（材料加工工程专业论文）冷拔钢丝渗碳体溶解现象研究.pdf

s t u d y o nc e m e n t i t ed i s s o l u t i o ni nc o l dd r a w n s t e e lw i r e s ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y 【f 蝌gy a n s u p e r v i s e db y p r o f j i a n gj i a n q i n g 一一 s c h o o lo fm m e f i a l ss c i e n c e & e n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 1 0 m 7哪753571y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王整。 日期： 2 旦坦：21 主! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：土挞导师签名 _ 。 摘要 摘要 随着现代化生产技术的进步，钢丝的冷拔速度越来越快，变形量越来越大。冷拉拔珠光体钢丝 中出现了难以用传统理论解释的渗碳体溶解现象。作为珠光体钢中的第二相，渗碳体对钢丝的性能 有着重要的影响。因此，急需发展与深入有关渗碳体溶解机理的研究，从而为实际生产提供指导性 意见。鉴于此，本文立足高碳钢丝的拉拔变形过程，以渗碳体溶解现象为研究对象，采用实验研究 与理论讨论相结合的方法开展了一系列的工作。主要结果如下： 系统研究了钢丝拉拔过程中组织和力学性能的变化。研究结果表明：热轧盘条的珠光体团取向 为随机排列；经过冷拉拔变形后，片层基本沿拉丝轴向排列，在纵截面上形成典型的纤维状组织， 且随着应变量的增加，珠光体的片层间距不断减小。盘条中的渗碳体片层为平直连续的单晶体，经 过应变量占= 1 8 6 的拉拔变形后，渗碳体碎化成纳米级的晶粒，并在界面处形成非晶组织，当应变 量更人时，渗碳体片层进一步碎化，纳米级渗碳体颗粒的数量急剧增加。随着钢丝拉拔变形应变量 的增加，钢丝的强度不断提高。在应变量较小时( 占1 5 ) ，钢丝的强度与片层间距之间符合 盯芘k s - v 2 ；当应变量进一步增加时( 1 5 s 3 0 ) ，钢丝的加工硬化率明显提高。大应变下的非 晶组织和弥散分布的纳米级渗碳体颗粒，对钢丝强度的提高起到了一定作用。 研究了盘条片层间距对钢丝组织和性能的影响。结果表明：盘条片层间距对后续拉拔过程中钢 丝的组织演变没有太大的影响，但对钢丝拉拔过程中强度的变化影响显著。片层间距越小的盘条， 在相同工艺条件下，经过相同应变量的拉拔后，钢丝的强度越高。 在此基础上，采用v s m 测量方法研究了应变量及盘条片层间距对渗碳体溶解的影响。研究表明： 随着应变量的增加，渗碳体含量不断减小。当应变量s = 1 8 6 时，渗碳体含量约为8 v 0 1 ，与热轧 盘条1 4 v 0 1 的渗碳体含量相比，溶解了大约4 0 ；但应变量进一步增加时，渗碳体的含量不再减 小，即当拉拔变形量增大至一定程度( g 2 ) 时，渗碳体的溶解与析出达到动态平衡。盘条片层间 距对渗碳体溶解影响显著：片层间距较小的盘条拉拔后，渗碳体开始发生分解时所对应的应变量较 小；渗碳体溶解达到平衡时，对应的渗碳体含量也较小。 在组织观察结果的基础上，对珠光体钢丝冷拔过程中渗碳体溶解的热力学和动力学机制进行了 初步讨论。碳与位错结合能机制和界面能机制的共同作用导致了渗碳体溶解。拉拔变形时，在温升、 应力和塑性变形的共同作用下，碳原子的扩散能力显著增强，可满足室温下渗碳体溶解动力学的要 求。本文通过粒状珠光体钢丝分别进行热处理和拉拔后渗碳体长大动力学的比较，证实了拉拔过程 中，大形变高碳钢丝中的碳原子具有显著的扩散能力。 关键词：冷拔钢丝，渗碳体溶解，片层间距，强度 i a b s t r a c t a b s t r a c t b e n e f i tf r o mt h ea d v a n c e si nm o d e mp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , b o t ht h ed r a w i n gs p e e da n dt h e d e f o r m a t i o nd e g r e eo fs t e e ld r a w i n gh a v eb e e ne n h a n c e d h o w e v e r , w h e np e a r l i t i cs t e e li ss u b j e c t e dt o h e a v yd e f o r m a t i o n , e e m e n t i t ei ni tb e g i n st od i s s o l v e ，w h i c hi sh a r dt oi n t e r p r e tb yt r a d i t i o n a lt h e o r i e s s e r v i n ga st h es t r e n g t h e n i n gp h a s e , c e m e n t i t eh a sa l li m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e so fw i r e s t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e so nt h em e c h a n i c so fe e m e n t i t ed i s s o l u t i o na r en e e d e dt op r o m o t et h ei n d u s t r i e s d e v e l o p m e n t r e s e a r c h e so nt h ed r a w i n gd e f o r m a t i o no fs t e e lw i r e sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ec e m e n t i t e d i s s o l u t i o ni nt h i st h e s i s t h em a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： t h ee v o l u t i o no fm i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e di n t h i st h e s i s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tp e a r l i t i cl a m e l l a eo fh i g hc a r b o ns t e e lw i r ew h i c hi n i t i a l l yr a n d o m l yo r i e n t a t e di nt h e r o dc h a n g e dt oa l i g na l o n gt h ed r a w i n ga x i sa f t e rc o l dd r a w i n g , f o r m i n gat y p i c a lf i b e rs t r u c t u r eo n l o n g i t u d i n a ls e c t i o n i n t e rl a m e l l a rs p a c i n go fp e a r l i t ed e c r e a s e dp r o g r e s s i v e l yd u r i n gt h ec o l dd r a w i n g p r o g r e s s t h es t r u c t u r e so fe e m e n t i t ew e r ec h a n g e df r o mas i n g l ec r y s t a li nt h er o dt on a n os i z e dp a r t i c l e s i nt h ew i r ed r a w nt os = 1 8 6 a tt h em e a n t i m e ，s o m ea m o r p h o u sr e g i o n sw e r ef o r m e da tt h ei n t e r f a c e w h e nt h ed r a w i n gs t r a i nb e c a m ee v e ng r e a t e r , t h ee e m e n t i t el a m e l l a ef r a g m e n t e df u r t h e r , a n dt h ea m o u n t o fn a n o - s c a l e dc e m e n t i t ep a r t i c l e sg o ti n c r e a s e d t e n s i l es t r e n g t ho fd r a w nw i r eg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gd r a w i n gs t r a i n w h e nt h ed e f o r m a t i o nw a ss l i g h t ( s 1 5 ) ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s t r e n g t ha n di n t e rl a m e l l a rs p a c i n ga c c o r d e dw i t ho 芘k s l 2 h o w e v e r , w h e nt h es t r a i ni n c r e a s e dt 0h e a v y d e f o r m a t i o n ( 1 5 占3 o ) ，t h es t r e n g t hr a t ei n c r e a s e d , m a t c h i n gt h er e l a t i o n s h i po f t r k s v 2 n ol o n g e r t h ec o n t r i b u t i o no ft h ee x t r ai n c r e a s eo fw i r e sa th i i g hs t a i nl e v e lw a sm a i n l yf r o mt h e e x i s t e n c eo f a m o r p h o u sr e g i o n sa n dn a n os e a l e dc e m e n t i t ep a r t i c l e s t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yc h a n g e so fc o l dd r a w i n gw i r e sw i t hd i f f e r e n ti n i t i a l p e a r l i t i ci n t e ri a m e l l a rs p a c i n gw e r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n i t i a lp e a r l i t i ci n t e rl a m e l l a r s p a c i n gh a d l i t t l ei n f l u e n c eo nt h ec h a n g eo fm i c r o s t r u c t u r e ，b u th a das i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt e n s i l e s t r e n g t h f o rt h es a m es w a i nl e v e l ，t h ef i n e ri n i t i a li n t e rl a m e l l a rs p a c i n gp r o m i s e sah i g h e rs 仃e n g t h e f f e c t so fs t r a i na n di n i t i a li n t e rl a m e l l a rs p a c i n go nt h ec e m e n t i t ed i s s o l u t i o nw e l ea n a l y z e d c e m e n t i t ec o n t e n td e c r e a s 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 t h ed e c r e a s eo fc e m e n t i t ei nc o l dd r a w n w i r e ( 占= 1 8 6 ) w a sa b o u t4 0 f r o m1 4 v 0 1 i nt h ei n i t i a lr o dt 08 v o i i nt h ew i r e h o w e v e r , w h e nt h e s t r a i ni n c r e a s e dt oa l le v e nl a r g e rd e g r e e ，e e m e n t i t ec o n t e n tk e p ts t a b l ei e t h ed i s s o l u t i o na n dp r e c i p i t a t i o n o fe e m e n t i t er e a c h e dd y n a m i ce q u i l i b r i u m i n i t i a li n t e r - l a m e l l a rs p a c i n gw o u l de f f e c to nt h ec e m e n t i t e a b s t r a c t d i s s o l u t i o np r o c e s s f o rt h ew i r e o ff i n e ri n i t i a li n t e rl a m e l l a rs p a c i n g , c e m e n t i t ed i s s o l v e da tal o w e rs l r d j i l a n dg o te q u i l i b r i u mw i t hl o w e rc e m e n t i t ec o n t e n t t h em e c h a n i c sa n dd y n a m i c so fc e m e n t i t ed i s s o l u t i o ni nc o l dd r a w ns t e e lw i r e sw e r ed i s c u s s e db a s e d o i lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b o t ht h ec a r b o n - d i s l o c a t i o nc o m b i n a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ei n t e r f a c ee n e r g y m e c h a n i s ma c t e di nt h ec e m e n t i t ed i s s o l u t i o np h e n o m e n o n t h ed i f f u s i o na b i l i t yo fc a r b o na t o m sw a s i n c r e a s e dn o t a b l yb e c a u s eo ft h ec o m b i n a t i o ne f f e c to ft e m p e r a t u r er i s e ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o nd u r i n gt h e c o l dd r a w i n gp r o c e s s ，w h i c hw a sc o n f i r m e db yt h es t u d yo fd y n a m i c so fc e m e n t i t ep a r t i c l e sg r o w i n gi n c o l dd r a w ns p h e r o i d a lp e a r l i t i cs t e e lw i r e s k e y w o r d s ：c o l dd r a w i n gw i r e s ，c e m e n t i t ed i s s o l u t i o n , i n t e rl a m e i l a rs p a c i n g , 蚰他n g t i l l l i 目录 目录 摘要l a b s t r a c ：t i i 目j 录1 1 ， 第一章绪论1 1 1 钢铁行业概述l 1 1 1 经济危机对钢铁行业的影响l 1 1 2 国内外钢铁材料的发展趋势1 1 2 线材及线材制品概述2 1 2 1 线材生产流程简介2 1 2 2 线材制品生产流程简介3 1 3 冷拉拔钢丝的国内外研究现状7 1 3 1 剧烈冷拉共析珠光体钢丝片层的形变特征_ 7 1 3 2 冷拉拔珠光体钢丝渗碳体溶解研究8 1 3 3 冷拉拔珠光体钢丝的强化机制。1 4 1 4 本文研究内容及意义1 6 第二章试验材料及方法18 2 1 研究路线18 2 2 试验材料1 9 2 3 微观组织观察19 2 4 力学性能测试1 9 2 5x 射线衍射分析( x r d ) 。1 9 2 6 饱和磁化强度测试( v s m ) 2 0 第三章冷拔钢丝的组织与性能2 2 3 1 连续冷拉拔钢丝的组织性能变化2 2 3 1 1s e m 观察2 2 3 1 2 片层间距的变化2 3 3 1 3t e m 观察。2 4 3 1 4x r d 分析2 7 3 1 5 抗拉强度的变化2 7 3 1 6 冷拔钢丝的强化机制2 8 i v 目录 3 2 大应变量对钢丝组织性能的影响3 2 3 2 1 组织形态观察3 2 3 2 2 力学性能变化。3 4 3 - 3 原始组织对冷拔钢丝组织性能的影响3 5 3 3 1 不同片层间距盘条拉拔过程中组织变化比较3 5 3 3 2 不同片层间距盘条拉拔后钢丝力学性能比较3 7 3 4 本章小结3 8 第四章冷拔钢丝的渗碳体分解现象观察及热力学分析3 9 4 1 渗碳体含量的定量测量3 9 4 2 渗碳体溶解含量的影响因素4 l 4 2 1 应变量对渗碳体溶解量的影响。4 1 4 2 2 原始盘条片层间距对渗碳体溶解的影响。4 3 4 3 渗碳体溶解的热力学分析与探讨4 4 4 3 1 渗碳体溶解后碳原子的分布4 4 4 3 2 渗碳体溶解热力学机制探讨。4 8 4 3 3 渗碳体溶解中一些现象的热力学解释5 0 4 4 本章小结5 3 第五章冷拉拔钢丝渗碳体溶解动力学5 5 5 1 渗碳体分解的碳原子扩散模型5 5 5 1 1 渗碳体分解扩散模型建立5 5 5 1 2 拉拔过程中的温升对扩散的影响5 6 5 1 3 拉拔过程中的应力对扩散的影响。5 7 5 1 4 拉拔过程中塑性变形对扩散的影响5 9 5 2 钢丝拉拔过程中碳原子扩散动力学实验验证6 1 5 3 本章小结6 4 第六章结论及展望6 5 6 1 结论6 5 6 2 展望6 6 参考文献6 7 j 致谢6 7 硕士期间发表论文7 3 v 第一章绪论 1 1 钢铁行业概述 第一章绪论 钢铁产业一直是我国的支柱产业之一。钢铁产业上游依赖于交通运输、采矿和耐火材料等行业， 下游则影响着金属制品、建筑、汽车、造船、机械和电子等行业，对整个国家的工业体系和经济发 展有着十分重要的影响。改革开放后，特别是进入新世纪以来中国钢铁工业进入了新的发展阶段。 2 0 0 8 年中国粗钢产量超过5 亿吨，是1 9 4 9 年新中国成立时粗钢产量的3 1 6 4 倍，钢产量占到全球的 3 8 2 【1 1 。虽然各种品种生产取得了巨大的进步，但还存在一些问题。 1 1 1 经济危机对钢铁行业的影响 2 0 0 8 年随着世界经济危机的蔓延，全球钢铁行业发展面临巨大压力。在这样的大环境下，中国 的钢铁产业也进入了寒冬。从2 0 0 8 年第四季度开始，我国钢材出口订单大幅下降。进入2 0 0 9 年后。 我国的钢材市场出现明显的回温。根据统计数据测算，2 0 0 9 年1 - 7 月份累计，全国钢材表观消费量 为3 7 6 5 6 万吨，比去年同期增长1 5 0 3 。拉动2 0 0 9 年中国钢材消费较大幅度增长的主要因素在于 中央和各级政府迅速出台并积极实施扩大需求措施f 朝。 我国钢铁产业在经济危机中暴露出了产能过剩等一系列问题。就将来一段时间内我国钢铁行业 的发展趋势，北京科技大学的许中波教授认为1 3 】= 钢铁的低价还要保持一段时间。原因主要是：首 先，国际和国内钢材的真实需求迅速下降；其次，贸易商不再购买钢材，过去9 0 的钢厂中6 0 的 钢材卖给贸易商，现在贸易商不买了，而钢厂不善于销售，所以钢铁低价还要保持一段时间。 但是，中国钢铁行业的发展具有三个有利条件： 第一，有事情可做一中国还需要2 0 年、3 0 年，才能把中西部建设好； 第二，有钱我们有4 0 多亿人民币存款还有2 万亿美元存款： 第三，有入有专家、有劳动力。 全世界所有的国家中只有中国具备这三点。 所以，中国钢铁行业发展的困难是阶段性的。 1 1 2 国内外钢铁材料的发展趋势 目前对于钢铁材料存在的问题主要有：洁净度低，制约钢材性能成倍提高；钢铁材料的强度潜 力未充分发挥；耐蚀性和抗脆断能力需要提高4 。9 1 。 现代经济建设和社会发展对钢铁材料提出了高性能、长寿命、低成本、环保和节省能源资源等 新要求，研发新一代先进钢铁材料势在必行。新一代钢铁材料的目标是使钢铁材料强韧性和使用寿 i 东南大学硕士学位论文 命在经济性的前提下比现有水平提高1 倍。新一代钢铁材料主要以超细晶、高洁净和高均匀为特征。 各个国家都在新一代钢铁材料的开发方面投入了大量的人力、物力和财力。日本在1 9 9 7 年启动 了“超级钢”项目。该项目历时l o 年，耗资1 0 0 0 亿日元；韩国于1 9 9 8 年启动了2 1 世纪高性能结构 钢发展”的项目，历时l o 年，由浦项公司负责( 支持3 0 0 0 万美元) ，韩国各大学及科研单位共同参 与，并且政府负责资助3 0 的费用。欧洲国家在2 0 0 1 年也启动了关于新一代钢铁材料的合作研究项 目。参与的国家和单位相当多，包括意大利的c s m 材料发展中心、德国的钢铁制造者协会研发机构 b f i 、瑞典的m e f o s 和比、荷、卢、法、英合作的l i e g e 冶金研究中心等。 我国也于1 9 9 7 年、1 9 9 8 年分别批准了攀登b 项目“新一代微合金高强度钢高韧性钢的基础研究 和9 7 3 项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”，实行首席科学家负责制，目标是五年基础研究出原 型钢。我国在4 0 0 m p a 、8 0 0 m p a 、1 5 0 0 m p a 级超级钢的研究方面取得了重大进展，并率先在世界上 进行了工业化生产和应用，引起了国际上的重视。 钢铁材料是一类不断发展的先进材料。无论是品种还是质量，2 l 世纪的钢铁材料已经完全不同 于以前的钢铁材料。伴随着需求变化和相关技术的发展，2 l 世纪的钢铁材料将会以质量高和多样化 的面貌黾现在人们面前。 1 2 线材及线材制品概述 钢铁材料中，线材是应用较为广泛的一种。线材通常是指直径为5 m m 2 2 m m 的热轧圆钢或者相 当于此断面的异型钢。由于线材的成品一般为盘卷状，所以又称其为盘条。 按照化学成分，线材一般可以分为低碳钢线材( 又称软线) 、中高碳钢线材( 又称硬线) 以及合 金钢线材等。其中，碳素钢线材占线材总量的8 0 以上。 线材一般不能直接使用，需经过后续加工方可作为成品使用。线材制品是以线材为原材料的深 加工产品，是线材延伸的高附加值产品。线材制品品种较多，包括普通低碳钢丝、合金钢丝、钉、 螺栓、钢绞线、钢丝绳和钢帘线等n 0 1 。 1 2 1 线材生产流程简介 线材的生产流程一般包括连铸坯在加热炉内加热、租轧、中轧、预精轧和精轧、斯泰尔摩线上 控冷和集卷等流程( 如图1 1 所示) 。 控制轧制和控制冷却是高速线材生产过程的两大工艺支柱。 控制轧制工艺包括把钢加热到最合适的温度，在轧制时精确控制变形量及变形温度，以控制奥 氏体品粒大小和再结晶过程，为轧后通过控制冷却进行相变得到理想的组织结构提供良好条件。由 于线材的轧制都是在规定的孔型系统中完成的，其变形条件基本固定。因此，线材的控制轧制主要 2 第一章绪论 是通过控制轧制温度来实现的。 亟亟区巫n 习 图1 1 高碳钢盘条生产流程示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f h i g h - c a r b o nr o dp r o d u c t i o np r o c e s s 控制冷却是线材生产工艺系统的核心。线材所要求的组织结构主要是通过控制冷却来获得的。 线材在轧制过程中，高温奥氏体品粒在大变形条件下通过动态回复与再结晶等过程不断细化。细化 的奥氏体晶粒在控制冷却过程中快速转变成过冷奥氏体，再以适当的过冷度( 以控制冷却速度来实 现) 获得铁素体( f ) 、珠光体( p ) 、索氏体( s ) 、回火马氏体( m ) 等所期望的组织及组织比例。 斯泰尔摩控制冷却方法较好地体现了这一热处理工艺过程。从金属学的角度出发，这一过程可以归 纳为四个阶段【1 1 1 ： ( 1 ) 形变奥氏体品粒控制阶段：通过控制奥氏体的形变温度以阻止其晶粒长大，从而达到形变 奥氏体所期望的晶粒尺寸。 ( 2 ) 形变后急剧冷却阶段：将终轧温度为9 5 0 ( 2 1 0 5 0 ( 2 的高温形变奥氏体快速冷却剑 7 5 0 c - - 9 0 0 c ，成为过冷形变奥氏体，阻止高温形变奥氏体晶粒的长大粗化，并为过冷奥氏体在冷却 和组织转变过程中的形核创造条件。 ( 3 ) 冷却热处理阶段：过冷奥氏体在斯泰尔摩运输辊道上，品粒在不同的冷却速度下形核长大， 奥氏体转变为铁素体、珠光体、索氏体、回火马氏体等组织。 ( 4 ) 迅速冷却阶段：当组织转变结束后，为了尽可能地减少钢铁氧化造成的损失和控制氧化物 的形貌和结构需将线材尽快地冷却。 1 2 2 线材制品生产流程简介 线材一般不能直接作为最终产品来使用，需经下游金属制品企业加工成最终产品后方能使用。 线材制品的品种、规格十分繁多，产品性能的要求也各不相同。但是，对于碳素钢丝( 包括低、中 和高碳钢丝) 来讲，其主要的生产工序大致相同，即由四大工序组成( 如图1 2 所示) ：原材料的准 备、表面处理、半成品或成品钢丝拉拔、钢丝的镀层及其他后续处理。除表面准备外，其他几个工 序因为实际需要会有所调整1 1 2 - t 4 1 。 3 东南大学硕上学位论文 士 i 入厂检验 l- l 表面处理 l1 拉丝 l1 热处理 jl t 镀层j ，上 、r1 盘条 检 验 上j 防锈入库 图1 2 钢丝生产流程示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t e e lw i r ep r o d u c t i o np r o c e s s 表面处理该工序的主要作用有两个：一是清除钢丝表面的氧化铁皮；。二是通过物理或化学方法 给钢丝表面预涂一层便于后续拉拔的润滑剂。表面处理工序在钢丝生产中是过程控制的起源。该工 序处理质量的好坏，直接影响着钢丝的表面质量。 热处理热处理工序是钢丝生产中一个极为重要的工序，一般可分为拉拔前热处理和拉拔后热处 理。拉拔前热处理主要是为了提高热轧线材的塑性及消除组织的不均匀性。现代钢铁企业中线材一 般通过在线控制冷却已经获得了良好的索氏体组织，所以拉拔前一般不需要再进行热处理。拉拔后 半成品钢丝的处理则是为了消除冷加工硬化现象，恢复钢丝塑性，以利于迸一步的冷加工变形。 拉丝钢丝拉拔通常在室温下进行，确切地说是在再结晶温度以下进行变形。因此，在这种情 况下的拉丝被称为“冷拉”。拉拔过程实际上是金属塑性压缩延伸的过程。在实际生产中，钢丝要经 过多道次连续拉拔才能完成( 如图1 3 中右图所示) 。线坯通过逐渐减小的模孔发生变形。这一变形 过程主要依靠拉丝机施加于钢丝轴向的拉拔力j p 、垂直于拉丝模壁的压缩力和模壁与线坯表面接 触处阻碍金属的外摩擦力f 的综合作用来实现。其中拉拔力p 是由拉丝机加于线材轴线方向上的拉 力。它在变形金属内引起主拉应力，并使线材得以沿轴线方向通过模孔，维持拉拔过程。拉拔力部 分用以克服金属塑性变形的阻力，部分用以克服被拉拔金属与拉丝模孔之间( 包括变形区和定径区) 的摩擦阻力。正压力是由于模孔壁阻抗受拉拔力作用的金属流动而在变形区内产生的。外摩擦力 r 拉拔时在变形区和定径带中线材与模具的接触表面上产生外摩擦力。摩擦力方向总是与线材运动 的方向相反，并沿变形金属和模孔内壁的接触面的切线方向。拉丝模具示意图和实物图分别如图1 3 左图和中图所示，其中疡为丝坯入模前直径，通常称为入线直径；函为丝坯穿过模具后的直径，通 常称为出线直径。 4 第一章绪论 左一铜垃拎拽饭横且几何示意圈右- - - r 业生产拽拔i 士| 爱圈片申一拉垃模且当圈 图1 3 拉丝模具几何、实物图及拉拔实际生产线 f i g 1 3d r a w i n gd i e sg e o m e t r y , t h ep h y s i c a lm a pa n dt h ep r o d u c t i o nl i n e 钢丝的冷拉拔变形是在一个特殊的应力状态下进行的，金属在拉拔拉拔过程中受拉拔力、正压 力和摩擦力的共同作用。变形区的金属基本处于两向压应力( 盯，o r 口) 和一向拉应力( q ) 的应力状态， 如图1 4 所示。 图1 4 钢丝变形区所受应力示意图 一正压力；瑚拔力；蝴擦力；口拉拔模具的孔角； o r ，径向应力；一周向应力；q 轴向应力； g ，径向应变：岛周向应变；岛轴向应交 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a ms t r e s si nw i r ei nt h ed e f o r m a t i o nz o n e n - n o r m a lp r e s s u r e ；p - d r a w i n gf o r c e ；t - f r i c t i o nf o r c e ；口- d i e a n g l e ： o r - r a d i a ls t r e s s ；o r o h o o ps t r e s s ；ol - a x i a ls t r e s s ； s r - r a d i a ls t r a i n ；8 - h o o ps t r a i n ；t - a x i a ls t r a i n 5 东南大学硕士学位论文 4 - o 一口 中心 中心 ， 缆 一奠性区一 鼻性矿 图1 5 钢丝变形区内的应力分布 f i g 1 5s t r e s sd i s t r i b u t i o no fs t e e lw i r ei nt h ed e f o r m a t i o nz o n e 若被拉金属是实心圆形棒材，则应力呈轴对称状态，即盯，o o 。变形区中金属处的变形状态 应为两向压缩( 0 、岛) 和一向拉伸q 。对于塑性区，根据t r 器c a 屈服条件1 5 1 6 1 ，可求出在拉丝模内 的应力分布，如图1 5 所示，在刚进入拉丝模的时候，材料主要受压应力作用： 盯，= 0 ，盯一= 一盯，( 1 1 ) 吲h l 等_ 1 ) 舻咖等 ( 1 - 2 ) 即轴向应力由变形区入口端向变形区出口端逐渐增大，而周向应力及径向应力则相反。 由于径向应力总是试图减小其外表面的面积。因此可以得出距中心越远，其外表面积越大，故 而其所需的应力也就越大。根据屈服准则( q d 0 = 仃，) ，越靠近材料表面，压应力盯口越大，则拉 应力q 越小；而在材料的心部，压应力较小，而拉应力较大，如图1 5 中所示。 材料在拉丝模腔中的变形是一个极其复杂的过程，在拉丝状态下，材料表面在拉丝模入口处受 到最大的压应力，心部在拉丝模出口处受到最大的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、变形金属表面状况、润滑剂种类及拉拔速度等因素有关。 6 ，爵 ，囊 ， 厅， 第一章绪论 1 3 冷拉拔钢丝的国内外研究现状 1 3 1 剧烈冷拉共析珠光体钢丝片层的形变特征 钢丝在拉拔过程中，钢丝受到两压一拉的三向应力状态。从盘条拉拔至钢丝成品，随着累积应 变量的增大，钢丝中的组织和力学性能均发生了很大的变化。 l a n g f o r d i s 7 , 1 s 1 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。研究发现拉拔变形后横截面上珠光体片层性剧烈扭曲( 见图1 6 ) ，钢丝 截面上形成纤维状组织( 如图1 6 b ) ，可以看出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，虽然渗碳体只占1 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关。因此，国内外研究者一直把珠光体钢变形中渗碳体的变化作 为一个研究重点。 图1 6 大应变( 萨5 1 ) 拉拔变形珠光体钢丝的t e m 形貌( a ) 纵截面( b ) 横截面 f i g 1 6t e mm i c r o g r a p h sa n dd i f f r a c t i o np a t t e r n so b t a i n e df r o mt h ep e a r l i t i es t e e lw i r e 1 9 l 我国学者于宏等伫0 1 通过对中碳低合金钢热轧、冷变形后和球化退火后的组织结构采用透射电镜 观察比较得出：在冷变形过程中当渗碳体层片方向与剪应力方向呈近4 5 。或9 0 。时，层片状渗碳体分 别具有流变、扭折、剪切等变形特征。t o r i b i o 等1 2 l 】对不同道次冷拉拔后的钢丝进行了研究，认为珠 光体片层的变形方式取决于片层方向与拉拔轴向所成的角度。珠光体片层取向大致可以分为三种： 珠光体片层平行于丝轴方向、垂直于丝轴方向以及珠光体片层与丝轴成一定夹角o ( o o 0 渗碳体的形成焓( 0 5 e v ) f 3 2 捌】； ( 2 ) 实验观察表明在位错附近存在c 原子的偏聚，以及c 在易滑移面上的偏聚； 这一理论能够很好地解释不同合金元素对渗碳体分解的作用。通过内耗等方法测量得出铁素体 中碳原子与位错的结合能随着合金元素的不同从0 2 e v 到1 s e v 变化，而渗碳体的分解焓人约为 0 5 e v 【2 9 3 5 1 。g a v r i l j u k 研究了不同微量合金元素对碳原子和位错的交互作用能的增强或减弱效果，并 以此来解释合金元素对渗碳体溶解的影响。如：n i 降低碳与位错结合焓到o 2 e v ：而m n 则将其增加 到1 7 6 e v 。因而n i 具有稳定渗碳体的作用，而m n 则会促进渗碳体的分解。这与采用穆斯堡尔谱分 析的结果一致。 l l 东南大学硕士学位论文 此外，这一理论也能很好的解释渗碳体溶解后碳原子的分布问题。当珠光体中渗碳体有2 0 - 5 0 溶解时，铁素体中的碳含最从0 2 a t 变化到4 4 乱蚶1 9 2 2 - 2 5 , 3 6 1 。如果这些碳原子进入到铁素体的品格 点阵中，则应该会引起点阵常数的增大。但对冷拔珠光体钢丝的x r d 测量时并没有观察到明显的峰 的位移。但如果渗碳体的溶解是由碳原子与位错结合机制引起的，则渗碳体溶解后的过剩碳原子将 大部分偏聚于位错附近，也就不会引起铁素体