（材料加工工程专业论文）高速大应变冷拔钢丝的组织和力学性能.pdfVIP

摘要 摘要 现代化工业应用的背景下，对钢丝制品高性能低成本化要求越来越高。而钢丝生产技术 的快速发展，通过增大拉丝变形应变量的方法实现了钢丝的高强度化，并且随着钢丝拉拔技 术的进步，拉丝速度越来越快，生产效率也目益升高。因此，现代钢丝生产主要是一个高速 大应变的塑性变形问题。由于对这一客观的问题缺乏深度的理解与系统研究，故长期以来我 国钢丝制品业的技术进步主要靠经验的摸索，缺乏有力的理论支撑 鉴于此，本文较为系统地研究了高速大应变工业生产条件下高碳( 珠光体钢) 钢丝拉拔 形变过程，通过大量的形貌分析、微观分析、力学分析、统计分析和综合分析，发现了大应 变量变形条件下高碳钢丝高强度的组织源泉，并根据这一认识开发制定了高强度中碳钢丝生 产工艺主要创新成果如下： 研究了高碳钢( s w r h 7 2 a ) 从中5 5 n u n 冷拉拔至o ! 5 m m 左右的变形过程，综合分析 了钢丝的组织和力学性能的变化情况。结果表明，形变后的钢丝，横截面上晶粒显著细化， 而在纵截面上晶粒逐渐被拉长呈纤维状；其抗拉强度则随着形变量的增加而不断增加；形变 前的珠光体团为随机取向，f e 3 c 片很平直：随着形变量的增加，f e 片逐渐转到与拉丝轴 平行的方向上，基本与拉丝轴方向一致。珠光体片层间距随着拉丝应变量的增大而减小，应 变量较大时( 1 5 ) ，珠光体片层间距变化正比于e 】【p ( 一s 2 。s w r h 7 2 a 钢丝强度随拉拔 变形应变量增大丽增大，并且应变量较大时，强度增长速度明显快于应变量较小阶段初步 分析珠光体钢丝强化机制得知，变形初期由于珠光体片层间距较大，其加工硬化符合 h a l b p e t g h 关系；应变量增大，珠光体片层问距随之减小，片层基本沿丝轴方向捧列，铁素 体片层厚度 i 0 0 n m ，类似于细片层叠层材料，其强化机制符合奥罗万( o r o w a n ) 机制，加 工硬化率明显比变形初期高珠光体钢( s w r h 7 2 a ) 大应变量拉拔变形形成的珠光体片层 定向捧列( 沿丝轴) 。片层间距极为细小( _ _ 2 0 0 0 m p a ) ，还要求良好的抗疲劳性能和高 的成材率。研究表明，钢丝绳能否实现高性能化主要取决于其微观结构，而微观结构受 控丁原材料成分，拉拔和热处理一 艺。 且前，国内外厂家大都采用o ，6 2 加8 2 的赢碳钢作为高性能钢丝绳生产的原料1 “”。传统理论认为，细小均匀的索氏体组织( 双相组织) 具有良好的冷加工性能和机 械性能，是钢丝拉拨的最佳组织，而要获得单一的索氏体组织就只能选择共析钢或接近 共析成分的钢材。2 0 0 0 年前后，日本、德国等发达国家开始研究高性能中碳钢丝绳，力 求突破传统高性能钢丝绳只能用高碳钢的禁区。长期以来，国内外厂家之所以对高性能 中碳钢丝的研究没能取得突破，是因为中碳钢强度低于高碳钢，必须经更高的压缩率拉 拔，以获得制绳钢丝强度大于2 0 0 0 m p a 的最低标准，所以中碳钢丝一般只能用于捆绑材 料使用。 目前国内金属制品行业通用的拉丝技术存在的问题如下： ( i ) 无法达到高强度与高寿命的和谐统一。钢丝的高强度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领域的一丈难题。高档次的钢丝绳必须在满足足够的强度下， 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一定差距。 ( 2 ) 国内钢丝绳生产的成材率较低。以不锈钢丝绳为侧，国际先进水平综合成材率 大于9 5 ，而国内先进水平只有8 0 左右，主要原因是拉丝、捻股和合绳过程中经常发 生断丝。成材率低不但降低r 产品的质量，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，生产工艺的改进主要依靠经验。因此， 需要进一步开展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 1 2 钢丝制品行业的发展方向 2 0 0 3 年1 0 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 2 0 1 。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研究方向： ( 1 ) 在保持高强度水平的前提下，通过微观组织设计与控制改善冷拔性能及韧性， 同时降低环境污染； ( 2 ) 研发新技术和改进已有技术，以便经济、清洁和安全地生产高使用性能的钢铁 2 第一章绪论 产品，适用且用户满意、长服役寿命并易于回收及再循环使用。 进入2 l 世纪以来，中国逐渐成为世界制造业的中心。随着钢丝制品行业本身以及各 相关行业的高速发展，中国的钢丝制品企业趋向于f 述几个方面发展： ( 1 ) 低成本化 经济效益是所有行业追求的根本，因此降低钢丝制品的生产成本是钢丝制品企业主 要的工作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，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。以及研究 钢丝高速拉拔形变机理，降低拉拔断丝率，进而提高生产效率；二是降低生产成本，包 括原料成本、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 始高强度中碳钢丝绳的研制，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 在航空工业，汽车工业以及高层建筑、大跨度桥梁建设申，钢丝制品都起到了至关 重要的作用在这些领域中。不但要求钢丝有足够高的承载能力以保证安全性，还要求 晟大限度地减轻白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。据文献报道，日本某研究机 构已在实验室中制备出强度高达5 0 0 0 m p a 的钢丝绳产品。 3 尔南人学博 ：学伊论文 1 2 钢丝、钢丝绳生产工艺1 i 2 1 钢丝绳生产工艺流程 高强度钢丝绳的生产是一项i ：程性研究：f 作，流程很长，影响冈素_ 卜分复杂。传统 的高强度钢丝绳生产工艺流程如图1 1 所示。钢丝制品业的原料为0 6 5 - 1 3 r a 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：冷拉拔前需要进行去除热轧盘 条表面的氧化皮、酸洗除锈、涂润滑层等预处理；由于钢丝拉拔是一个冷变形过程，伴 随着剧烈的加j = 硬化，难以一次拉拔至成品尺寸，因此以两次中间热处理为标志将拉拔 变形分为大、中，细拉三个阶段；大、中拉间的上e 火处理的目的是消除拉拔过程中所造 成的冷加 硬化，恢复钢丝塑性，以便进行进一步的冷拉拔：而细拉前进行的中间热处 理不但可以消除拉拔过程中所造成的加硬化，其主要目的是为r 生产出具有良好综合 机械性能的成品钢丝。一般都采用铅浴淬火：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：根据所生产的 钢丝绳结构将成品钢丝进行捻股成绳。 图1 1钢丝绳生产i 【艺路线示意图 f i g 1 1f l o wc h a r t o fs l e e ! w i r er o p e 4 第一章绪论 1 2 2 钢丝拉拔预处理 无论是热轧线材或经热处理后的半成品铜丝。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 o 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 o 5 这些氧化铁 皮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，塑性较差，会刮伤模具和钢丝表面，再则氧化铁皮夹在模壁与铜丝之间， 不仅会增大其问的摩擦，增大了摩擦力。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，造成镀保护层时形成“翘皮”等缺陷。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，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 经过酸洗和水洗的钢丝，妇果表面很光滑，则只能吸附很少音勺润滑剂。在干式拉拔 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划伤， 并易磨损拉丝模。为了促进钢丝拉拔顺利进行，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 一层较厚、附着力强、表面租糙的润滑层，以便在后步拉拔时吸附润滑剂，将其载入模 内，形成澜涝膜。 按涂层的性质及生成方法。常用的润滑涂层可分为： 1 ) 非金属涂层： 鑫、物理方法：石灰涂层、硼砂涂层，水玻璃涂层 b 、化学方法：磷酸盐涂层、黄化涂层 2 ) 金属涂层： “熬镀：热镀锌、热镀锡、热镀锌铝合金 b 、电镀：电镀铜，电镀锌 1 2 3 钢丝的拉拔 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 徽镜下可以看到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。总压缩率相同条件下，道次 压缩率越大钢丝强度越高，但钢丝韧性较差；道次压缩率小，生产效率低，但钢丝综合 5 尔南人学博十：学忙论文 性能较好。随着钢丝生产技术研究的发展，采l j 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) ，可使钢丝拉拔道次斥缩率提高到3 0 以上，而 对钢丝机械性能无不利的影响。 表1 1 不同品种钢丝的道次脉缩率 t a b l e ! ic o m p r e s s i o nr a t i op e rd r a w i n go fs t e e lw i r e 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f 降。 拉丝工序在实际生产中分为预拉、丈拉、中拉、细拉等过程。由于拉拔过程中各阶 段采用的拉拔功率不一样，拉拔速度也不一样，因此采用的润滑方式也不一样，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 项很重要的指标。在制定生产 艺流程和拉拔路线，拉拔道次时，部是为了能得到标 准所规定的用户所需要的机械性能( 强度和韧性) 。根据多年来生产中实际测定表明，影 响成品冷拉钢丝的抗拉强度饥值的影响因素有很多：钢丝的化学成分( c ，m n ) 、热处 理时工艺制度、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。为 此，许多学者提出了不同的强度预测计算公式，其中较有代表性的是波捷姆金公式： 6 第一章绪论 盯b = 1 0 0 c + 5 3 一d 氓：0 6 q 堑( c + v ：竺竺1 9 i g 1 0 0 一q + o o 0 0 5 q 留c p = 1 - l 一x 1 0 0 q c r 钢丝道次压缩率( ) ； ( i - 1 ) ( i - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 1 2 4 钢丝的热处理 由于钢丝的拉拔塑性变形是在室温下进行的，且钢丝拉拔过程形变量较大，所以随 着形变量的加大，必然会发生冷加工硬化。即强度、硬度不断升高，变形抗力不断加大， 塑性却不断下降。当形变量达到一定值后，硬化现象严重，金属无法继续进行冷加工变 形，钢丝则表现为拉拔脆断。 ， 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 限显然，冷加工极限是衡量金属塑性的指标。对于冷加工，由于变形金属只发生加工 硬化而无囤复再结晶现象，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和钢丝的组织结构有关，尤其以钢丝的金相组织影响较 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。这是因为索氏体 组织中渗碳体相和铁素体相弥散度较高，片层细，渗碳体极薄。冷加工时，金属晶体内 位错数日随变形程度增大而不断增加，则其承受的冷拉拔变形能力愈好，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迸行。 进而达到所要求的成品钢丝最终性能，因此它是钢丝生产过程中的一道关键的工序。钢 7 尔南人。学博十学付论文 丝的热处理方式和种类很多，有退火、正火、等温淬火、网火、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，返h j 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。 钢丝热处理若按照它在钢丝生产【i 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： ( 1 ) 为了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。再有，一般低碳钢原材科线材均不需要进行预先热处理。 ( 2 ) 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，要进一步进 行继续冷加工的中间热处理。一般中间热处理在钢丝生产过程中是必不可少的。 ( 3 ) 为了确保成品钢丝的机械性能，进行钢丝的最终热处理。 1 3 钢丝拉拔变形研究 由于长期以来国内外厂家都是采用共析点附近的高碳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 钢丝拉拔变形受力分析 拉丝变形是在一个特殊的应力状态f 进行的，它与一般的拉伸变形完全不同。在拉 丝状态下，材料受到径向压应力和轴向拉应力的作用，其受力状态见图1 2 a ( 忽略拉拔 过程中摩擦力的作用) 。根据t r e s c a 屈服条件1 2 3 1 可求出在拉丝模内，应力盯，和的 分布如图5 6 bf 半部所示。可以看到，在刚进入拉丝模时，材料主要受压应力的作用， o - e = 玎。，盯，= o ；邸将通过拉丝模时，材料的受力的情况为： = o - , ( i n 等- 1 ) ( 1 5 ) 咿叫n 蔷 s ， 而应力沿着径向分布的规律：在变形区，每个环形外表面上作用的应力d a ，内表 面上作用的应力d i 2 ，如图1 2 b 所示。径向应力总是试图减小其外表面的面积，因此距 中心越远，外表面的面积越大，所需的应力也越大根据屈服判据盯，一d j = d ：，越靠 近材料的表面，压应力o j 越丈，则拉应力玎，越小；而在材料的心部，压应力较小，而 拉应力较大1 2 1 1 | 2 3 ) 。 因此，在拉丝状态下，材斜表面上在拉丝模入口处受到最大的压应力，心部在拉丝 8 第一章绪论 模出口处受到晟大拉应力和较小的压应力。若考虑摩擦力的作用，材料的应力大小还与 模具设计、拉丝过程中的涸滑等有关，因此材料在拉丝模腔中的变形是一个极其复杂的 过程 ( a ) 拉丝时轴向应力 ( b ) 拉丝时径向应力 图1 2 拉丝的应力状态分析 f t 晷1 2 s t r e s ss t a t ea n a l y s i so f t e n s i l ea n dd r a w i n g 图a 盯，一材料的屈服强度。盯，一轴向应力，一垂直于轴向的应力， d l ，d 2 拉丝前后材料的直径大小； 图b 仃们一作用在环形外表面上的应力，盯口2 作用在环形内表面上的应力 1 3 2 钢丝拉拔组织变形研究 l a n g f o r d ”通过研究钢丝拉拔过程中钢丝横截面上组织的变化规律，描述了珠 光体钢冷变形过程中的微观组织结构变化。根据钢丝拉拔变形应力状态可知，与纵截面 相比，钢丝横截面表现出的是轴对称的变形而非纵截面上呈现的平面应变状态，所以对 横截面进行研究更能体现钢丝拉拔变形的特征 图1 3 大应变( - - 5 1 ) 拉拔变形珠光体钢丝t e m 形貌( a ) 纵截面( b ) 横截面 f i g l 3t e mm i c r o g r a p ha n dd i f f r a c t i o np a t t e mo b t a i n e df r o mt h ep e a r l i t i cs t e e lw i r e 2 ” 9 东南人学博十学侮论文 研究发现拉拔变形后钢丝纵截面上形成纤维状组织( 如幽1 3 a 所示) ，横截面i - 珠 光体片层发生剧烈扭曲( 见图1 3 a ) ，传统理论认为是脆性相的渗碳体也表现出一定的塑 性变形能力。在珠光体钢中，虽然渗碳体只 l ，8 左右- 但是渗碳体是珠光体钢中的强 化相，钢丝力学性能与其形态和分布状态密切相荚。因此国内外研究青一直把璩光体 钢变形中渗碳体的变化作为一个研究的重点1 2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 1 。 由于冷拔钢丝力学性能与其珠光体片层间距直接相关，冈此国外研究者2 川”通过 研究钢丝纵截面微观组织得出钢丝珠光体片层间距与钢丝拉拔戍变间存在如f 函数对应 关系： s = s o e x p ( - c 2 ) i - 7 ) 式中s ：拉拔变形后珠光体片层间距； s o ：钢丝初始片层间距； e ：拉拔变形应变。 如图1 4 所示为珠光体片层间距随拉拔应变增大的变化曲线，从图可以看出实验测 得结果比较符合轴对称变形，而根据平面应变变形计算的片层问距减小速度明显快于实 验结果。同理，如图1 5 所示珠光体中铁素体和渗碳体片层厚度随应变量具有相同变化 趋势。 7 0 5 0 4 9 2 0 ，o o k 蕾。删 l _ l _ - - d 叫 l i l _ - k l 、l - - 1 一 蕊 。 攀。 纛 o，黛3l 酬嘴s r d a 图1 4 拉拔应变一珠光体片层间距关系曲线 f i g ! 4 i n t c r l a m e l l a rs p a c i n ga saf u n c t i o no f d r a w i n gs t r a i n ，” 1 0 鍪霉_翟毳譬墨婚童曩董_鼍o 第一章绪论 翻黼磁嘲飘嘲 图1 5 拉拔应变一片层厚度关系曲线 f i 9 1 5 t h i c k n e s so f f e r r i t e c e m e n t i t e l a m e l l a ea sa f u n c t i o n o f d r a w i n gs t r a i n 3 1 3 3 钢丝拉拔变形加工硬化现象研究 层片珠光体组织的强度主要取决于层片间距，但是当间距在o 1 t u n 时，屈服强度也 只有1 0 0 0 m p a 左右。同时，片层间距s = 0 1 t t m 时，已属于细珠光体组织，因此再要通 过控制共析转变来减小间距是颇为困难的然而，利用铁素体一渗碳体双相组织的强烈 加工硬化效应可进一步发挥珠光体组织的强度潜力。! e m b u t y 和f i s h e r ”3 1 率先研究珠光体钢冷拉拔变形与其强度的关系。他们发现珠光 体片层间距随着拉拔应变量的增大而逐渐减小，并针对冷变形珠光体钢的屈服强度随拉 拔应变的变化规律提出了修正的h a l l - p e r c h 关系。他们认为渗碳体对位错运动的阻碍效 果等同于晶界。并指出渗碳体片层厚度和珠光体片间距随着冷变形钢丝的直径减小而减 小，其应变是轴对称的，钢丝强度符合加工硬化关系 仃。七“ ( i - 1 ) 式中盯。：应变为e 时的流变应力； k ：h a l l p e t c h 系数； 。：为珠光体片层间距。 日本学者s e i k in i s h i d a ”2 1 等人分别考唐铁素体和渗碳体在拉拔变形过程中的加工 硬化，然后采用混合律计算一定变形量下钢丝的流变应力。他们认为珠光体钢丝拉拔过 程中两相比例、渗碳体强度不变，主要分析了铁素体的加工硬化，得出如下关系式： 盯：+ 吃k 。+ ( 强& 。k p p ) j ( 1 - 9 ) 式中 盯：拉拔变形后钢丝流变应力5 尔南人学| 尊十学忙论文 d j ：渗碳体强度： 盯。o ：铁索体初始流变应力； k ：渗碳体含量； v o ：铁素体含量； z ：弹性常数； b ：伯格斯矢量； & o ：铁素体初始片层厚度： 占：拉拔戍变： 口、b ：常数。 如图1 6 所示为经不同温度等温转变( 即不同片层间距) 珠光体钢丝拉拔应变量和 抗拉强度关系曲线( 拉丝速度3 3 1 0 。m s ) ，图中曲线为采用混合率计算的结果。从图 可以看出应变量较小时，模拟曲线和实验测试数据吻合较好，但应变量大f2 0 后，混 合律计算的加工硬化值低于实验数据。 9 2 a c r 。 妊 。 0 宙 乱 ： 一 ， o b = 8 2 3 k ， 。s 8 2 a 夕7 1 o2 03 04 00 c t t i p 2 啪k 1 y o o2 03 o4 。o c t 冒 a - 芏 哩 ， b 1 ，02 03 ，o4 0 c t t l p 。8 6 3 k y t 图l ，6 珠光体钢丝拉拔应变量和抗拉强度关系曲线 f i g l ，6 e f f e c to f t o t a ls t r a i no nu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho f p e a r l i t es t e e lw i r e s 1 3 2 1 ( a ) 乙= 8 0 3 k ：( b ) = 8 2 3 k ：( c ) 。8 4 3 k ：( d ) 如= 8 6 3 k 1 2 懈 一可d善口；o 斟 妻誊tlinb 第一章绪论 图1 6 所示结果说明，分别考虑铁素体、渗碳体的加i ：硬化，并采用混合律计算不 同应变量钢丝强度的方法在珠光体钢大应变拉拔变形中适用性较差，这可能是模型中加 工硬化只考虑铁素体位错密度的增加，并未考虑珠光体片层组织捧列形式变形所带来的 强化效果 加工硬化的效应取决于晶体在塑性形变过程中位错密度的改变。而铁素体一渗碳体 双相组织形变过程中位错密度的改变可分为两部分：一是由于协调形变的要求所决定的 p a ；二是位错交互作用所引起的店风比办小得多，可以略去不计。因此，相同拉 丝变形条件下。双相的珠光体组织加工硬化效应远比纯铁变形明显。设珠光体片层间距 为s ，切变面与层片扭垂直，在每一滑移面中央部分的切应变为r ，滑移面两端与几乎不 能形变的渗碳体紧密粘接在一起的，因而靠近渗碳体的应变量接近零，这样就使渗碳体 之间的铁素体出现s 形的晶格弯曲，弯曲半径( r ) f i 惭s 2 ，因此协调形变所产 ， 生的位错密度n 为： 2 ， 以2 面 1 - 1 0 流变应力f j 与位错密度的关系如下式所示： 由此可以得出： ! q = t i - i - q “和2 ( 1 - 1 1 ) ( i - 1 2 ) 式中c 为常数。经冷加工后，铁索体层片中出现位错胞状亚结构。胞状亚结构的存 在所引起的强化作用可由下式表示： 1 仃，= q + 五，- i ( i 1 3 ) 这表明冷形变加工硬化是产生协调形变后位错密度增加的结果。铁素体的晶格畸变 是与渗碳体不可形变分不开的。渗碳体在外力作用下使铁索体获得胞状亚结构，并使高 位错密度的胞壁稳定下来，这就是目前国内外研究者所认同的层片珠光体组织冷形变硬 化的实质 ，f 印 + 0 = 0 尔南人学博十学位论文 1 4 强塑性变形过程中第二相回溶现象的研究现状 近几十年来，通过应力作则或者强烈塑性变形技术来获得疆微米莆l 纳米缓的品粒成 为国内外的一个研究热点。这些新技术有等径挤压( e c a e 或e c a p ) 、反复侧挤压( r s e ) 、 高压扭转( h d t ) ，强变形扭转( s t s ) 、反向扭转，累计扭转( a r b ) 、异周速轧制、大 压f 晕冷轧、极低温轧制、双轴和多轴交替温锻、摩擦棒加i ：和球磨加工等。在人量的 强塑性变形研究文献中都报道了一个新现象：室温f 的强烈塑性变形在导致获得具有大 角度晶界、尺寸在5 0 n m 5 0 0 n m 的等轴细晶粒过程中。合金中第二相质点出现回溶、 基体重新成为过饱和嘲溶体：在随后的再时效中第- 二相再次以细小颗粒析出，使皿微 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，在合金中具有普遍意义，因而受到了高度重视。p ” 1 4 1 强塑性变形中第二相的回溶现象 在室温强塑性变形中第一二相除产生塑性变形、破碎外，还发现同溶到母相中，形成 过饱和固溶体，类似于热处理中升温引起析出相溶解的现象。表1 2 列出已观察到的强 塑性变形过程中第一二相出现的回溶结果。由表1 2 可知，两相合金在室温强烈塑性变形 时都出现第一二相的变形、碎化和溶解，然后再形成过饱和固溶体的现象。这一现象已成 为普遍规律，只是过去被人们所忽视。 表1 2 强塑性变形中第二相的回溶结果 t a b l e l 2t h er e s u l t so f r e d i s s o l u t i o no fs e c o n dp h a s e sb ys e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n 1 4 第一章绪论 图1 7 是采用透射电镜对3 种状态下的0 片横向扫描后记录的能谱过滤图。由圈1 7 可见，未变形时，片状o 相表面光滑平整，c u 的能诺强度峰很集中；进行一道次e c a p 后，0 相片层变宽，边界变模糊，能谱峰的宽度变成4 4 n m ；说明在破碎的0 相片边界 上出现了c u 原子扩散( 图1 7 b ) 4 道次e c a p 后，0 相破碎成纳米级的球状，且数量 大幅减少( 图1 6 c ) o 的c u 能谱宽度变为1 1 7 n m ，这些充分表明：o 相质点因强变形而 溶入基体。经8 道次后，在观察区未发现有c u 在晶界聚集的迹象；表示c u 原子全部溶 入晶内的基体中，形威过饱和固溶体。 图1 7 a l - 1 7 a t c u 合金e c a p 变形前后c u 浓度分布图 ( a 未变形( ”道次( c ) 4 道次 f i 9 1 7 a i - 1 7 a t c u a l l o y i n t e n s i t yp r o f i l e s o f t h e c u m a p p i n g sa f t e r e c a p 1 ( a ) u n - d e f o r m e d ( b ) o n ep a s s ( c ) f o u rp a s s 文献观察a i - 0 5 7 m g - 0 3 7 s i 合金得出：e c a p 使半共格晶相 y ( m 9 2 s i ) 由棒状破 碎成数段。然后再变成圆盘状；与基体的共格关系消失，并产生部分回溶，导致在e c a p 的4 道次后硬度下降我国研究了2 0 2 4 a 1 台金在固溶体、峰时效( 1 9 0 cx 1 6 h ) 和过时效 ( 2 9 0 cx l h ) 状态下的透射电镜组织随e c a p 道次增大时的变化得出| 3 9 1 经l 道次后固 溶状态析出许多的稳定相0 ；2 道次后0 相质点又变少，同时产生大角晶界：4 道次后， o 相颗粒再次增多，而且形成以大角度晶界为主的显微组织。这一点与文献”在l 、3 ， 4 和8 道次后的观察不同，该文直未发现强变形促进过饱和固溶体析出。峰时效状态， 它由g e 区和片状过渡相s 构成。l 道次e c a p 后，s 与基体的取向消失，片状外形产生 形变弯曲和破断；2 道次后s 进一步破碎，并溶入基体；4 道次后因s 相数量大减，使 其衍射斑点的强度显著降低；8 道次后s 相消失，但析出平衡相0 均匀分布在基体内， 而且大角度晶界的数量也增多。对过时效状态，是s 片状相分布在基体的( 1 1 0 ) 面上 2 道次变形后s 片产生变形，主要沿剪切带边界出现，只有少量仍保持在晶内：4 道次 后s 片进一步破碎，数量减少；8 道次后只有少量s 相颗粒分布在细小的等轴晶粒晶界 上以上研究表明：强塑性变形既使gp 区、过渡相s 和稳定相0 破碎和溶解，又促进 淬火过饱和固溶体析出稳定相0 。但是，3 种状态在经8 道次强变形后所得组织各不相同。 lll_t 尔南人学博十学何论文 州溶态是数鼙较多的0 相。峰时效态为更多的0 相圆盘状顾粒均匀分布住基体中，而过 时效态则只有少量s ，相颗粒分布在细晶界上。为什么出现以上很不相同的形态，该文作 者朱作出解释，尚待进一步探讨。 1 4 2 珠光体钢强塑性变形引起渗碳体分解现象研究0 6 1 埘l w i l s o n ”率先开始研究碳化物沉淀和位错问的交互关系，其研究发现马氏体的塑 性变形抑制回火过程中碳化物的析出，而回火马氏体塑性变形会导致碳化物的重溶。 相似的，w i l s o n 还发现细小渗碳体沉淀也会随着塑性变形而溶解，只是与碳化物相比 塑性变形对其的影响略小。 珠光体钢强塑性变形引起渗碳体分解现象首先发现于钢轨表面。研究发现珠光体钢 轨表面形成了一个f c c 纳米晶粒层，而几乎所有的渗碳体片层都消失了。研究者认为这 种转变是由火车车轮和钢轨表面反复的接触作用引起的。在高速列车的作用下。钢轨表 面产生快速的塑性流变，列车反复通过，日积月累钢轨表面的塑性变形日益加剧，虽终 形成了一个难以腐蚀的表面薄层( 见图1 8 ) 。 图1 8 钢轨表面白层的t e m 形貌( a ) 明场像( b ) 暗场像( c ) 衍射花样 f i 9 1 8t e m o b s e r v a t i o n so f t h em i c r o s t r u c t u r eo f t h e w h i t ee t c h i n gl a y e r o nt h es u r f a c eo f t h er a i l ；( a ) b r i g h tf i e l di m a g e ；( b ) d a r kf i e l di m a g e ；( c ) d i f f r a c t i o np a a e m | 6 6 1 b e l o u s 和c h e r e p i n “7 发现冷变形珠光体钢在3 0 0 5 0 0 c 时其磁饱和强度会发生不可 回复的减少，他们将其归结于溶解渗碳体的回溶。这过程中伴随着铁磁性的铁素体中析 出顺磁性渗碳体的过程。a p a y e v ”提出了另一个对f 热磁性的解释：他认为在塑性变 形过程中，渗碳体f e 3 c 转变为h i i g g 碳化物f e 5 c 2 ，并在随后的加热过程中重新转变为 渗碳体。 对冷变形珠光体钢进行穆斯堡尔分析开始于1 9 7 0 s 。穆斯堡尔谱由铁素体和渗碳体 谱线组成，可以通过对渗碳体谱线积分强度的计算较为准确地估计冷变形钢中渗碳体的 比例。如图i 9 所示，研究者发现冷变形引起珠光体钢中渗碳体的分解与珠光体片层间 距密切相关，片层越薄，相同变形条件f 渗碳体分解现象越明显，而珠光体团大小对其 1 6 第一章绪论 影响不大作者认为渗碳体溶解的驱动力源于碳原子和铁素体中位错的结合能大于渗碳 体中碳原子和铁原子的结合键能。 图1 9 珠光体钢穆斯堡尔谱分析曲线( a ) 原始材料( b ) 大珠光体团+ 冷变形 ( c ) 厚珠光体片层+ 冷变形( d ) 薄珠光体片层+ 冷变形，冷变形量9 1 ，5 f i 9 1 9m o s s b a u e rs p e c t r ao f p l a i nc a r b o ns t e e lc o n t a i n i n g0 gm a s s ca f t e ra n n e a l i n g c o a r s e - p l a t ec e m e n t i t e ( a ) ，c o a r s e - g r a i nc e m e n t i t ec o l dr o l l i n g ( b ) ，c o a g s e - p l a t ec e m e n t i t ec o l d r o l l i n g ( c ) ，p a t e n t i n g f o r t h i n - p l a t ec e m e n t i t e c o l dr o l l i n g d ) c o l dr o l l i n g d e g r e e w 9 1 5 r e d u c t i o ni nt h i c k n e s s 1 6 过去的l o 年中，大量的a p f i m 研究证实了冷变形导致渗碳体溶解的发生。如图1 1 0 所示应变量达到5 i 时，珠光体钢中碳原子基本呈均匀分布，即渗碳体已全部分解。另 外，还提出了一个冷变形引起破坏渗碳体稳定性进而导致溶解的机制，这是基于渗碳体 片不断变薄现象 图i 1 0 不同变形量珠光体钢c 原子分布a p f i m 图( a ) e = 2 6 ( b ) = 5 1 f i 9 1 1 0n ef i e l di o nm i c r o g r a p h so f t h ep e a r l i t i cs t e e lw i r e s 2 6 1 1 7 茎d-d 尔南人学博十学何论文 上述研究表明对丁二人廊变塑性变形引起渗碳体分解这一现象的存在各国研究者基本 已达成共识。但是，研究者们对渗碳体分解后人管碳原f 在钢中的存在形式问题一直存 在争论。有人认为是进入铁素体基体形成过饱和嘲溶体，也有人认为是富集丁界面和位 错中。 1 5 本章小结及本文研究内容 综上所述，冷拔高碳钢丝具有极高的强度，它破广泛戍用于汽车、交通、桥梁等关 乎国计民生的基础产业，是一种非常重要的工业基础材料。随着现代化控制技术以及设 备成套技术的发展，钢丝及其绳制品也在不断的进步着，主要体现在三个方面：一是不 断提升的拉丝变形速度和连续生产过程，从传统的2 - 3 m s ，已上升到8 - 1 5 m s ，从原来 的单模或少模拉拔到现在的多模( 8 - 2 5 ) 连续拉拔；二二是不断追求更高的使用性能，包 括强度、塑性、疲劳和扭转性能等：二是努力使用更廉价的原材料生产高性能的钢丝， 以降低生产成本。针对这些现代钢丝工业的发展趋势，传统的钢丝生产理论很难完全满 足指导r 艺改进的要求。因此，急需发展与深入有关机理与i = 艺的研究，以更好地推动 工业的发展。为此，本文结合中国最大的钢丝制品生产企业江苏法尔胜集团生产实际， 展开形变过程的分析以及微观结构的研究，试图为用中碳钢盘条生产出高性能制绳钢丝 提供理论依据与工艺改进的方向，主要研究内容如下： ( 1 ) 珠光体组织变形特征及力学性能的演变规律：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，并分析铁素体+ 渗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钢丝高强度的来源； ( 2 ) 高强度钢丝纤维状组织的稳定性研究：人应变冷拔变形高强度珠光体钢丝常具 有纤维状组织，它由片层闻距极为细小的铁素体+ 渗碳体片层构成，面铁素体一渗碳体 两相界面在这种极其细小的层片结构中占有相当丈的比例，对于这种特殊的两相组织的 稳定性问题的研究还尚未开展研究。但钢丝作为承载件，经常会在一定的温度环境下【 作，因此研究纤维状组织在不同温度回火后组织性能的变化变得颇为重要； ( 3 ) 冷变形引起珠光体钢中渗碳体分解现象的研究：迄今，国内外研究者在多种冷 变形过程中均发现了珠光体钢中渗碳体分解的现象，但是对其分解过程仍然还不清楚， 本文拟在实验研究的基础上探讨珠光体钢大应变塑性变形引起渗碳体分解的热力学过 程，以分析其对铁素体+ 渗碳体双相组织变形过程的影响； ( 4 )用中碳钢盘条制备高性能制绳钢丝的组织与【艺研究：目前高性能钢丝绳生产 基本上都采用共析点附近的高碳钢盘条为原料，本文拟基于上述铁素体+ 渗碳体叔相组 织变形理论的研究，试图通过实验室研究和生产性研究相结合的方法，摸索中碳钢丝绳 l s 第章绪论 的生产工艺，突破制绳钢丝只能用高碳钢盘条为原料的禁区，使用成本较低的中碳钢盘 条生产出高性能铜丝绳产品。 需要特别说明的是钢丝高速大应变拉拔变形过程是一个系统的工程性问题，实验室 是无法模拟出高速连续变形的条件的当然，实验室更不可能实现大规模的工艺性试验。 况且，对于钢丝拉拔这一工程性问题，新工艺的评价需要规模化试验的统计数据才能说 明其优劣因此本文的研究对象均源于法尔胜集团生产现场，所有的工艺性试验均在实 际线上进行样品采集于数百米长的拉丝生产线的不同工位，这无疑给研究工作带来了 更多的不可控因素与复杂性。但笔者试图以此能给出更贴近工业现实的数据与分析结果 1 9 尔南人学博 ：学帝论文 参考文献 【ll中国钢铁 业协会2 0 0 5 年钢铁工业统计年报报告【e b o l i h t t p ：w w w i r o n n e t c o m c n i t x w 2 0 0 6 0 7 2 0 0 6 0 7 1 4 - 0 2 h t m 2 0 0 6 0 7 一1 0 【2 】殷瑞钰主编钢的质罐现代进展【m 】北京：冶金i ：业出版社，1 9 9 5 1 - 3 【3 】杨金善世界钢铁= 业发展简介【j 】冶金信息导刊，1 9 9 9 ( 1 ) ：2 0 2 2 ： 1 4 1末为，窦光聚，陈金晟，谢景世界线材及其制品的现状与展望【j 】金属制品， 2 0 0 2 ，2 8 ( 2 ) ：1 5 【5 】 戴宝昌，重要用途线材制品生产新技术【 刀北京：冶金工业出版社，2 0 0 1 i - 3 5 【6 】张伟君，孙金茂国产预应力钢绞线的生产与试用金属制品，1 9 9 7 ，2 2 ( 3 ) ： 1 4 1 7 1 7 l 孙金茂推进预应力钢丝钢绞线用盘条国产化金属制品，1 9 9 8 ，2 4 ( 6 ) ：2 - 3 【8 】 谢青青低松弛高强度p c 钢绞线的生产湖南冶金，1 9 9 8 ( 3 ) ：2 1 2 2 ， 【9 】 林秀山，蒋永康，孙金茂加速预应力钢丝钢绞线埘盘条的国产化进程上海金 属。2 0 0 0 ，2 2 ( 1 ) ：5 3 5 5 ， 【1 0 1 白木轮胎用钢帘线的性能、技术及市场l ，】橡胶参考资料，2 0 0 5 ，3 5 ( 1 ) ：6 - 7 【1 1 】黄天雄我国低松弛预应力钢丝钢绞线发展现状和展望金属制品。1 9 9 5 ，2 1 ( 3 ) ：5 8 【1 2 1 谈玉坤“十五”轮胎胎圈钢丝和钢丝帘线需求预测决策参考，2 0 0 2 ，1 7 ( 2 1 ) ： 1 5 - 1 7 【1 3 】张剑钢丝帘线在轻型载重子午线轮胎中的应用轮胎工业，2 0 0 3 ，2 3 ： 6 7 2 - 6 7 3 【1 4 俞德宗全钢子午线轮胎用钢丝帘线的生产现状及发展趋势【，1 轮胎工业。2 0 0 2 ， 2 2 ( 1 0 ) ：5 7 9 - 5 8 1 【1 5 l 尚伟国内外钢丝帘线生产简介j ，1 中国橡胶，2 0 0 0 。2 2 ：3 0 - 3 1 i1 6 】w e m i c k 1 d d ok ，c o n s u m i n gm a t e r i a l s ：t h ea m e r i c a nw a y t e c h n o l o g i c a l f o r e c a s t i n g a n d s o c i a lc h a n g e ，1 9 9 6 ，2 3 ( 1 ) ：l l l 1 2 2 【1 7 w uy a n r u i t h ec h i n e s es t e e li n d u s t r y ：r e c e n td e v e l o p m e n t sa n dp r o s p e c t s r e s o u r c e s p o l i c y , 2 0 0 0 ，2 6 ( 3 ) ：1 7 1 - 1 7 8 【1 8 】乇宝玉，宋为我国胎圈钢丝供需现状和展望【j 】轮胎工业，2 0 0 4 。6 ：3 2 3 - 3 2 6 11 9 1 赵发忠我国弹簧钢丝生产现状及发展策略金属制品2 0 0 4 ，3 0 ( 2 ) ：1 - 3 1 2 0 1 陈其安“从盘条到丝 孝及丝制品- 一国际会议及欧洲盘条与高强钢丝研发现状 简介忉中国冶金，2 0 0 3 ( 1 2 ) ，4 4 4 5 1 2 1 】李志深著钢丝生产工艺 m i 北京冶金部金属制品情报网，1 9 9 2 6 2 2 1 马怀宪金属塑性加工学 m i 北京：冶金一