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硕士学位论文大应变冷拉拔珠光体钢丝的力学性能与微观组织 摘要 随着钢丝拉拔技术的进步，钢丝强度的提高主要通过加大拉丝速度来实现。应此， 现代钢丝生产主要是一个高速大应变的塑性变形问题。因此对高速大应变工业生产条件 下高碳珠光体钢丝拉拔形变过程进行考察，研究高碳钢丝的组织演变和性能变化就显得 尤为重要。 本文研究了7 0 # 钢丝从中5 5 m m 冷拉拔至1 8 m m 左右的变形过程，结果表明：钢 丝的抗拉强度与显微硬度均随随拉拔应变量增大而增大，且当应变量较大时，强度增长 速度略快于应变量较小阶段，经拉拔后，横截面上的显微硬度略大于纵截面。金相观察 显示，7 0 # 钢钢丝经冷拉拔形变后，随着应变量的增大钢丝横截面上晶粒逐渐细化，而 在纵截面上晶粒被拉长直至呈纤维状。s e m 与t e m 对钢丝微观组织观察显示，随着应 变量的增大，钢丝组织中珠光体平均片层间距逐步减小，并逐渐向拉丝轴平行的方向上 调整；铁素体片层中，位错密度显著增大。 钢丝经2 0 0 以下退火3 0 m i n ，组织缺陷减少，但钢丝性能保持稳定，这是因为渗 碳体分解造成的强化作用。在更高温度下退火，高强度渗碳体片层发生球化，铁素体片 层中位错密度进一步降低，造成钢丝强度下降。 关键词：钢丝，拉拔变形，珠光体 a b s t r a c t硕上学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t e e lw i r ed r a w i n gt e c h n o l o g y , a c c e l e r a t i n gd r a w i n gs p e e di s u s e da st h em a i nm e t h o dt os t r e n g t h e nt h es t e e lw i r e t h em a n u f a c t u r eo fs t e e lw i r en o w a d a y s m a i n l ya d o p t st h ep r o c e s so fh i g hs p e e ds e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，i ti so fe q u a l i m p o r t a n c et oi n v e s t i g a t et h ed e t a i l so fh i g h - c a r b o np e a r l i t es t e a ld r a w i n gw i t hh i g hs p e e d s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，a sw e l la st h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dp r o p e r t i e st r a n s f o r mo f h i g h - c a r b o ns t e e lw i r e i nt h i sp a p e r , d e f o r m a t i o np r o c e s so f7 0 群s t e e lw i r e ，d r a w nf r o m0 5 5 m mt o0 1 8 m m ， w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt e n s i l es t r e n g t ha n dm i c r o - h a r d n e s so fs t e e lw i r ew e r e i m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s eo fd r a w i n gs t r a i n i na d d i t i o n ，r a t eo fs t r e n g t hi n c r e a s ew a s al i t t l e f a s t e rw h e nt h ed r a w i n gs t r a i na c c r e t e d f i n a l l y , a f t e rd r a w i n g ，t h em i c r o - h a r d n e s so fc r o s s s e c t i o nw a s h i g h e rt h a nt h a to f p r o f i l es e c t i o na p p r e c i a b l y o ma n a l y s i si n d i c a t e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n ，g r a i n sw e r eg r a d u a l l yr e f i n e do n t h ec r o s ss e c t i o n ，w h i l et h o s eo nt h ep r o f i l es e c t i o nw e r ee l o n g a t e dt of i b r o u sm o r p h o l o g y ； s e ma n dt e mm i c r o g r a p h ss h o w e dt h a ta sd r a w i n gs t r a i ni n c r e a s e d ，t h ea v e r a g ep e a r l i t e i n t e r l a m i n a rs p a c i n gd e c r e a s e d ，a n di tg r a d u a l l ym o d i f i e dt ot h ed i r e c t i o np a r a l l e lt od r a w i n g a x i s b e s i d e s ，d i s l o c a t i o nd e n s i t yi nl a m e l l a rf e r r i t ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y m o r e o v e r , m i c r o s t r u c t u r ed e f e c to fs t e a lw i r et e m p e r e da t2 0 0 * ( 2f o r30 m i nr e d u c e d ，a n d t h ep r o p e r t i e so fs t e a lw i r er e m a i n e ds t a b l e ，b e c a u s eo ft h es t r e n g t h e n i n ge f f e c tc a u s e db y d i s s o l u t i o no fc e m e n t i t e h o w e v e r , w h e nt e m p e r e da tah i g h e rt e m p e r a t u r e ，t h es t r e n g t ho f s t e e lw i r er e d u c e d i tw a sb e c a u s eh i g hs t r e n g t hl a m e l l a rc e m e n t i t es p h e r o i d i z e d ，f e r r i t e e x p e r i e n c e dr e c o v e r ya n dr e c r y s t a l l i z a t i o n ，a n dt h e r e f o r e ，d i s l o c a t i o nd e n s i t yi nl a m e l l a r f e r r i t ef u r t h e rd e c r e a s e d ，w h i c hw a st h em a i nr e a s o no ft h es t r e n g t hr e d u c t i o n k e yw o r d s ：s t e e lw i r e ，d r a w i n g ，p e a r l i t e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 夕羽年石月尹日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕上学位论文 大戍变冷拉拔珠光体钢丝的力学性能j 微观组织 1 绪论 钢铁是现代生产中最重要的金属材料。钢以其高强度，高韧性，易加工和焊接性， 得到了最广泛的应用【1 1 。并且钢环境兼容性好，是优良的结构材料。 钢铁工业是世界工业化过程中最具成长性的产业之一，具有很强的产业关联性，上 游影响交通运输、采矿、耐火材料等产业，下游影响建筑、汽车、造船、金属制品、机 械、电子等行业。长期以来，钢铁工业一直是我国最重要的产业之一。世界钢材需求在 若干年内仍然十分巨大【2 】。 钢铁材料经过近现代的大发展，已经达到很高的水平。随着现代社会的发展，对材 料性能提出越来越高的要求，对于钢铁这一传统的结构材料，其高性能化也是必然趋势。 大生产的钢种中，强度最高的钢铁材料是高碳珠光体钢经拉拔加工后得以强化的钢 丝。高碳珠光体钢丝被广泛应用于轮胎增强用钢帘线、桥梁用镀锌钢丝、预应力混凝土 用钢丝等。近年来，高碳钢丝的强化取得了巨大的发展，从追求钢铁材料极限强度的意 义上来讲，它是走在最前沿的材料的。 但是，目前尚有许多未搞清的问题，例如随高碳钢丝拉拔a n t 而发生的组织变化、 珠光体钢所特有的加工硬化特性等。 1 1 钢丝制品行业概述 1 1 1 钢丝材料的发展史与应用 根据考古发现，我国远在2 0 0 0 年前就有了采用锤锻方法制造金属丝的生产技术，是 世界上最早进行金属丝生产的国家之一【3 】。直到1 9 世纪欧洲工业的兴起，现代化钢丝绳 也被提上研究日程。钢丝绳的发展经历了三个阶段：由低碳钢丝制成的简单结构钢丝绳， 到索氏体化处理后的中碳钢丝以及如今的高碳钢丝捻制钢丝绳。 钢丝产品的应用十分广泛，涉及到国民经济的各个方面【4 】，如：冶金、机械、农 林、水产、化工、煤炭、石油、轻工、航空、铁道、汽车、纺织、电力、仪表以及国防 建设等各个方面。可见，钢丝制品的生产无疑是国民经济体系中不可缺少的重要组成部 分之一。高碳珠光体钢经拉拔加工得以强化的高碳钢丝是强度最高的钢种。高碳珠光体 钢丝的应用十分广泛，它在工业中占据着重要地位。近年来，高碳钢丝的高强度化手段 取得了惊人的发展，同时，不仅进行整体强化，而采用渗氮处理来提高表面硬度的强化 手段也已得到应用。因此，从长远来看，高碳珠光体钢丝的发展前景是相当可观的。 1 1 2 现代钢丝制品行业的发展方向 2 0 0 3 年l o 月，“从盘条到丝材及丝制品”国际会议在意大利s t r e s a 召开一j 。会议在高 强度盘条、冷拔钢丝及相关工艺研究方面提出了两个主要的研究方向： 1 绪论硕十学位论义 ( 1 ) 在保持高强度的前提下，通过微观组织的设计与控制改善冷拔钢丝的性能及 韧性，同时降低环境污染； ( 2 ) 研发新技术并改进已有技术，以便经济、清洁和安全地生产具有高使用性能 的钢铁产品，令其具有长服役寿命并易于回收及再循环使用。 进入2 1 世纪以来，中国逐渐成为世界制造业的中心之一。随着钢丝制品行业本身以 及各相关行业的高速发展，中国的钢丝制品行业趋于向下述几个方面发展： ( 1 ) 低成本化 经济效益是所有企业追求的根本，因此降低钢丝制品的生产成本是钢丝制品企业主 要发展目标。降低生产成本可分为两大方向：一是提高生产效率：随着世界劳动力成本 的不断提高，企业开始采用先进的拉丝设备进行生产，提高生产过程的自动化程度，同 时研究钢丝高速拉拔形变机理，降低拉拔断丝率，从而提高生产效率；二是降低生产成 本：包括降低原料成本、能耗、物耗等。2 0 0 0 年左右，德国、日本、西班牙等金属制品 发达国家开始研制高强度中碳钢丝绳，拟用价格较低的中碳钢盘条取代目前所用的高碳 盘条，以生产高强度钢丝绳。 ( 2 ) 高性能化 在汽车工业、航空工业、高层建筑以及大跨度桥梁等建设中，钢丝制品都起到了至 关重要的作用。在这些领域中，不但要求钢丝要有足够高的承载能力以保证安全性，还 要求最大限度地减轻钢丝自重。因此人们从来没有停止对高强度钢丝的追求和研究，因 为在满足其他性能的前提下，提高强度一倍意味着降低一半的重量。据报道，日本某研 究机构己在实验室中制备出强度高达5 0 0 0 m p a 的钢丝制品。 1 1 3 冷拉拔钢丝的特点 冷拉钢丝与热轧钢材相比，具有以下特剧1 0 】： ( 1 ) 钢丝经过一系列的冷拉拔加工，可以拉成直径很小的产品，随着现代拉拔技 术水平的进步，现己能冷拉成可达0 o l m m 的合金钢丝和o 0 0 1 m m 的优质碳素钢丝。 而热轧线材目前最小断面尺寸是5 0 m m 。 ( 2 ) 钢丝产品的断面几何形状准确、尺寸偏差小、表面光滑致密、光洁度高，可 不再经任何其它加工而直接用于其它工业部门，例如用于加工要求较高的纺织和机电仪 表工业部门等。 ( 3 ) 钢丝产品经过冷拉拔变形，材料因加工硬化而获得较高的抗拉强度及韧性。 其强度一般比普通热轧钢材要高1 2 倍。因此，用冷拉钢丝来代替普通线材作某些用 途时，可节约钢材5 0 左右。 ( 4 ) 钢丝产品具有良好的弹性及塑性。它能经冷弯成形制作呈各种弹簧，可不经 热处理直接使用，以满足某些特殊需要。 硕士学位论文 大应变冷拉拔珠光体钢丝的力学性能与微观组织 ( 5 ) 某些钢丝产品强度较低。如低碳钢丝经过成品热处理后，其性能偏软，可用 于民用捆扎、编织等方面。 ( 6 ) 成品钢丝经过后步工序镀层处理后，具有防腐、导电以及能与橡胶结合等特 性，依照钢丝原料的化学成分不同，可加工成为某些特殊物理性能的产品，如具有不锈、 耐酸、耐热、低电阻、低磁性、易切削等性能的钢丝。 1 1 4 国内钢丝行业的现状与不足 我国从建国以来，线材制品企业己发展到近4 0 0 0 家，其中年产量l 万吨以上，工艺 装备水平较高的约4 0 余家，这些企业只有少部分己引进国际先进水平的工艺和设备，使 其产品质量也逐步接近国际先进水平【1 1 。14 1 。但绝大多数企业还处于低档次的手工作坊形 式。因此国内钢丝产品的生产仍然满足不了市场的需要，主要是高品质的、特殊的规格 钢丝品种国内还很难生产，每年仍需从国外进d 2 - - 5 万吨钢丝。目前国内金属制品行业 通用的拉丝技术存在的问题主要有： ( 1 ) 无法达到高强度与高寿命的和谐统一。钢丝的高强度主要是通过大变形量产 生的加工硬化实现的，这必然带来疲劳寿命的降低，钢丝的强度与疲劳寿命是一对矛盾。 如何解决这一矛盾是当今钢丝绳生产领域的难题之一。高档次的钢丝绳必须在具有高强 度的同时仍具备较高的疲劳寿命。目前我国的钢丝绳产品在国际上只能参与中档产品的 竞争，与高档产品相比仍存在相当的差距。 ( 2 ) 国内钢丝绳生产的成材率较低。以不锈钢丝绳为例，国际先进水平综合成材 率可达9 5 以上，而国内先进水平只有8 0 左右，其主要原因是拉丝、捻股和合绳过 程中经常发生断丝。较低的成材率在降低了产品的质量同时也提高了生产成本。 ( 3 ) 在钢丝绳生产领域，还缺乏系统的理论支持，生产工艺的改进主要依靠经验。 因此，需要进一步加深金属丝材的加工变形理论、金属丝材热处理方法和拉拔工艺等方 面的研究。 1 2 钢丝制备工艺及存在的主要问题 高强度钢丝绳的生产是一项系统工作，流程很长，影响因素相当复杂，任何一个环 节中存在的问题都会影响到最终产品的性能【1 5 。引。钢丝生产工艺流程如图1 1 所示。钢 丝制品业的原料一般采用6 5 1 3 m m 的热轧盘条，经力学性能、化学成分等基本检查 合格后投入生产；冷拉拔前还需对钢丝进行去除热轧盘条表面氧化皮、酸洗除锈、涂润 滑层等预处理；由于高强度钢丝绳的生产过程是一个冷变形过程，伴随着剧烈的加工硬 化，难以一次拉拔至成品尺寸，因此以两次中间热处理为时间段将拉拔变形分为大、中、 细拉三个阶段；大、中拉拔之间的正火处理的目的是部分的消除拉拔过程中所造成的冷 加工硬化，恢复钢丝塑性，以便进行进一步的冷拉拔；而细拉拔前进行的中间热处理可 1 绪论硕十学位论文 以消除拉拔过程中所造成的加工硬化，以生产出具有良好综合机械性能的成品钢丝。该 阶段热处理一般都采用铅浴淬火工艺，以获得可拉拔性最好的索氏体组织；根据钢丝制 品不同的使用环境，细拉前需进行镀锌、镀铜或磷化等处理；最后根据所生产的钢丝绳 结构将成品钢丝捻股成绳。 图1 1 钢丝绳生产1 ：艺路线示意图 1 2 1 冷拉拔钢丝前的表面处理 大部分钢丝线材在冷拉拔前都需要进行表面预处理【1 9 。2 0 1 ，这是因为无论是热轧线材 或经热处理后的半成品钢丝，其表面均有一层硬而脆的氧化皮层。在控制不好的情况下， 氧化层可高达占重量比的2 0 2 5 ；即使国外轧制条件较先进的情况下，每吨线材 的氧化量也有3 5 公斤，占重量比的o 3 - - 0 5 。这些氧化皮层一方面使后步工序润 滑层不能牢固地和钢材基体结合，另一方面在拉拔时，因为氧化铁皮硬度很高，会刮伤 模具和钢丝表面，再则氧化铁皮央在模壁与钢丝之i 日j ，会增大其f n j 的摩擦，较大的摩擦 力严重时会引起断丝；而且有时氧化铁皮可能被压入钢丝基体之中，使镀保护层时形成 “翘皮”等缺陷。因此，必须在钢丝拉拔之前去除这些氧化铁皮层。去除的方法，按其性 质分为机械法和化学法两种。目前在国内大量采用的还是化学酸沈法，机械法只是在低 碳钢线材和中、高碳钢线材的预处理上得到应用。 经过酸洗或水沈的钢丝，如果表面很光滑，则只能吸附很少的润滑剂。在干式拉拔 4 硕十学位论文 人应变冷拉拔珠光体钢丝的力学性能与微观组织 中，钢丝表面的润滑膜将会变得很薄且不牢固，容易在拉拔过程中造成钢丝表面被划伤， 并易磨损拉丝模。为了使钢丝拉拔能够j l r 页n 进行，避免多道次拉拔润滑条件恶化，酸洗 后的钢丝还要进行表面润滑涂层处理，即通过化学或物理的作用，使钢丝表面涂上或生 成一层厚度较大、附着力强、表面粗糙的润滑层，以便在后步拉拔时吸附润滑剂，并将 其载入模内，形成润滑膜。 1 2 2 钢丝的拉拔 冷拔钢丝生产过程中，原料在拉拔力的作用下，形成径向压缩、轴向拉伸的应力状 态，使金属产生塑性变形 2 1 2 3 1 。金属内部组织沿着变形方向被拉长，形成所谓纤维状组 织，在显微镜下可以看到组织纤维状的程度与拉拔钢丝的总压缩率呈正比。冷拔钢丝强 度随着总压缩率的增大而升高。但是用加大总压缩率来提高钢丝强度一定要防止过大的 冷加工硬化，过大的总压缩率会导致钢丝韧性恶化。 除总压缩率外，道次压缩率对钢丝性能亦有显著影响，不同品种钢丝的道次压缩率 如表1 1 所示。一般来说，总压缩率相同条件下，道次压缩率越大，钢丝强度也越高， 但钢丝韧性较差；道次压缩率越小，生产效率越低，但钢丝综合性能较好。随着钢丝生 产技术研究的发展，采用先进的拉拔道次间的冷却手段( 如：钢丝出模后直接水冷、卷 筒喷水冷却等) ，可使钢丝拉拔道次压缩率提高到3 0 以上，同时对钢丝机械性能无不 利的影响。 在现有生产设备，特别是没有良好的润滑、冷却系统的前提下，拉拔速度对成品钢 丝机械性能有着明显的影响，表现为拉拔速度加快，钢丝强度升高，而弯曲、扭转等韧 性性能下降。 拉丝工序在实际生产中分为预拉、大拉、中拉、细拉【2 4 】等过程。由于拉拔过程中各 阶段采用的拉拔功率不同，拉拔速度也不一样，因此采用的润滑方式也各有不同，一般 大拉和中拉可以采用固体润滑粉，而细拉时，为保证拉拔的顺利进行，经常采用液体润 滑的方式。 冷拔钢丝的抗拉强度对于各类钢丝，例如制绳钢丝、弹簧钢丝、预应力钢丝等，均 是一项非常重要的指标2 5 1 。在制定生产工艺流程和拉拔路线、拉拔道次时，都是为了能 得到标准所规定的、用户所需要的机械性能( 强度和韧性) 。根据多年来生产中的实际 测定表明，影响成品冷拉钢丝的抗拉强度a b 值的影响因素有许多：钢丝的化学成分( c 、 m n ) 、热处理时的工艺、总压缩率( q ) 、道次压缩率( q c p ) 、拉丝速度( v ) 、拉丝机 的冷却方式和润滑效果等。因此，要准确预测和确定冷拔后成品钢丝的抗拉强度是比较 困难的。 1 绪论 硕士学位论文 表1 1 不同品种钢丝的道次压缩率 品种原料钢号规格范围道次压缩率 4 5 3 21 2 1 7 ( 成品 1 5 ) 3 2 1 7 1 2 - - - 2 0 ( 成品 1 6 ) 弹簧钢丝 t 9 a 、7 0 斧、6 5 m n 1 7 - - 0 8 51 2 2 3 ( 成品 1 7 ) 0 8 5 0 49 1 9 ( 成品 1 7 ) 3 0 2 41 6 2 3 2 4 2 0 1 6 2 3 制绳钢丝 6 5 群、7 0 撑、8 2 a 2 0 1 51 8 2 6 1 5 o 81 8 2 6 0 8 - - 0 41 7 - - - 2 1 6 0 2 53 5 - - 4 0 2 5 1 63 5 - - - 4 0 低碳钢丝1 0 样、1 5 群、2 0 群 1 6 - - - 0 62 5 3 5 o 6 - - 0 31 6 2 5 1 2 3 钢丝的热处理 由于钢丝的拉拔变形是在室温下进行的，且钢丝拉拔过程中形变量较大，所以随着 形变量的加大，必然会发生冷加工硬化现象，即强度、硬度升高，变形抗力不断加大， 塑性却不断下降。当形变量达到一定程度后，硬化现象严重，金属无法继续进行冷加工 变形，钢丝表现为拉拔脆断。 能被变形金属所能承受的最大变形程度而不发生脆断的数值，称为该金属的冷加工 极限。很显然，冷加工极限是衡量余属塑性的指标。对于冷加工，由于变形金属只发生 加工硬化而没有回复再结晶现象，所以在加工前必须考虑该金属的冷加工极限。冷拉极 限值与金属的化学成分、组织结构和变形条件有关。在冷拉拔碳素钢丝中，当变形条件 一定时，其冷拉拔极限主要与钢丝的含碳量及钢丝的组织结构有关，尤其以钢丝的组织 影响较大。实践表明，低碳钢线材的冷拉极限极高，而中、高碳线材的冷拉极限则取决 于组织结构，一般说来，具有均匀的索氏体金相组织的原料钢丝冷拉极限最高。这是因 6 硕士学位论文大应变冷拉拔珠光体钢丝的力学性能与微观组织 为索氏体组织中渗碳体相和铁素体相弥散度相对较高，片层细，渗碳体极薄。冷拉拔时， 金属晶体内位错数目随变形程度增大而不断增加，其能承受冷拉拔变形的能力愈好，即 冷拉极限值愈高。 对钢丝进行适当的热处理，可以改变其塑性和加工性能，并保证拉拔过程的正常进 行，进而达到所要求成品钢丝的最终性能，因此它是钢丝生产过程中的一道关键的工序。 钢丝的热处理方式和种类很多，有退火、正火、等温淬火、回火、调质处理和形变热处 理等。但是在中高碳钢丝的生产过程中，运用的比较多的是在铅液介质中钢丝的等温淬 火热处理，以获得索氏体组织，故也称为索氏体化处理或铅淬火、铅浴处理等。 按照钢丝热处理在钢丝生产工艺流程中的位置和作用，可分为预先热处理、中间热 处理和最终热处理三种【2 6 】： ( 1 ) 为提高热轧盘条的塑性，消除其组织的不均匀性，要进行拉拔和预先热处理。 这是对钢丝原材料所进行的热处理。但并不是所有的原材料都要进行热处理，对于经轧 制后采用控制冷却索氏体化了的线材，由于其组织均匀，冷拉性能好，不需进行预先热 处理。另外，一般低碳钢原材料线材均不需要进行预先热处理。 ( 2 ) 为消除拉拔过程所造成的冷加工硬化现象，恢复钢丝的塑性，要进行中间热 处理，以便进一步继续冷加工。一般中间热处理在钢丝生产过程中是必不可少的。 ( 3 ) 进行钢丝的最终热处理的目的则是为确保成品钢丝的机械性能。 1 2 4 钢丝拉拔主要存在的问题 钢丝拉拔工艺常采用固定模拉拔法。钢丝拉拔生产过程中常存在脆断、钢丝拉拔后 强度、韧性等指标波动范围较大和表面质量和精度不够理想等问题。究其原因主要可以 归纳为以下几点： ( 1 ) 由于变形金属与模具接触面之间的滑动摩擦，产生大量的热，易造成钢丝变 形不均。因此，钢丝拉拔道次加工率分配不合理、拉拔过程中的润滑和拉拔模冷却不当 等因数都可能引起钢丝拉断和表面缺陷等现象。 ( 2 ) 盘条的质量问题：由于国内绝大部分生产线材厂受现有冶炼装备的限制，造 成化学成分不稳定，偏析、夹杂、缩孔等缺陷较严重。例如碳的含量从标准下限波动到 上限，甚至超标。这样造成拉拔后钢丝的强度、韧性等指标波动范围大，成品合格率低。 另一方面容易在拉拔中造成脆断，严重时无法加工。特别是连铸坯受技术装备水平所限， 以上问题更为严重。盘条通条性能差。例如抗拉强度指标同一盘盘条不同部位波动大， 差值甚至超过i o o m p a ( 国外优质盘条不超过3 0 m p a ) ；又如面缩率指标可达士2 0 的波 动。索氏体化率不高，且不均。客观地讲，目前国内高线控冷水平要使盘条组织完全 达到铅淬火组织水平是困难的，这一问题严重影响了制品深加工的可能性，而且降低了 成品的合格率。 1 绪论硕上学位论文 1 2 5 钢丝热处理工艺主要存在的问题 首先，盘条进行冷拔前必须热处理，以便将粗大的片层珠光体转变为拉拔性能较好 的索氏体组织。再者，盘条冷拔到一定程度，珠光体片间距减小，渗碳体开始破碎，组 织越来越细小，微观缺陷越来越多，细片状珠光体几乎全部沿拉拔方向形成纤维组织， 导致加工硬化。因此，盘条拉拔制备钢丝过程中一般还要进行中间软化热处理，回复钢 丝的塑性。 钢丝制备过程中常用的软化退火工艺及设备包括以下几种2 7 圆】： ( 1 ) 铅浴等温淬火处理。 在盘条冷拔前或盘条粗拉到一定规格钢丝后为了获得索氏体组织有利于进一步拉 拔，需要经过一道热处理的工序。这种钢丝热处理共艺特点是：钢e e ( 盘条) 以一定的速 度经过连续加热炉，加热至e j 9 0 0 9 5 0 奥氏体化温度，接着通过5 0 0 5 5 0 铅浴进行等温 冷却，在此温度区域持续冷却过程中，过冷奥氏体等温转变为索氏体( 细片状珠光体) 组 织，该过程也称为派登脱处理，然后再经过清洗、烘干、磷化及清洗等工序，获得所需 的组织和性能。钢丝铅浴等温处理的优点是热处理后钢丝组织均匀细小，同时具有良好 的通条性能；若在连续生产炉中，保持还原性气氛，处理过程中钢丝表面氧化脱碳非常 少，原则上应为最理想的中间退火处理工艺；但是，由于等温退火采用了铅浴，铅尘及 蒸气会带来严重的污染问题。同时，铅浴淬火连续生产线投资相对也比较大，使得一般 企业难以承受。 ( 2 ) 井式炉退火处理 目前，大部分工厂普遍采用井式炉进行中间退火；采用这种炉型进行钢丝热处理的 特点是：将钢丝吊入并式炉中，加热到一定温度后保温一段时间，然后出炉坑冷。井式 炉存在的问题是对流较差，井式炉中温度不均匀，造成钢丝盘卷性能差别较大；有的井 式炉不通保护气氛，造成表面严重氧化，通保护气氛的炉子气氛不容易控制，往往也会 造成表面氧化，钢丝表面存在较深氧化脱碳层；另外，采用井式炉退火，只能够获得粒 状珠光体组织。 ( 3 ) 无氧化强对流罩式炉退火处理 这种无氧化强对流罩式退火炉由于炉内充入保护气( n 2 、h 2 ) ，避免了钢丝的氧化脱 碳现象。炉内气氛通过强对流的方式保证了钢丝组织的均匀性，同时避免了采用铅浴等 温处理的铅尘污染问题。 ( 4 ) 正火处理 正火热处理工艺是指将铁碳合金加热到临界点以上适当温度并保持一定时问，然后 在空气中冷却的工艺方法。正火工艺的要点是：加热温度要足够高，一般要求得到均匀 的单相奥氏体组织，工件透烧均温后置于空气中自然冷却。正火达到的效果与材料的成 分及组织状态有关。例如：过共析钢正火后可消除网状碳化物，而低碳钢f 火后将显著 r 硕上学位论文火应变冷拉拔珠光体钢丝的力学性能与微观组织 改善钢的切削、加工性。因此，正火和退火工艺一样，是一种广泛采用的热处理工艺方 法，同时由于正火后组织比较细，所以比退火状态具有更好的综合机械性能。但正火处 理采用空气冷却的方式，如果钢丝中间热处理工艺采用正火处理的话，钢丝表面将存在 较深氧化脱碳层。 1 3 珠光体的组织结构与性能 长期以来国内外厂家都是采用共析点附近的高碳珠光体钢作为高强度钢丝的生产 原料，所以对冷拔钢丝变形的研究多集中于共析珠光体钢的冷拉拔组织变形。 1 3 1 珠光体的转变机构 珠光体组织的形成【3 m 3 4 】要通过两个阶段：晶核的形成和晶核的长大。珠光体组织是 有铁素体和渗碳体两个相所组成的，因此就存在一个领先相的问题。一个珠光体晶团( 或 称晶区) 的有效晶核可以根据首先形成相的特定的品格位向来确定，如果这个相的晶格 位向与以后测定出的珠光体晶团的位向相符合，则这个相就是领先相。因此，这是一个 密切与位向关系相关联的问题。 长期以来，就是根据开始形成相与以后形成的珠光体晶团的位向关系来辨认领先相 的。对先共析铁素体和先共析渗碳体与珠光体晶团的位向关系的反复测定表明，先共析 铁素体和珠光体铁素体之间并不存在间界，珠光体中6 0 - - 8 0 的铁素体与其相贯连的 先共析铁素体具有相同的位向关系。近年来根据透射电子显微镜的图像分析，证明渗碳 体和铁素体都可领先形核而生成珠光体。因此，珠光体相变时可以是铁素体，也可以是 渗碳体领先形核。在过共析钢中通常是渗碳体首先形成，然后珠光体以渗碳体作为基底 来形核，在亚共析钢中铁素体首先形成，然后珠光体以铁素体作为基底来形核。应该指 出的是：实际上的领先相是逐步形成的。一个相或另一个相的形核，并不能认为层片珠 光体就一定能够形成。只有它们都形成晶核以后，才使珠光体的形成有了初步的保证。 过去在推导相变速率方程式时，假定形核地点是任意的，即所谓均匀形核，并没有 考虑母相组织结构对形核的作用。j o h n s o n 和m e h l 设想单位时间内晶核数目与未转变的 母相体积成正比。而a v r a m i 则设想单位时间内晶核数目正比于未转变的母相体积内遗 留下的催化形核地点的数目。设x 为转变时间等于t 时的转变体积百分比量，j o h n s o n 和m e h l 得出下式： 释l e x p f 一里j ( 6 3 亡41 ( 1 1 ) 一、3 t 式( 1 1 ) q b q 表示未转变母相单位体积内单位时间的晶核数目，g 为长大率。( 1 1 ) 式适 用于所有的相变，但受到以下的限制：形核是均匀的，神和g 皆为常数。但实际上，雨不 是与时间无关的常数：g 不但因珠光体晶团的大小而异，且随时间而变化，也不是常数。 9 1 绪论 硕十：学位论文 即使可以假定它们为恒值，应用上式来计算珠光体相变速率也不能认为是严格的。 a v r a m i 提出下式： x = i - e x p ( - k g n ) ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 6 pk 和r l 是常数。当府快速衰减时n = 3 ，慢速衰减时n = 4 。珠光体相变动力学可 以用a v r a m i 方程式来描述。不过要注意到这样的事实：在较高的共析分解温度下，形 核地点是均匀分布的，在每一晶粒内至少有几粒晶核。珠光体基本上是不均匀形核，几 乎只是优先形核于晶界、表面和晶界交点，并在这些有效位置迅速形核而达到饱和状态。 1 3 2 珠光体的塑性 珠光体组织的塑性与层片间距、晶团大小以及奥氏体晶粒尺寸有关【3 5 1 。层片珠光体 的塑性是随形成温度的下降而增大的。珠光体断面收缩率p 是随最小的层片间距的减小 而增大的，并且在s t a i n = 5 0 0 1 5 0 0 a 范围内，减小层片间距，断面收缩率明显增大。当 s m i 。大于1 5 0 0 h 时，变化不大，此时奥氏体晶粒与少无关。 断面收缩率野包括均匀形变断面收缩率既和局集形变接卖弄收缩率，即 t r = 既+ 。一般甲。值比较小。野基本上反应的大小。不仅是一个衡量局集形变 能力的量，也可视为合金基体相极限塑性的大小。珠光体的基体一铁素体的状态是稳定 的，在相变过程中基本上没有收到相强化的影响，塑性少值主要与第二相渗碳体的状态 有关，于相变温度较高时，层片珠光体的层片间距较大，其层片渗碳体是连续的。相变 温度较低的层片珠光体，其层片间距较小，在晶体中的层片渗碳体是不连续的。层片铁 素体并未完全为层片渗碳体所隔离，所以相变温度较低的层片珠光体实际上具有更高的 极限塑性，也就反映出更大的野值。另外，较低相变温度形成的渗碳体薄片具有塑 性变形的能力，对这时塑性的提高也是有益的。可以说，较大的粒状珠光体具有较大的 极限塑性，而细小的粒状珠光体极限塑性较小。 1 4 本课题研究背景与研究内容 将高碳珠光体钢进行拉拔加工强化而得到的高碳钢丝，在大批量生产的钢种中，是 强度最高的材料。冷拉珠光体钢丝凭借优异的性能在航空、汽车、冶金、矿山、机械、 建筑等行业被广泛应用。研究发现，冷拉珠光体钢丝的优良性能与珠光体钢丝在冷塑性 变形过程中的组织变化关系密切 3 6 - 3 8 1 。 1 4 1 传统冷塑性变形加工硬化理论 ( 1 ) 位错强化理论：金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引起的，位错密度越 高，金属抵抗塑性变形的能力越强。塑性变形的本质是位错沿滑移面的滑移，金属材料 内的滑移系愈多、位错的滑移愈容易，它的塑性就愈好。强度是度量材料抵抗塑性变形 1 0 硕士学位论文 大应变冷拉拔珠光体钢丝的力学性能与微观组织 和断裂的能力，愈难于变形的金属材料，其强度愈高。就是说，位错滑移的难易程度决 定了材料强度的高低。钢丝在冷拉拔过程中，位错的滑移会造成位错的偏聚与钉轧，从 而阻碍位错的进一步滑移，使钢丝强度提高。 ( 2 ) 晶界强化理论：晶界是位错运动的最大障碍之一。晶界越多，晶粒越细小， 材料强度、硬度越高。钢丝在冷拉拔过程中，随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至 破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，使得晶界增多，从而起到强化的作用。要 在相邻的晶粒内产生塑性变形，必须有足够数量的位错塞积于晶界以产生较高的应力集 中。晶粒细化不仅增加了滑移障碍，而且缩短了位错塞积列的长度。因此，细晶化、超 细晶华是工程实践中广泛实际应用的强化途径。晶粒细化一般通过热处理或控制轧制来 实现。近年来，还发展了通过气化沉积、急速冷却再结晶等晶粒超细化工艺。 1 4 2 国内外强烈塑性变形法制备超细晶金属的研究状况 2 0 世纪9 0 年代后期以来，强烈塑性变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，简称s p d ) 作为 纳米和亚微米晶材料制备的新方法，逐渐为国际材料学界所接受，现已成为材料研究领 域一个新的热点【3 9 4 ，且以研究这种新技术为中心内容的超细晶材料国际会议己开过三 届。1 9 8 4 年，s e g a l 在研究钢的变形织构时，为获得纯剪切变形提出等径角挤压方法，后 来v a l i e r 发现利用该方法可使材料获得大应变从而将粗晶金属或合金细化成具有纳米结 构的材料。纳米材料内部独特的缺陷结构，尤其大角度晶界的形成使其具有优异的物理、 力学性能。从此，s p d 法成为很有发展前景的块体纳米材料制备方法，通过强烈的塑性 变形，在材料内部引入极高的变形能，从而使材料块体直接从内部细化。由强烈塑性变 形法制备的块体纳米材料和亚微晶材料，除了其组织和基本物理性能发生很大变化外， 其力学性能也有明显改变。 制备金属纳米固体( 或纳米块体的) 的方法很多，较为成熟的、能实际应用的方法主 要有三类：( 1 ) 制粉、压制、固化法( 包括惰性气体蒸发、原位加压制备法和高能球磨制 粉、压制法等) ；( 2 ) 非晶晶化法；( 3 ) 强烈塑性变形诱导法。前两类方法主要用于金属 纳米功能材料的制备，强烈塑性变形法主要用于金属纳米结构材料的制备。强烈塑性变 形作为纳米和亚微米晶材料制备的新方法【4 2 喇】，主要有：高压扭转法( h i g hp r e s s u r e t o r s i o n ，简称h p t ) 、等径弯曲通道变形法( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r o c e s s i n g ，简称 e c a p ) 、多向锻压法( m u l t i p l ef o r g i n g ) 。叠轧合技术( a c c u m u l a t i v e r o l lb o n d i n g ，a r b ) 、 循环挤压法、超声波喷丸法和表面机械研磨法( s m a t ) 等。s p d 法与通过制备纳米粉再 进行固化烧结的途径制备块体纳米材料的工艺相比，该法具有如下优势：( 1 ) 可制备出 无孔隙的、块体纳米结构金属材料；( 2 ) 在韧性保持一定水平的同时使材料强度大幅提 高；( 3 ) 可大大减少合金的用量、省略高温热处理工艺、减少合金元素对环境的污染； ( 4 ) 可制备不同金属块体工件和碟形工件。该法为量大面广的传统金属结构材料提供了 1 绪论 硕士学位论文 一个纳米结构材料制备和大范围工程应用的途径。 高压扭转塑性变形法( 见图1 2 a ) 可制备出铁及高碳钢、铝及铝合金、铜及铜合金、 钛及钛合金、锌及锌合金等块体纳米材料【4 5 。由于试样特殊的几何形状，试样大部分都 处在准静水压缩条件下变形，所以尽管发生较大变形，但变形试样损伤较小。 等径通道挤压法( 见图1 2 b ) ，由于在整个强烈塑性变形过程中整个工件的截面尺寸 不发生变化，因而能实现大尺度工件的纳米化和微晶化【4 6 | 。对于等径通道压缩变形，压 缩方向和压缩道次对组织的细化非常重要。试样的后续压缩路径有三种( 如图1 3 所示) ： ( 1 ) 每个道次工件的方位不变( 图1 3 a ) ；( 2 ) 围绕试样长轴旋转9 0 。( 图1 3 b ) ；( 3 ) 围绕 试样长轴旋转1 8 0 。( 见图1 3 c ) 。三种路径的应用都导致屈服应力的增加和材料强度的 提高，经过几个道次后达到饱和，而此后强度和应变载荷都达到稳定状态。 重复锻造涉及动态再结晶，被认为是不断改变应变轴的敦粗一拔长自由锻【47 】( 图 1 4 ) 。重复锻造的应变均匀性比等径通道压缩和扭转变形要低，然而，由于在较高的温 度下开始加工，而且载荷较低，该法可在脆性材料中获得较细的晶粒。 1 2 p ( a )( b ) 图1 2 高压扭转塑性变形及等径通道挤压法 学位论立 人娈挎拉拔球光体钢丝的力学性能。，m 观组织 幽i3 等径压缩变形路径图凹l4 重复锻造原理 国内外许多专家学者对塑性变形珠光体钢的组织和性能变化等问题进行了大量研 究，在大量的强塑性变形研究文献中都报道了一个新现象h 目：室温下的强烈塑性变形在 导致获得具有大角度品界、尺叫在5 0 n m 5 0 0 a m 的等轴细晶粒过程中，台余中第二相 质点出现回溶、基体重新成为过饱和固溶体：在随后的再时效中，第二相再次以细小颗 粒析出使亚微米或纳米晶粒具有较高的热稳定性。由于在室温强变形过程中第二相质 点的回溶是一个新的、重要的微观现象，在合余中具有普遍意义，因而受到了高度重视。 1 4 3 本课题研究内容 针对日前冷拉拔珠光体钢丝组织演变与性能变化缺乏系统研究的现状，本文以工业 上广泛使用的7 0 “钢为研究对象。研究其在冷拉靼性变形过程中的组织演变和性能变化， 为合理地制定拉拔工艺、制备高性能的珠光体钢丝提供理论依据。主要内容包括以下几 方面： ( 1 ) 高速大应变拉丝变形条件下珠光体组织变形特征及力学性能演变规律。研究 珠光体组织，即铁素体+ 渗碳体双相组织在高速大应变拉丝变形( 径向受压+ 轴向受拉) 这种特殊应力状态下的变形特征，分析铁素体+ 溶碳体两相分布状态对钢丝力学性能和 加工硬化的影响，从组织形貌上探索大应变冷拉拔珠光体钢丝具有高强度的原因； ( 2 ) 研究珠光体铜丝拉拔后择优取向的变化规律及组织缺陷对铡丝性能的影响。 3 锣莎矽矽。昼銎$地毋蜘 纛纛蒸a添b辫c瓣 1 绪论 硕十学位论文 钢丝经拉拔后会产生一定的择优取向性，本文将探索随着拉拔程度的增大，择优取向的 变化情况。 ( 3 ) 研究大塑性变形珠光体钢丝在不同温度退火过程中的组织性能变化。钢丝作 为承载件，经常会在高温环境下工作，因此研究