（材料学专业论文）冷拉拔珠光体钢丝的组织与力学性能.pdf

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i the x p ( 刁2 ) w h ento tals tr 匕 was overl .5 . s ev峨 c o l d 山 口 钊 ” 5 让 兄 1 吟h el d 址 ghs 吻 目 lhasthe a 咖9 七 叫 pe 口 tu 沈was bel o w 3 00. 叭 飞 印脉 仍 叫 阵 口 加 比翎 。 ， 3 00， 山 e石 画 e . “ 急 lemu】 d laj傲 由 ” c tu 比w a s d es 的y eda l l d the 妙 ofs te elw ir e 血b 愁 ed忱 翻 团 比 曲l y . 1 七 e fo n n ofa 门 k ons te els 忆 坦 d s 也 拍 ce ， asw e l l asthe d epthofthe 。 口 k ， 川 断 ， .the 加 峪 i on。 甲 a b l li ty颐d . 山 y.毛 闭 朋 v e n 姆 。 门 k isw 创 比 巴 山 皿由 e o 山 er幻 汾 o t y 户 留ofc 晓 k 众州优 d s : 出 ” 1 侧 比 ， 山 旧 w p l as 石 c d d 沁 m口 d on， 声心妞 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己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 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:年月日 南京理工大学硕士学位论文 冷拉拔珠光体钥丝的组织与力学性能 第一章 绪论 1 .1钥铁工业概述 钢铁材料由 于其原料丰富、 可以 廉价的大规模工业化生产、 性能优异， 并可以 通 过各种加工处理来改变其形状、 尺寸和性能， 可以满足国民经济发展的各种需要， 因 此是目 前生产量和消费 量最大的基础材料111 。 未 来 十 年 世 界 钢 材 需 求仍 然 十 分 巨 大 12 1 . 其中 对 钢 材 需 求 量 最 大 的 依 然 是 中 国 . 中国至少在21世纪近十年的时间里将依然保持较快的经济增长速度， 同时， 还保持低 的利率和低的通货膨胀率。 随着钢铁产业的发展，超细晶粒钢、高性能碳素结构钢、合金结构钢、高强度低 合金钢等已 成为 新一代的钢铁结构先 进材卿绷。 进入21世纪， 随 着 经济的 发展， 能 源开始变得紧缺， 因此对钢铁材料的性能和使用寿命提出了更高的要求。 当前我国钢 铁业发展的重点应从原来的以工艺结构调整为主转到以产品结构调整为主. 在钢铁基 本建设用材增加的同时， 板带比和板管比 应相应地增长， 而且要向 低合金钢、 微合金 钢和合金钢发展。 我们必须重视这一点， 调整钢铁业的产品结构。 今后谁拥有高技术 含量、高附加值的钢铁精品，谁才能拥有市场脚1 。 l l i翎铁材料的 发晨史 在公元前 14世纪左右，己 经出现了我国人民使用陨铁的记载。大约在春秋时期 我国发明 冶铁技术，到战国中晚期，我国己 经比较广泛使用铁器。打块铁的过程中， 由 于炭火中碳的渗入而炼成了最早的渗碳钢， 并掌握了淬火工艺。 这种方法到西汉初 年又发展成为炼钢工艺。 大约在晋、 南北朝时发明了 将生铁和熟铁按一定比例配合熔 炼的方法，以调节铁中的含碳量，而创造了“ 团钢”( 又名 “ 灌钢” ) 冶炼工艺。 1 8 64 年英国 平炉 炼钢的问 世， 开始了 近代炼钢的 历史11 卜 161 。 一 些钢铁联合企 业 也随之纷纷出现。 进入20世纪， 两次世界大战的爆发， 促使全球钢铁工业迅速发展。 1 951 年， 载气顶吹转炉在奥地利诞生， 开创了 现代冶金的新篇章， 促进了 高炉的大 型化。 随 着生产率的 提高， 能耗降低， 生 产环境得到改善， 炼钢成本也随之降低， 使 钢铁生产迅速提高。 7 0年代出现的两次石油危机迫使钢铁生产重视成本，钢铁工业 也从支柱产业发展转变为满足经济发展的基础产业地位。 l i j 我国 栩铁产业的 现状与未来发展 新中国成立以来， 我国钢产量逐年增加， 尤其是改革开放以后， 伴随着经济的发 展， 我国的钢铁工业也迅猛发展， 产量逐年递增。 工业发展的同时， 技术也不断的更 新， 如今 我国已 在快 速跟进世界第三阶 段钢铁工业的 发蒯切 . 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体锅丝的组织与力学性能 表l l 我国 钢产t在世界钢铁产量中 所占 份额的变化tl7 年份 姆盯砧招肥科”%oo0 l工仍 产勺万吨 1 ， 名幻3祖 2 口， 1 龙如幻， 2 ， 1仍 肠1 口 粗，1 28刃匕1 仍1 日 2 的之 口3 4 排名 场9么，4321l l1l 份翻 口 肠 0.!l 月2 肠月 洲 反，l6比 761 3 . 公1 3 . 公灯jz1 . j，匆 j，刀 一 10 随着近年我国经济的发展，能源的利用， 环境保护等相关问题的出现，我国钢铁 产 业 也 急 需 结 构 调 整 ， 具 体 表 现 为 11 241 : (l ) 组 织 结 构的 调 整。(2)工 艺 技术 结 构 调 整。 (3 ) 产品结构调整.(4)企业体制结构的转变。 1 . 2翎丝概述与生产工艺 1 么1 栩丝的发展与应用 根据考古发现， 远在2 (x 沁 年前我国就采用了 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。 直到1 9 世纪欧洲工业的兴起， 现代化钢丝绳 才被提上研究日 程。 钢丝绳的发展经历了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 应用非 常 广 泛， 涉及到国民 经济的各个部门(” 自 湘 】 。 钢丝生产是国民 经济体系中不可缺少的重要组成部分。 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得以强化的高碳钢丝。 高碳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， 在工业中 也占据着重要地位。 近年来， 高碳钢丝的高强度化取得了 惊人的发展， 同时， 不进行整体强化， 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。 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. 纳米结构钢丝与聚氨醋 ( p u)复合， 制成的复合材料具有优良 的综合性能， 如高强 度、低密度、强力抗磨、耐腐蚀、良 好的导热性能、 低热膨胀系数、 抗蠕变能力强、 寸稳定 等， 具有 广阔 的 应川 前景 1期。 我国 从建国以来， 线材制品企业得到迅速发展，到目 前为止年产量1 万吨以 上， 工艺装备 水平较高的约 40家， 其中一部分企业己 引进国际先 进水平的工艺和装备， 使 其产品质量也逐步 接近国 际先 进水平口 2 勺 3 习 。 但国内 钢丝生 产仍然满足不了 市场的需 要，主要是高品质的、 特殊的品种规格国内 还很难生产，每年仍然要从国外进口 2 ， 5 万吨钢丝。 i j 2 冷拉栩丝的 特点 冷拉 钢丝与热轧 钥材 相比 ， 具 有以 下特点 阅: (l )冷拉钢丝产品的断 面几何形状规则、 尺寸偏差小、 表面光滑、光洁度高，可 不再经任何加工而直接供其它工业部门使用。 2 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体钢丝的组织与力学性能 (2 ) 冷拉锅丝加工性能好，经过一系列的冷拉加工，可以 将直径拉成很小，近代 技术水平己能冷拉成最细可达由 0. 01刃 n r n 的合金钢丝和中 0. ool n ” n 的优质碳素钢丝。 而热轧线材目 前最小断面尺寸是。 5 .o l n 山 。 (3 )冷拉钥丝因 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 之倍。 (4) 冷拉钥丝产品具有良 好的弹性及塑性。 1 2 3栩丝绳生产工艺流程 高强度钢丝绳的生产是一项系统工作， 流程很长， 影响因素十分复杂， 任何一个 环节中 存 在问 题都 会影响 到 最终产品的 性能 13 7 闷 2 】 。 其生产工艺流程如图1 . 1 所示. 钢 丝制品业的原料一 般采用热轧盘条， 经力学性能、 化学成分等基本检查合格后投入工 厂生产。 冷拉拔前 还需要进行去除表面的氧化皮、 酸洗除锈、 涂润滑层等预处理。 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， 因此难以一次拉 拔成型， 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 是消除冷加工硬化， 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， 除了 可以消除加工硬化， 主要是为了生产出具有良 好综合机械性能的成品 钢丝。 根据钢丝制品不同的用途，细拉前需进行镀锌、镀铜或磷化等处理。 最后将成 品钢丝进行捻股成绳。 轧制 田1.1 钥丝绳生产工艺路线示意图 i j 再 冷拉扳翎挂丽的衷面处理 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， 所以 大 部分 线材 在 冷拉 拔前都需 要进行表面预处理13 7 闷 z j 。这些氧化铁皮使润 滑层不能牢固地和钥材基体结合而且还会刮伤模具和钢丝表面， 再则氧化铁皮在模壁 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体俐丝的组织与力学性能 与钢丝之间， 增大其间的摩擦力， 严重时会引起断丝。因此， 必须在钢丝拉拔前去除 这些氧化铁皮层。 去除的方法， 按其性质有机械法和化学法两种。目 前在国内 大量采 用的方法还是化学酸洗法。 由于经过酸洗和水洗的钢丝， 表面很光滑， 只能吸附很少的润滑剂， 使钢丝表面 的润滑膜变得很薄且不牢固， 容易在拉拔过程中造成钢丝表面划伤， 因此酸洗后的钥 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 层较厚、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。 i j j 椒挂的拉拢 冷拔钢丝生产过程中， 原料在拉拔力作用下， 形成径向压缩、 轴向 拉伸的应力 状 态， 使金属产生塑 性 变形 14 2 目 “ 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。除总压缩率外，道次压缩率对钢丝性能也有影响。在总压缩率相同条件下， 道次压缩率越高钢丝强度越高， 但钢丝韧性越低; 道次压缩率低， 钢丝综合性能越好。 拉丝工序在实际生 产中 分为大拉、中拉、细拉等过程1钧.由 于拉拔速度不一样， 因此采用的润滑方式也不一样， 大拉和中拉一般采用固体润滑粉， 为保证拉拔的顺利 进行，细拉经常采用液体润滑的方式。 抗拉强度 对于 各 类冷拉 拔 钢丝是 一 项很 重要的 指材峋. 通常为了 用户所需要的 机 械性能或标准所规定的 强度和韧性， 然后制定生产工艺流程和拉拔路线、 拉拔道次。， 影响成品冷拉钢丝的 抗拉强度 仇值的影响因素有很多， 如钢丝的化学成分、热处理 时工艺参 数、 总压缩率( q ) 、 道次 压缩率( 争) 、 拉丝速度( v ) 、 拉 丝机的 冷却方式 和润滑效果等。因而要准确预测和确定冷拔后成品钢丝的抗拉强度也是比较困 难的。 1 2 石 栩丝的热处理 对钢丝进行热处理， 可以改变钢丝的塑性和加工性能，以 便于拉拔过程的正常进 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一道关键的工序 f4n。 钢丝的 热处理 方 式和种 类很多， 有退火、 正 火、 等温淬火、 回 火等。 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的等温淬火热处理，目 的是获 得索氏体组织，故也称为索氏 体化处理或铅淬火、铅浴处理。 钥丝热处理若按照它在钥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 阅: ( 1)预先热处理可以 提高热轧盘条的塑性，消除其组织的不均匀性。 这是对钢丝 原材料进行的热处理。 但并非所有的原材料都要进行预先热处理， 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。 一般低碳钢原材料线材均不需要进行预先热处理。 (2 ) 一般中间热处理在钢丝生产过程中是必不可少的。目 的 是为了消除拉拔过程 所造成的冷加工硬化现象，恢复钢丝的塑性。 4 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体钥丝的组织与力学性能 (3 ) 为了 确保成品 钢丝的机械性能， 还需要进行钢丝的最终热处理。 l 3 钥丝拉拔强 度的 研究 提高 钢 丝强 度 的 方 法 有 圃: (l ) 增 大 拉 拔 加 工 量; (2 ) 提高 拉 拔 加 工 时的 加 工 硬 化率: (3 ) 提高铅浴淬火材料的强度; (4)减少浸镀锌时的强度降低。以上方法都能提 高强度， 但同时必须考虑此时延展性的降低。通常用扭转试验来评价钢丝的延展性。 扭转变形的初期，沿钢丝的拉拔方向容易发生纵向裂纹。这些发生纵向裂纹的钢丝， 扭绞加工性变差，不耐用。因此，减少纵向 裂纹的发生对提高钢丝的性能非常重要。 而那些采用增大铅浴淬火材料强度进行强化的钢丝，直至高强度区都不发生纵向裂 纹。 虽然 用这种 方法生 产的 钢丝绳既 可以 获 得较高的强 度， 又能具备良 好的塑性 阅。 但在多数情况下， 铅浴淬火处理时珠光体相变并非在一个温度下完成， 因此所得组织 并非完全是珠光体， 有少量的游离态铁素体存在。同时由于珠光体片间距不等， 使塑 性变形集中在片间 距较大的区域，引起应力集中， 使钢丝质量不稳定。另外， 铅浴淬 火的致命弱点是带来环境污染和工人铅中毒。 l 4 国内 外强烈塑性变形法制各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 evere p l as d c d e fo n 旧 口 t i o n ，简称s p d ) 作 为制备纳米和亚微米晶材料的新方法， 逐渐为国际材料学界接受， 并且成为材料研究 领 域 新 的 热 点 151 一 划 . 1 9 84 年， 义 g al 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，后来询让 r 发现利用该方法可以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。 从此s p d 法成为很有发展前景的纳米材料制备方 法。 通过强烈的塑 性变形， 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， 其力学性能也有显著改变。 强烈塑性变形作为纳米和亚 微米晶材料制备的新方法1， . 网，主要有: 高压扭转法 ( 任gh n . ss u 化长 湘 i on， 简称 h f d、 等径弯曲 通道变形法( 鞠u aic h 田 旧 l elang u l ar p 闰 。 留 咖9 ， 简称ecap) 、 多向 锻压脚m u hi p l e fo rgin g ) . 叠轧 合技术( a c c u m u lative r o l l b o n ding ，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 r ) 等. s pd 法与通过制备纳米粉再 进行固化烧结法相比， s pd 法具有如下优势: ( 1)可制备不同 金属块体工件和碟形工件; ( 2)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; ( 3)可制备出无孔隙的、 块体纳米结构金属材料;(4) 在 韧性保持一定水平的同时材料强度大幅度提高. 其中，高压扭转塑性变形法( 见图1 .za)可制备出铁及高碳钢、铝及铝合金、铜及 铜合金等块体纳米材种切。 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。 等径通道挤压椒见图1 2b ) ， 由于在整个强烈塑性变形过程中整个工件的截面尺 5 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体钥丝的组织与力学性能 组织【闪. 根据 研究 圃发 现: 含碳0. 86% wt，锰0. 3 0 % wt的 线材在给定压缩率 下拉拔， 其残余 应力的水平与钥丝直径有关。 在23%盯%的拉拔压缩率下拉拔， 直径增加一信， 钢 丝表面残余应力约相差一信。 同时， 钢丝表面扭转时应力层的深度取决于每道次的压 缩率， 每道次压缩率在 1 0 呢 ，1 4 %时， 扭转时应力层的深度在钢丝直径的3 0 %m%。 影响扭转韧性的残余应力尺寸的存在己 被研究， 扭转韧性随拉拔的初始尺寸的减小而 增加，减小大直径钢丝扭转表面应力尤为重要。 总压缩率与扭转值的关系: 起初，随着压缩率的提高钢丝扭转值下降，到压缩率 达到35% 左右扭转值开始提高， 在7 0 % 以上逐渐稳定，扭转值的极差也逐步减少( 同 一压缩率下不同试样的扭转值最大 与最小之差) 。最适宜的总压缩率为 70% 一85% ， 在此范围内可获得最大的扭转值。压缩率大于85% 时，则扭转值下降。 拉拔总压缩率在75% 以下时， 增大总减面率可增大内 部晶粒破碎程度， 使冷变形 后纤维 组织更加细长， 提高了 冷变形后 钢丝的塑 韧 性 赶“ ! . 另外， 拉拔 速度 对扭转的影 响比较复杂， 主要是拉拔变形发热的影响， 拉拔速度也影响了钢丝表面和芯部的温差。 在工业实践中，以川 加 可 m in以下的速度拉拔时，没有发现影响存在。 l j j 组织对扭转的 形响 通过扭转试验， 不仅可以发现钢丝表面缺陷， 而日 可以发现肉眼看不见的钢丝内 部缺陷，以 及较大的夹杂、 缩孔和不良 的淬 火组织 阅。 一些 试验研究发 现， 材料经预 扭， 在裂纹萌生处出 现明 显的 撕裂 棱和显 微空洞 16n。 决定合金钢(5 ocr v a ) 扭转疲劳寿命的是那些位于表面或表面附近的 超过临界尺寸的 ai八 类夹杂阅。 在 研究 钢丝扭转断 裂原因 时， 认为扭转裂纹是由 于分层 所致， 断 裂 的主要原因是由于夹杂和表面缺陷所致， 夹杂对扭转性能的危害程度随钢丝强度的提 高而增大。 而原始组织为粒状珠光体的g c r 1 5 钢， 经550 回火时有粒状碳化物沉淀 析出， 进一步的研究认为， 粒状碳化物是拉拔中产生空洞的原因， 且空洞的尺寸和数 量随拉拔转变温度的升高而增加因。 高碳钢丝扭转试验中的断裂原因是由于夹杂和表面缺陷引起的， 且夹杂对强度越 高的钢丝危害越大。 当达到强度极限时， 细钢丝的扭转韧性可降低到在聚束期间可观 测到断面处有一典型分层结构的 程度 溯. 一般都知道硫化物对材料的延性是有害的， 硫化物的尺寸和分布会影响扭转， 这 些几何因 素 与硫含量并 没有必然的 联系。 根据相关文献 口 11 ， 硫含量 最好 切.0 1 0 % ， 且 分布均匀， 对抗拉性能和扭转延性有利。 拉拔时硫化物延长，界面扩大， 扭转试验早 期， 硫化物粒子的轴向 就是剪切方向， 这些粒子聚集在一起时， 钢丝就分层， 扭转延 性变差。 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体钥丝的组织与力学性能 1 占 月 傲锌对 扭转的 影响 钢丝经热镀锌，除延性、收缩性能有所提高外， 其余的 机械性能均有下降， 其中 扭转值下降最为明显。 抗拉强度、 扭转、 弯曲 的降低主要原因是由 于镀锌时的热作用 所致， 而疲劳强 度和 冲击 韧性的降 低主 要是锌铁合金脆 性层 所刻劝 。 热镀锌温度在4 50左右，超过了回复温度，接近再结晶温度，引起钢丝内部金 相组织的改变。 经等温索氏 体化的 钢丝通过拉拔变形， 成为纤维状组织， 使抗拉强度、 扭转、 弯曲都有明显提高， 但在热镀锌时由于热作用原子重新排列组成新晶拉， 纤维 状组织基本消失而成为回火索氏体， 结果三项性能都下降了， 扭转下降幅度最大， 其 次是弯曲， 抗拉强度下降幅度较少。 镀锌温度越高影响越大， 钢丝直径越细所受影响 也越大。 在每一次扭转试验时， 如果试验条件相同，则都会出现附加应力; 而镀锌钢丝还 有一个表面锌层问 题。 镀锌钢丝除了在锌层剥离处出 现应力峰值以 外， 由于局部拉应 力提高， 同样会出 现附加应力， 扭转值的下降主要是由于应力峰值的影响。 光面钢丝 试样在扭转试验时， 轴向拉应力会阻碍扭转局部变形的形成， 这样试样就能达到均匀 的 扭转， 扭转集中 在局 部区 域的形 成受到延滞， 从而 提高了 扭 转值 圆. 1 . 本课题研究背景与研究内 容 随 着我国 经 济的 迅 猛 发 展 173 ， 金 属 制品已 成为 国 民 经 济的 重 要支 柱， 而 钢 丝作 为金属制品的重要产品之一， 被广泛应用于工业、 农业，以 及人民的日 常生活中， 但 目 前国内的钢丝生产技术无法满足我国经济的发展。 其中， 钢丝力学性能不均匀是个 普遍性的问题， 也是我国与钢铁强国钢丝质量差距中的一个重要方面。 因此研究如何 提高钢丝力学性能的均匀性的问题就显得非常迫切， 而影响 钢丝力学性能的因素有原 料盘条质量的均匀性、 钢丝在拉拔中的变形条件、热处理工艺控制参数的波动。 目 前，国内大部分钢丝制品生产企业依然是靠前苏联的生产技术，以及参考一 些经验性的 结 论组织生 产 174)。 由 于 缺乏 钢丝高 速拉拔变形的 机理性 研究， 甚至对原材 料的组织性能的一些观点也无法提供科学依据。 导致我国的 钢丝生产企业拥有一整套 具有国际先进水平的生产线却不能高效生产出国际市场上的高端产品以满足国内市 场需求。 近年来， 虽然我国钢丝制品的强度得到显著提升，然而，影响钢丝力学性能的很 多因素并未研究清楚， 包括钢丝拉拔变形过程中微观组织与力学性能的变化、 珠光体 钢丝在高温下的组织变化和断裂问题。 由上述文献综述可知， 对于珠光体钢塑性变形过程的研究， 主要集中于慢速变形 过程中珠光体组织形态及其力学性能演变规律。 随着现代钢丝制品生产技术的不断发 展， 对钢丝力学性能要求越来越高， 钢丝拉拔速度越来越快， 拉丝变形成为高速大应 变塑性变形过程， 因此其组织变形、 力学性能演变均表现出与慢速变形过程不同的变 9 南京理工大学硕士学位论文 冷拉拔珠光体钥丝的组织与力学性能 化规律，本文提炼了以 下几个同时具备理论与实际意义的共性问题进行研究: ( 1)冷拉拔钢丝变形条件下珠光体组织形变特征及力学性能演变规律。研究 钢丝内 珠光体组织在高速大应变拉丝变形状态下的变形特征， 从组织形貌上探索冷拉 拔钢丝高强度的来源。 (2) 冷拉拔钢丝在不同温度下组织的稳定性研究。钢丝作为工业产品，其生 产过程有可能处于不同温度下， 因此研究钢丝组织在不同温度下退火后组织性能的变 化变得颇为重要: (3) 冷拉拔前的热轧盘条钢丝在生产过程中，不可避免的会在钢丝表面造成 划痕等表面缺陷， 而这些表面缺陷不同程度的影响了钢丝的各项力学性能， 因此本文 针对其中的表面裂纹进行深入的研究，探寻其对钢丝力学性能的影响。 由于钢丝高速大应变拉拔变形过程是一个系统的工程性问题， 而在实验室里无法 实现类似于工厂生产的大规模高速连续变形的工艺性试验， 但对于钢丝拉拔这一工程 性问题， 又必须有规模化试验的统计数据才能说明评价新工艺的优劣。 因此本文的研 究只能是根据实验结果给与理论上的分析，并提出一定的生产建议。 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光休钥丝的组织与力学性能 第二章 试验材料与方法 本课题实验材料采用江苏法尔胜集团生产的70. 钢丝， 其化学成分如表2. 1 所示. 将中5. 5 n ” n 的70钢丝经过铅浴处理后进行拉拔， 试样采集为经过6 道次拉拔中 2. 6 n ” n 的钢丝、8 道次拉拔巾 2. 0nlm的钢丝和经过9 道次拉拔01 .s t d 刃 u 的钢丝. 表 2 . 1 si 70 钢化学成分 ( 质量分数) 元紊 m口cr峨sp 含 里0 6 7 一 众 7 50 l 7 一 在 3 7 众 5 一 0. 5 0 . 2 5( 0 2 5 城 0 0 4 5 城 0 . 0 4 2 . 1 力学性能试验 2 . 1 。 1 单向 拉伸试脸 单向拉伸试验样品由。 s j 、 。 1 乐 巾 2 .0和。 1 .8 四种钢丝组成， 每种钢丝选取4 个。试验采用 玩 你 兀 . 5 5 6 9型万能试验机进行，测得其抗拉强度、延伸率和应力 一 应变关系。 测试条件:室温，拉伸速度 2 仇 m 川 m in。侧得其抗拉强度和延伸率， 取平 均值作为该种钢丝的力学性能。 2.1 . 2 显徽维氏 砚度月试 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能参量。 由于显微硬度试验是研究金属微 观区域方便、 有效的手段， 因此其被广泛用于测定金属组成相的硬度以及研究金属化 学成分、组织状态与性能的关系. 其中， 维氏硬度具有载荷可以 任意选择、 测量数据精确可靠、 能较好测定薄层或 薄件的硬度等许多优点， 因此本试验采用 a r k a i shi 柳k-h l l 维氏 显微硬度计测定材 料中微区的显微硬度，并计算材料的平均显微硬度。 乞1 . 3 扭转性能试脸 扭转值作为衡量材料韧性的重要数据，因此在钢丝绳制品行业中， 扭转性能成为 一个非常 重要的性能指标。 其中， 扭转值指长径比 一定的 试样， 在扭转试验机上以 一 定的转速扭转至断裂时所扭转的圈数。 本文试验设备为g x-n型扭转试验机， 试验机夹头硬度 5 5 h r c 65捆c ，测试试 样长度 1 加d (d 为钢丝直径) ， 扭转 速度为1 8 0 r 加in， 保持速度稳定， 偏差控制在 士 1 湍以内。 扭转试验如图2 . 1 所示。实验期间，两夹头应保持在同一轴线上， 试样要 求平直， 确保不对试样施加任何弯曲力。试验机夹头的一端能绕试样轴线自由转动， 而另一端不会产生任何转动， 但能沿轴向自由移动， 确保不对试样引起的夹头之间长 度的变化产生阻碍。 为使试样在实验过程中保持平直，自由 端施加拉紧力， 拉紧力不 得大于试样公称抗拉强度相应力值的 2 % 。如断口 位置在离夹头 zd 范围内，则认为 南京理工大学硕士学位论文 本次实验无效。实验结果取 10 次平行实验的平均值。 冷拉拔珠光体钢丝的组织与力学性能 夹具， 固定端 夹具， 旋转端 刻粼曰 l 户1 仪地 圈2 . 1扭转试验示意图 变形前在试样表面画一条直线作为分析变形程度的参照，变形后该参照线形成 螺纹”即代表试样表面的 变形情况，变形情况如图 2 . 7所示。 图2 . 2扭转变形示惫图 “n石 的2. 钢丝表面裂纹的走向以 及裂纹方向与扭矩之间的夹角，决定了裂纹尖端的应 力集中程度。 试验中 采用线切割预制了 三种形式的 表面裂纹。 为方便说明， 论文中分 别以勺” “ 11” “ 1 1 1 ” 型裂纹作为 三种裂纹形式的简称。 “ 护型裂纹代表钢丝表面的 横向 裂纹: 气1 ”型裂纹代表裂纹走向与轴线成 45。 角，且与扭转形成的“ 螺纹” 走 向成 9 0 户 的裂纹; “ 1 1 1 ”型裂纹代表裂纹走向和钢丝表面变形走向一致，同时和钢 丝轴线成 4 50角的裂纹。 三种裂纹形式示意图见图 2 . 3 。 裂纹深度则为0 、 0 . 05、 0 . 1 。 、 0 . 15、 0 . 20、 0 . 2 5 画，以 便于研究裂纹形式与深度对钢丝力学性能的影响。 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光休钥丝的组织与力学性能 c) 与轴线成菊. 裂纹( 1 工 1 塑裂纹) 图 2 . 3 钥丝表面 预制的 裂纹形式 2 . 3 徽观组织分析 2 . 入1 组织观察方法 将材料制备成金相样品， 钱硝酸酒精腐蚀， 采用 o l m y p l us 金相显微镜、 q u ant a 2 00型扫描电子显微镜 (s阴) 观察材料的显微组织形貌，可观察到索氏体组织形貌。 2 . 3. 2 珠光体片 层间 距的 侧 定 珠光体片层间距的定义为两片相邻的铁素体 ( 中间夹着一片渗碳体)或两 片相邻的渗碳体 ( 中间夹着一片铁素体) 中心线的距离， 也可用一片铁素体和一片渗 碳体的厚度之和来表示。 本试验中， 采用两片相邻的渗碳体中心线的距离来衡量珠光 体的片层间距。 在q u 助 仃 a z oo 型扫描电 镜下，观察热轧盘条的金相组织，测量 1520 片渗碳 体的距离， 计算出珠光体的片层间距: 每个样品测量 巧一20 个珠光体团的片层间距， 取平均值作为该样品的珠光体片层间距值。 2 . 4 示差扫描量热 ( 璐c ) 分析 在物质匀速加热或冷却的 过程中，当 达到 特定温度时会发生物理或化学变化， 在变化过程中， 往往伴随有吸热或放热现象， 这样就改变了物质原有的升温或降温速 率。 差热分析就是利用这一特点， 通过测定样品与热稳定的参比 物之间的温度差与时 间的关系，来获得有关热力学或热动力学的信息。 本文研究中采用美国 ta 公司生产的仪 汇 司10 差式扫描量 热仪分析强塑性变 形 ( 。 红. 5 0) 7 护钢丝 在加 热过程中的 热 效应，以 此判断强塑 性变形 钢丝在加热过 l 3 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体锅丝的组织与力学性能 程中的相变过程。实验参数: 升温速度 20 / 耐n ，采用氮气保护，测试温度范围， 室温至500 。 2 . 5 俐丝热处理 根据dsc曲线判断出钢丝的相变温度，采用真空炉进行退火处理，保温3 0mi n， 随炉冷却。取出后对热处理过的钢丝进行力学性能试验，以及观察微观组织变化。 将直径为巾 2. 6的冷拉钢丝分别在1 00，2 00，3 00 ， 4 00， 4 50，5 00 ， 600 等温度下保温30分钟， 随炉冷却。 观察在不同 退火温度下钢丝的力学性能 变化，并总结规律。 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体钢丝的组织与力学性能 第三章 珠光体创丝的组织与力学性能研究 共析钢微观组织是由很多的珠光体团组成，且相邻珠光体团的片层排列方向 不 同。 钢丝冷拉拔过程中， 宏观上随着钢丝直径的减小钢丝强度不断上升， 而微观上珠 光体团 随 之 纤维 化， 并且 珠光 体片 层 逐渐转向 平行 钢丝轴向 方向 【， 习 。 随 着 现代 技术的 发展， 分析水平的 提高， 对珠光体钢丝塑性变形过程中组织变形的研究不断深入。 然 而， 有关影响钢丝力学性能的很多方面并未研究清楚， 包括钢丝拉拔变形过程中微观 组织的变化，及珠光体钢的加工硬化特征等。 本章拟从观察分析70钢钢丝生产过程中微观组织变化入手，结合钢丝力学性能 演变规律， 探讨珠光体钢丝在高速大应变状态下的 加工硬化机制。 3 . 1 力学性能 本试验对冷拉过程中各道次的抗拉强度和显微硬度进行了测试，测试结果见 表3 . 1 和图3 . 1 。 随 着钢丝真应变的提高， 抗拉强度、显 微硬度均提高， 抗拉强度、 显微硬度与真应变之间呈线性关系。 冷拉拔钢丝横、 纵截面上显微硬度比 较接近， 横 截面的显微硬度略高于纵截面。表明拉拔以后的钢丝出现了各向异性。 表3 . 1 钢丝力学性能与真应变之间的关系 真应变( : ) 抗拉强度 (mpa) 横截面显微硬度( 柳) 纵截面显微硬度( 刚) 1 .5 02 .0 22 .2 4 娜娜娜 翻脚 姻翔翔脚翔翻 夕r侧叱公盈 宜 脚 三. 幽曰娜 任布名绷 翻盛介扣 件1含 月曲交佃， ( a)抗拉强度与真应变的关系(h ) 显徽硬度与真应变的关系 圈3 . 1钥丝力学性能与真应变之间的关系 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体钥丝的组织与力学性能 系、冷拉珠光体钢丝的强化机制等问题进行分析和讨论。 而本文分析样品 均采集于法尔胜实际生产现场， 最终道次拉丝速度约 1 伽/s。 在 这样的高速变形条件下易产生应变集中， 因此应变量较小时， 变形集中于少量软取向 珠光体团; 随着拉拔变形应变量的 增大( : 1. 5)， 各珠光体团片层排列逐渐调整至平 行拉拔 ( 丝轴) 方向， 进一步拉拔各珠光体团协同变形， 珠光体片层间距与钢丝直径 呈线性变化关系， 如图3 . n所示。 图3 . 11 钢丝拉拔珠光体片层形态变化示意图 由于变形过程中不会产生新的珠光体片层， 原有片层亦不会消失， 因此珠光体片 层间 距 人 和钢丝直 径 。 。 的 关系可 表达为: d 二 儿d 二 ( 3 一 1 ) 而钢丝拉拔中变形应变量定义为: “ 一 妞 曰 ( 3 一 2 ) 因此，珠光体片层间距和拉拔变形应变量 (:1. 5) 的关系可表达为: d 一 ， ( 一 匀 ( 3 一 3 ) 如图 3 . 12 所示， 根据(3一 3)式预测计算的珠光体片层间距在应变量大于 1 . 5后 与实验数据吻合较好， 而对于高强度钢丝生产来说， 最终产品的应变量往往在 2 . 0以 上。因 此，3 一 3 式可以 有效的预测计算成品钢丝的珠光体片层间距。 南京理工大学硕士学位论文冷拉拔珠光体锅丝的组织与力学性能 仙栩娜 伪翻因 e二益盆迩亥 0 刃. j， 刀， 岛之口2肠 书它交( 昨 图 312 片层间 距与拉拔真应变之间的关系 由于珠光体是由铁素体+ 渗碳体片层组成的复合结构，因此珠光体强度可采用混 合律进行 计算险幻 】 ， 计 算过 程中 分别 考虑铁素体、 渗碳体的强 度。 。=aevs +。 。 几( 3 一 4 ) 式中 拉拔变形后钢丝流变应力; 几: 渗碳体强度; 吃: 铁素 体强度; ve: 渗碳体 含量: 凡: 铁素体含量; 然而，随着变形应变量的增大，由于加工硬化效应铁素体、渗碳体强度均会随之 增大。但由于渗碳体难以产生塑性变形， 其加工硬化效应基本可以忽略，根据文献 介= 80o o m p a 。而铁素体的强度随其片层厚度的 变化可由hall一etch关系表示: 1 几几。 + 划口 二(3 一 5) 式 中: 、为 初 始 铁 素 体 强 度 ， 与为 变 形 后 铁 素 体 片 层 厚 度 ， k 为 常 数. 根据 s e 抽实验观察， 珠光 体钢拉拔变形， 渗碳体片层厚度和铁素体片层后基本 上同步减小，而共析钥中铁素体约占 9 以， 所以 根据式 (3一 3) 可得: 一 喻 exp ( 一 公 一 希 ，( 一 d ( 3 书) 式中: d . 为变 形 后铁素 体片 层厚度 ， d 为变形前铁素体片 层厚度。 将 ( 3 一 5 ) 、( 3 币)代入 ( 3 一 4 )式， 住 =、 、 十 、 、 可得: 十 希 心， 口 ( 3 一 7 ) 南京理工大学硕士学位论文 由 ( 3 一 7 ) 可得:i n a+ b ，即 i n o oc 。 由图 3 . 13 可以看出， 在拉拔变形应变量较小 变形应变量基本呈线性关系。 但应变量 : 1 . 5后， 量较小的阶段。 冷拉拔珠光体锅丝的组织与力学性能 ( : 1 . 5 ) 的条件下 i n o与拉拔 钢丝的加工硬化率明显高于应变 艺1 卫， 二u 众oo j， 刀嗯 j之口2 离应交川 图 3 . 13加工硬化与真应变之间的关系 当变形量较小时， 渗碳体的变形以弯曲和转动为主， 珠光体片层组织是比较完整 的，珠光体片层间距容易测量.此时冷拉珠光体钢的强化机制主要表现为细晶强化。 当变形量较大时，珠光体团的取向已经全部趋于拉拔轴线，渗碳体发生严重的弯曲、 剪切、 拉伸等变形， 而事实 上由 于变形量的 增大， 铁素 体中 将 产生大量的 位错1781， 位 错间的弹性交互作用可以 造成位错运动的阻力， 这就形成位错强化。 当晶体中位错的 分 布 比 较 均 匀 时 ， 流 变 应 力 、 和 位 错 密 度 p 拍 l#在 ba “ e 曰i rs ch 关 系 式 : 又二喻+任 户醉(3 一 5) 式中: 、 为 金 属的 流 变 应 力， 毛 等于 位错 密度为 零 时 的 流 变 应 力， p 为 位 错密度， 卜 为 切 变 模 量， b 为 柏氏 矢 量 ， 。 为 系 数， 多 晶 体 铁 素 体 。 二 0 4 ， 参 星 城表 示 位 错的 交 互 作用以外的因素对位错运动造成的阻力。由式可见， 位错密度提高， 晶体的流变应力 也提高。 在珠光体钢的 拉拔过程中， 强烈的塑性变形可以