劳；微动磨损；表面处理；耐磨磷化TG3564+5中图分类号PrincipleanalysisofsteelwireropefailureprocessandextendservicelifeCUIYing，JIANGXue-jiang（WuxiUniversalSteelopeCo，Ltd，Wuxi214196，China）AbstractFrettingfatigueandcorrosionfatiquearemainreasontocausewireropefailureFrettingfatigueisthecom-poundeffectoffrettingwea

3、randfatigue，corrosionfatigueisthecompoundeffectofcorrosionandfatigue，alternatefunctionofwearandcorrosionusuallypresentedastheaccelerationofeachotherStressconcentrationpromotesinitiationandpropa-gationofthefatiguecrack，refrainfrettingwear，preventcorrosionandstressconcentration，slowdowntheinitiationan

4、dpropagationoffatiguemicro-crackisthebasicprincipletodeterminethetechnicalmeasurestoextendservicelifeofwireropeSteelwiresurfacetreatmentsuchaswear-resistantphosphatizingmakesthewirebecomecompositematerials，theuseofcompositematerialsformakingwireropecorewillbethedevelopmentdirectionofmetalproductsKey

5、wordssteelwirerope；servicelife；frettingfatigue；frettingwear；surfacetreatment；wear-resistantphosphatizing1钢丝绳的失效过程制绳受自身结构特点以及钢材物理特性的影响，钢丝受到轴向应力作用时发生弹性伸长变形，当钢丝绳内部相邻的任意两根钢丝变形不同步时，它们之间将发生相对滑动，这种相对滑动量一般在微米量级，称为微动，由微动引起的磨损称为微动磨损。疲劳是造成钢丝绳失效的另一个主要原因，钢丝在交变应力作用下，在钢丝表面或次表面的缺陷或损伤处萌生微裂纹，微裂纹逐渐扩展，直至发生疲劳断裂，应力集中促进钢丝

6、绳疲劳裂纹的萌生与扩展。生，磨损与腐蚀的交替作用通常表现为彼此加速，如对电梯钢丝绳做疲劳试验需714d时间，在对钢丝绳的拆股检验中，经常发现棕红色锈迹（Fe2O3），因为涂敷这是磨损与锈蚀同时发生的最有力证据，油脂的钢丝绳静置14d不会发生肉眼可以识别的明显锈蚀。微动疲劳是钢丝绳失效的主要原因，微动疲劳也可以视作微动磨损与疲劳共同作用的结果。腐蚀环境中使用的钢丝绳，如渔业捕捞用镀锌钢丝绳，海水中氯离子对镀锌层和钢丝基体的腐蚀钢丝绳内部钢丝表面的磨损与锈蚀往往共同发及疲劳的复合作用是造成钢丝绳失效的主要原因。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

7、櫘櫘2010（2）：2326J金属制品，HUZheng-zhongInitialfailurecauseanalysisandsettle-mentmeasuresofmulti-layerstrandswireropeJMetalProducts，2010（2）：2326（收稿日期：20140820）作者简介胡钦刚1971年生，工程师，宁夏新日恒力钢丝绳股份有限公司副总工程师。·14·金属制品第40卷对于普通的微动疲劳现象而言，微动损伤初期并无较长的裂纹，表面划伤的划痕方向与微动方向平行，而微动疲劳裂纹产生的断裂方向应与微动方向垂直，因而表面划伤不能导致破坏性的裂纹产生。

8、在脱层阶段的早期不会产生扩展性的微裂纹，因为在这个时期磨损材料少，所形成的磨蚀坑的尺寸不大，这样裂纹的扩展动力很小，不足以向内扩张。随着脱层阶段的延续，脱层材料不断增多并氧化，磨蚀坑的尺寸也在增大，蚀坑底部受硬质氧化磨屑的反复碾磨会变得低洼不平并产生较大的塑性变形，由此产生较大的应力集中，导致疲劳裂纹在坑底部萌生1产生磨屑过程中，尽管其磨损机制十分复杂，但有一点是确定无疑的，磨屑脱离基体过程中，必然要经历裂纹萌生与扩展至连通导致脱落的过程，产生磨屑过程中形成的微裂纹即微凸体被撕裂脱离钢丝基体过程中的微裂纹，在弯曲应力作用下，可能演变为疲劳微裂纹，这种可能性随着钢丝表面磨损量的加大而升高，这是微

9、动在微观上形成的危害，钢丝绳使用过程中受到的弯曲应力越大，演变成疲劳微裂纹的几率越大，并向钢丝径向扩展的速率越高。钢丝绳内部钢丝之间摩擦力的存在，一方面造成了钢丝表面微动损伤的发生，另一方面，摩擦力的存在也可以将钢丝承受的轴向应力向相邻钢丝传递，使钢丝绳受到的轴向应力在钢丝绳横截面上趋于均匀。钢丝绳的失效过程是从钢丝表面在摩擦力作用下逐步发生塑性变形、加工硬化、划伤、微动磨损和锈蚀开始的，通过对失效钢丝绳拆股检验并对断口进行分析，失效钢丝绳内部钢丝表面均存在严重的磨损现象3。钢丝绳在交变应力作用下发生的微动磨损损伤有其特点。钢丝绳的轴向与股的轴向成一定的角度（绳捻角）；股的轴向与钢丝的轴向也成

10、一定的角度（股捻角）；而对于线接触股而言，相邻层的钢丝也成一定的角度（不同层的捻角不同）；对于阻旋转多股钢丝绳而言，相邻层采用相反的绳捻向，除此之外还有同向捻和组合捻钢丝绳（同心层股捻向不同）以及三捻钢丝绳。股和绳的捻角是根据需要在一定范围内选定的，绳捻角常用范围是14°23°，股外层捻角9°18°，钢丝绳内部相邻钢丝的角度是多样的，尤其是属于不同股绳的相邻钢丝，某些情况下相邻钢丝的轴向是互相垂直或接近垂直的状态。钢丝绳使用过程中在卷筒上有时是多层缠绕的，钢丝绳缠绕在卷筒上受到拉应力或压应力的作用，有时钢丝绳横断面由圆形改变为椭圆形，麻芯钢丝绳尤其明显，

11、这种现象说明股发生了周向的微动。钢丝绳结构及使用过程中受力的复杂性使其微动状况十分复杂，钢丝绳内部相互接触的钢丝是多角度的，微动方向包括钢丝的轴向和周向、股的轴向和周向，其中周向微动也可视为扭动。微动造成的表面刮伤方向则与微动方向相同，钢丝周向的表面刮伤在弯曲应力作用下，极有可能演变为疲劳微裂纹并沿钢丝径向扩展，从而降低钢丝绳使用寿命，钢丝表面周向的微动刮伤危害大于轴向的。对钢丝绳进行疲劳试验，在试验轮处承受弯曲应力作用的钢丝绳破坏程度远大于未承受弯曲应力的部分（仅承受交变应力但未弯曲变形），而双向弯曲部分破坏程度大于单这一点能够证明弯曲应力对钢丝绳使向弯曲部分，用寿命的影响程度。钢丝绳内部钢

12、丝之间的微动危害是极其严重的，微动磨损和锈蚀在宏观上直接导致该处钢丝横截面积的减小，造成应力集中的发生，促进疲劳微裂纹在钢丝表面损伤和缺陷处的萌生2。巴发海等4通过扫描电镜对钢丝断口形貌进行观察，确认钢丝绳断丝的性质为疲劳断裂，断裂源位于钢丝表面的损伤处，断丝表面存在较多磨损、挤压剥落等缺陷，几乎所有断口附近的外表面都存在大量长度为微米和亚微米级、深浅不一的纵向损伤沟槽，而在平行于断口的方向上则存在较多的横向微裂纹，部分断丝表面有腐蚀坑和泥浆状花样的腐蚀痕迹，严重磨损处的横截面仅剩下原来的约60%，从断面上的放射条纹花样可知钢丝断裂起源于磨损区域的表面，这都说明了钢丝绳内部钢5丝表面磨损损伤与

13、疲劳断裂的关联性。文献介绍，通过微动试验证明，钢丝试样的微动磨损导致其横截面积损失及缺口处应力集中，从而降低钢丝试样的疲劳寿命。钢丝绳内部钢丝间的微动是维持钢丝绳固有属性的必要条件，因为钢丝间微动的存在才使钢丝绳具有非常良好的柔韧性及弹性弯曲变形能力等，钢丝绳的微动不能通过技术措施予以去除，只能采取技术措施防范微动所带来的危害26。延长钢丝绳使用寿命技术措施原理分析钢丝绳的失效过程是从钢丝表面开始的，磨损发生在钢丝表面，锈蚀也从钢丝表面开始，疲劳微裂纹在钢丝表面或次表面萌生然后向内逐步扩展至钢丝断裂，因此，延长钢丝绳使用寿命的技术措施，必须能够抑制钢丝表面微动磨损损伤，防止腐蚀，减缓。微动磨损

14、第6期崔影，等：钢丝绳失效过程及延长其使用寿命原理分析·15·疲劳微裂纹的萌生与扩展。钢丝绳结构设计、生产过程控制和使用环节中，所有针对延长使用寿命的7技术措施均需以此为原则制定与实施。21抑制钢丝表面微动磨损损伤的快速发生214增加钢丝间接触面积降低磨损速率通过锻打、拉拔、辊压等措施提高压实类钢丝绳，了钢丝之间的接触面积，在钢丝间压力一定的情况下降低了压应力，从而降低磨损速率。钢丝间接触面积由大到小顺序：压实类钢丝绳、线接触钢丝绳、点接触钢丝绳，使用寿命按以上顺序逐渐降低。对股或绳的锻打可以达到对其表面机械强化的作用。215摩擦副硬度的匹配摩擦副的硬度对彼此的耐磨损性能有

15、直接影响，如钢丝绳内部互相接触的钢丝之间，钢丝绳外层钢丝与接触的滑轮卷筒之间等，它们的硬度应互相匹配。22221减缓疲劳断裂萌生与扩展速率钢材冶炼质量211通过润滑降低摩擦因数两个互相接触的物体间有相对滑动或滑动趋势时，它们之间将产生摩擦力，摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗，磨损是摩擦的结果。为了抑制钢丝表面的磨损损伤必须先降低摩擦力，使用润滑剂在摩擦副的相对运动表面形成润滑膜防止运动表面直接接触，这种方法是工程中最有效的减摩抗磨方法。润滑是手段，抑制钢丝表面磨损损伤是目的，涂敷润滑脂兼具防止钢丝氧化的效果。为保证钢丝之间的润滑效果，润滑脂在钢丝全部表面上必须均匀分布，在捻股

16、合拢点前喷涂润滑脂是最合理的涂敷方式，捻股或合绳后的浸油方式会造成钢丝绳内的部分钢丝表面不能被润滑脂所浸润，这是因为润滑脂的黏度较大，不能迅速渗入钢丝之间的间隙将内部钢丝全部表面予以浸润。钢丝表面之间不能形成有效的润滑油膜时，摩擦增大并导致磨损显著增加。润滑脂的性能指标与温度密切相关，应根据钢丝绳使用环境的温度区间选用抗微动磨损效果最佳的润滑脂。钢丝绳使用过程中的补充润滑，润滑脂成分与性能应该与初始润滑脂相匹配。212提高钢丝表面耐磨性对制绳钢丝进行表面处理，提高钢丝抗微动磨损损伤的能力。如磷化涂层钢丝绳专利技术，使用锰系或锌锰系对钢丝进行磷化，使钢丝表面更加耐磨，并与润滑脂共同作用降低摩擦因

17、数，提高钢丝抗锈蚀能力，一项措施同时达到减摩、抗磨和抗锈蚀效果，从而达到抑制微动磨损损伤并延长钢丝绳使用8寿命的目的。213物理性隔离疲劳微裂纹一般在钢丝表面损伤及钢材缺陷处萌生，如钢材基体与非金属夹杂物两相界面处，非金属夹杂物诱发钢中的疲劳裂纹有2个途径：一是钢在服役条件下夹杂物不能传递钢基体中承受的应力，在夹杂物的周围可达到临界的峰值应力，夹杂物对裂纹的形成就有直接成核的效果；二是在对钢材塑性变形加工期间，夹杂物具有的变形能力与钢材不同，加工过程中在夹杂物与钢材基体的界面上产9生微裂纹。选择纯净度高的盘条为原料，钢材中非金属夹杂物（尤其是脆性非金属夹杂物）数量越少、粒度越小越好，这样有利于

18、提高钢丝绳的耐疲劳性能，如切割钢丝用盘条、钢帘线用盘条，这2种盘条综合质量均优于钢丝绳企业普遍使用的优质碳素钢热轧盘条。222热处理金相组织制绳钢丝最终热处理后，理想的金相组织是索氏体，索氏体化率越高越好。裂纹总是出现在应力最大强度最低的部位，钢材中的铁素体强度低，钢丝热处理后存在网状铁素体组织时，疲劳微裂纹容易沿着网状铁素体扩展直至钢丝断裂，因此，最终热处理后不能存在网状铁素体，同时要严格控制热处理过程中钢丝表面脱碳层的深度。223避免应力集中并减小弯曲应力疲劳微裂纹的萌生、扩展与受力有直接的因果关系，使用时，钢丝绳中的钢丝要同时承受拉应力、钢丝间的接触应力及摩擦力、扭转应力、围绕滑轮弹性变

19、形时的弯曲应力以及与滑轮间的摩擦力等，由于钢丝绳结构和使用工况的复杂多变以及受各类应力施加方式的影响，而且钢丝绳在提升过程中是以一定速度运行的，很难将钢丝绳内部钢丝任意一个将钢钢摩擦转变为钢塑摩擦，使磨损主要发生在塑料上，从而保护钢丝表面不被磨损。涂塑钢丝绳就是利用物理性隔离原理抑制微动磨损发生的，包括对钢丝、钢芯、股和钢丝绳涂敷高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚酰胺等。使用高分子材料绳轮也可以降低钢丝绳外表面的磨损。需要注意的是，涂塑层需要一定的厚度，即使仅对绳或股绳涂塑，整绳的破断拉力也会大幅度降低（与同直径同结构钢丝绳对比），因而降低了其使用范围。·16·金属制

20、品10第40卷质点在一定状态下的受力情况分析清楚，因此也不可能从理论上精确计算钢丝绳内部钢丝的受力大小。但应力集中促进疲劳微裂纹的萌生与扩展，弯曲应力增大提高疲劳微裂纹向钢丝径向扩展的几率和速率是确定的，避免应力集中和减小弯曲应力可以减缓疲劳断裂萌生与扩展速率。钢丝绳使用过程中不要过载，尽量降低钢丝绳受到的冲击载荷，增大钢丝绳变形滑轮的直径以减少钢丝绳受到的弯曲应力，避免其他物体与钢丝绳的非预期接触摩擦等，均可以延长钢丝绳使用寿命。224制绳钢丝强度韧性的最佳组合钢丝的抗拉强度、扭转和弯曲等力学性能指标，是钢丝分别在拉应力、扭转应力和弯曲应力作用下抵抗塑性变形直至发生断裂能力的标定，试验的破坏

21、过程包括塑性变形、裂纹萌生和扩展直至相互连通而断裂，强度、扭转、弯曲指标越高，说明钢丝在拉应力、扭转应力、弯曲应力作用下抵抗裂纹萌生与扩展的能力越强。制绳用优质碳素钢丝索氏体化后要经过总压缩率75%93%的冷拉以提高抗拉强度，并在钢丝内部形成变形织构，因而钢丝的力学性能存在严重的各向异性，强度随着冷拉变形程度加大而升高，韧性随之下降。钢丝强度为一定级别时，扭转和弯曲值越高，越有利于延长钢丝绳使用寿命，因而针对不同使用要求的制绳钢丝需要采用适宜的总压缩率。225减小钢丝绳残余应力并稳定钢丝绳结构在捻股合绳过程中，钢丝受到捻制应力的作用，捻制后钢丝绳的残余应力在使用过程中会与其他应力产生叠加效应，

22、捻制过程中的张力控制，捻股后变形器，合绳预变形器、后变形器，以及预张拉技术的使用，可以保证捻制后钢丝绳结构的稳定，而且有效减小捻制后的残余应力，保证钢丝绳在使用过程中受力趋于均匀。23防止腐蚀钢丝镀锌、镀锌铝合金是最常用的防腐方法，磷用复合材料技术提高绳芯使用寿命，如使用树脂对纤维材料进行变性处理，或者使用钢丝、纤维和高分子材料共同捻制复合材料绳芯等，一切纤维状材料理论上均可以用于捻制绳芯，只要筛选出性能适宜且性价比高的品种即可。3结语微动疲劳和腐蚀疲劳是造成钢丝绳失效的主要原因，微动疲劳是微动磨损与疲劳的复合作用，腐蚀疲劳则是腐蚀与疲劳的复合作用，磨损与腐蚀的交替作用通常表现为彼此加速，应力

23、集中促进疲劳裂纹的萌生与扩展，抑制微动磨损、防止腐蚀和应力集中的发生、减缓疲劳微裂纹的萌生与扩展是确定延长钢丝绳使用寿命技术措施的基本准则。运用摩擦学原理与相关技术解决钢丝绳内部的磨损问题，是提高钢丝绳使用寿命的一条新途径，如对光面钢丝进行耐磨磷化处理，以提高其耐磨损、耐腐蚀能力，复合材料可以弥补单一材料的性能缺点，使用复合材料制造钢丝绳芯是未来技术发展的趋势。参考文献（eferences）1杨茂胜，陈跃良，郁大照，等微动疲劳研究的现状与J强度与环境，2008（6）：4554展望YANGMao-sheng，CHENYue-liang，YUDa-zhao，etalSeveralkeyproble

24、msinstudyingonfrettingfatigueJStructureEnvironmentEngineering，2008（6）：45542崔影润滑对钢丝绳使用寿命的影响机制J金属制2013（1）：6062，66品，CUIYingInfluencemechanismoflubricationonwireropelifetimeJMetalProducts，2013（1）：6062，663尹涛，吕英臣，尹万全港口用钢丝绳断裂失效分析J金属制品，2008，34（2）：2025YINTao，L Ying-chen，YINWan-quanBreakfailureanalysisofwirer

25、opeforportJMetalProducts，2008，34（2）：20254巴发海，李玲，陆洲港口桥吊用钢丝绳断丝原因分析J机械工程材料，2009，33（12）：9093BAFa-hai，LILing，LUZhouFracturewirescausea-nalysisofsteelwireropeforportmachineJMaterialsforMechanicalEngineering，2009，33（12）：90935张德坤，葛世荣钢丝的微动磨损及其对疲劳断裂行为J摩擦学学报，2004，24（4）：356359的影响研究ZHANGDe-kun，GEShi-rongStudyonf

26、rettingwearofwireropeandtheinfluenceonfatiguefracturebehaviorJTribology，2004，24（4）：3563596崔影起重钢丝绳的微动疲劳C/全国金属制品信化与涂敷润滑脂也有一定的防氧化效果，涂塑可以将空气与钢丝进行物理隔绝，不锈钢丝绳通过合金在钢丝表面形成致密的氧化膜减缓进一步的腐蚀。24选择高质量绳芯用户要求柔软的钢丝绳必须使用纤维绳芯，而黄麻绳芯易腐烂，剑麻难精密梳纺而存在麻纱疙瘩，合成材料的聚丙烯、聚乙烯储油率低，绳芯的早期损坏会大幅度降低钢丝绳使用寿命。绳芯和钢丝绳的使用寿命应该相匹配，可以使第6期崔影，等：钢丝绳失效

27、过程及延长其使用寿命原理分析JPortOperation，2014（1）：3032·17·息网全国金属制品信息网第23届年会暨2013金属制品行业技术信息交流会论文集郑州：全国金属制2013：130135品信息网，CUIYingFrettingfatigueofhoistropeC/ChinaSteelWireProductsInfoASSNThe23thAnnualMeetingPa-persofChinaSteelWireProductsInfoASSNand2013TechnologyInformationExchangeMeetingofSteelWireProdu

28、ctsIndustryZhengzhou：ChinaSteelWireProductsInfoASSN，2013：1301357崔影钢丝绳失效机理分析及改进举措J港口装2012（4）：14卸，CUIYingAnalysisonwireropefailuremechanismanditsimprovementsJPortOperation，2012（4）：148崔影钢丝绳磷化涂层技术J港口装卸，2014（1）：3032CUIYingSteelwireropephosphatecoatingtechnology崔9张爱梅非金属夹杂物对钢性能的影响J物理测2006（4）：4244试，ZHANGAi-meiEffectofnon-metallicinclusiononprop-ertyofsteelJPhysicsExaminationandTesting，2006（4）：424410崔影，金属刘艳，刘震钢丝绳用复合材料绳芯J2009（4）：5254，57制品，CUIYing，LIUYan，LIUZhenCompositemateria