（材料学专业论文）冷拔高碳钢丝微观组织结构及织构演变研究.pdf

摘要 摘要 本文以高强度冷拔高碳 s 矾 8 2 b 钢丝生产中拉丝形变过程为对象 研究了高碳钢 丝在拉拔过程中的微观组织结构和力学性能随拉拔应变量的变化规律 首次运用电子背散射 衍射分析系统地研究了高碳钢丝拉拔过程中的织构演变规律 讨论了钢丝织构对钢丝力学性 能的影响 同时对钢丝的回火过程中的再结晶织构进行了系统研究 热轧高碳盘条经冷拉拔形变后 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 随着应变量的增加 珠光体片层逐渐转到与拉丝轴平行的方向上 最终趋向于拉 丝轴方向 珠光体片层间距随着拉拔应交量的增大而减小 珠光体片层间距变化正比于e x p e 2 在盘条中铁索体和渗碳体片层都为单晶状态 在较大的应变量下 钢丝中的铁素体 中出现了较多的摩尔条纹 这表明铁素体中存在着大量的位错 渗碳体在外观上仍保持完整 的片层结构 但内部开始产生碎化 出现团状区域 并且在一些区域出现非晶带 进一步研 究发现在小应变量下 s w r h 8 2 b 钢丝中的铁素体与渗碳体之间保持着一定的位向关系 b a g a r y a t s k y 关系 在较大的应交量下 发现铁素体与渗碳体的边界上出现了非晶带 由此 表明原来的位向关系至少已经部分不能维持 在盘条中 晶粒是随机取向的 冷拔变形后出现 织构 并且随着应变量的增加 钢丝铁素体中的 丝织构的强度和所占组分都在不断增加 而渗碳体在钢丝拉拔过程中 的织构类型和强度变化不大 主要为 和 织构 在较大应变量时 钢丝中铁素体 的织构有两种类型 方向平行于拉拔方向的 纤维织构和 1 1 1 o o l 面平行于钢 丝纵截面的 l l l 0 0 1 纤维织构 且 1 1 1 0 0 1 纤维织构都集中在 1 1 1 和 o o l l 研究表明钢丝中织构分布是不均匀的 在较大的应变量下亚表层具有比较强的 1 1 0 织构而中心区域表现为正常的 丝织构 采用多元线性回归的方法分析了钢 丝中 丝织构对钢丝力学性能的影响 结果表明 织构对钢丝抗拉强度的影响不可忽视 钢丝在6 0 0 c 5 h 等温退火后已经完全再结晶 渗碳体完全球化 随退火时间的延长 再 结晶晶粒不断长大 长时间退火会造成一些晶粒的异常长大 即出现二次再结晶 对退火中 钢丝再结晶织构的研究表明 钢丝中铁索体再结晶织构的类型和钢丝形变产生的织构类型完 全相同 即强度较高的 丝织构与 1 1 l 和 0 0 1 环状丝织构 并且随着退火时间的延长 钢丝中织构的强度有一个先增加后减弱的过程 这可能与退火过程中产生的二次再结晶有 关 关键词 微观组织e b s d 丝织构演变力学性能再结晶 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 yo fs w r h 8 2 bh i g l lc a r b o ns t e e lw i r ea r e i n v e s t i g a t e dd u r i n gd r a w i n g m e a n w h i l e t h et e x t u r ee v o l u t i o nd u r i n gd r a w i n gi ss t u d i e db y e b s d e l e c t r o nb a c k s c a t t e r e dd i f f r a c t i o n a n dt h ei n f l u e n c eo fs t e e l w i r et e x t u r e s0 nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sd i s c u s s e dt o o a tl a s tt h ec r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r eo fs t e e lw i r ei sa l s o i n v e s t i g a t e d t h e g r a i n si nt h es t e e lw i r ea r er e f i n e di l lt r a n s v e r s es e c t i o na n df i b r o u ss h 印e di nl o n g i t u d i n a l s e c t i o na f t e rd r a w i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go fd r a w i n gs t r a i n p e a r l i t el m n e l l a e st h a ti n i t i a l l yh a v e r a n d o mo r i e n t a t i o nb e c o m ep r o g r e s s i v e l ya l i g n e da l o n gt h ed r a w i n ga x i s i n t e r l a m e l l a rs p a c i n go f t h ep e a r l i t ed e c r e a s e sp 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 gp r o c e s s w h i c hi sp r o p o r t i o n a lw i t h e x p u 2 t h em i c r o s t r u c t u r eo ff e r r i t ea n dc e m e n t i t ei nt h es t e e lr o da n dw i r e a r ei n v e s t i g a t e d i t i sf o u n dt h a tt h eh r t e m m i c r o g r a p h ss h o wm a n ym o i r ei m a g e si nt h ef e r r i t ep h a s eo fs t e e lw i r e w h i c hi n d i c a t e st h ef e r r i t ep h a s eh a sh i g hd e n s i t yo fd i s l o c a t i o n s t h ec e m e n t i t ep h a s ei nt h es t e e l r o ds h o w sas i n g l ec r y s t a lc o n d i t i o n b u ta f t e rd r a w i n g t h ec e m e n t i t es l i c ef a l lt op i e c e si n s i d e w h e r ei ts h o w ss o m en u b b l ys t r u c t u r ea n ds o m ea m o r p h o u sr e g i o n si so b s e r v e di nt h ec e m e n t i t e p h a s e t h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e r r i t ea n dc e m e n t i t ep h a s ei si n v e s t i g a t e dd u r i n g d r a w i n ga n dt h eb a g a r y a t s k yo ri sf o u n di f lt h es w r h 8 2 bs t e e lr o d w i t ht h ei n c r e a s i n go f d r a w i n gs t r a i n s o m ea m o r p h o u sr e g i o n sw h i c hl o c a t eb e t w e e nt h ef e r r i t ea n dc e m e n t i t ep h a s e a p p e a r s ot h eo rb e t w e e nt h e mc a n tm a i n t a i na tl e a s ti ns o m ea r e a s i ti sn op r e f e r r e do r i e n t a t i o ni i lt h es t e e lr o da n dt h e f i b e rt e x t u r ea p p e a r sg r a d u a l l yw i t h t h ed r a w i n g t h ei n t e n s i t ya n dv o l u m ef r a c t i o no f f i b e rt e x t u r ei i lt h ef e r r i t ea r ei n c r e a s i n g d u r i n gd r a w i n g t h et e x t u r e so ft h ec o l dd r a w nw i r e sc o u l db ew e l ld e s c r i b e db yt h e f i b e r p a r a l l e lt ow i r ea x i s a n db yt h e 1 l1 a n dt h e 0 0 1 f i b e rn o r m a lt ow i r ea x i s t h es b 7 l ea n d i n t e n s i t yo fc e m e n t i t ed u r i n gt h ed r a w i n gd o n tc h a n g es om u c ha n dt h et e x t u r e sc o u l db e d e s c r i b e db yt h e a n d t e x t u r e a tt h es a m et i m e w ef o u n dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no f t e x t u r ei nt h es t e e lw a su n e v e n t h e r ei sas l r o n g l l o t e x t u r ei i lt h ei n t e r m e d i a t er e g i o n a n di ti st h en o r m a l f i b e rt e x t u r ei nt h ec e n t e r a tt h es a m et i m e t h ei n f l u e n c eo f t e x t u r eo n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo ft e x t u r ec a n tb e i g n o r e d n e a p p e a r a n c eo fah o m o g e n o u sr e c r y s t a l l i z a t i o nw a sn o t e di nt h es e c t i o no f t h ew i r ea f t e r a n n e a l e da t6 0 0 cf o r5h o u r a n dt h ec e m e n t i t ea l m o s tb e c a m es p h e r o i d i z e d w i t ht h ea n n e a l i n g t i m e t h e r eh a v eb e e ns o m eu n u s u a lg r a i ng r o w nu p w h i c hi st h es e c o n dr e c r y s t a l l i z a t i o n t h e r e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ei sr e s e a r c h e da n di ti sf o u n dt h a tt h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r e sa r et h es a n l e w i t ht h ed r a w nt e x t u r e t h ei n t e n s i t ya n dv o l u m ef r a c t i o no f t e x t u r ea r ei n c r e a s i n ga tt h e f i r s ts t a g ea n dt h e nb e c o m ew e a k e r i tm a yb er e l a t e dt ot h es e c o n d a r yr e c r y s t a i l i z a t i o n k e y w o r d s m i c r o s t r u c t u r e e b s d f i b e rt e x t u r e e v o l u t i o n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c r y s t a l l i z a t i o n 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入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 圣 翌 日期 趔 3 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 i 盔导师签名 翅 日期 2 亟 三 第一章绪论 1 1 钢丝的现状及展望 第一章绪论 当前 我国基础设施的建设与社会发展对高性能金属线材的需求呈不断攀升之势 尤其 是高强度 疲劳寿命长的高性能钢丝 在现代化建筑 交通 通讯 水利电力 能源等行业 中得到了广泛的应用 具有极其广阔的市场应用开发前景 同时也无疑成为国民经济体系中 不可缺少的重要组成部分 卜8 在现阶段工业生产中提高钢丝强度最为行之有效的工艺是提高钢丝的拉拔变形量 即通 过进一步加工硬化获得高强度 而且 随着钢丝制品业的不断发展 钢丝拉拔变形速度迅速 增加 目前 国内对钢丝的组织及其力学性能的研究很多 也取得了很多有意义的成果 但对 钢丝织构的研究甚少 研究发现在影响材料性能的不仅只是材料的成分及组织结构 织构在 某些情况下也对材料的性能产生很大的影响i 9 1 2 但是人们往往忽视它的影响 在钢丝的拉 拔过程中 尤其在应变量很大时 组织的变化已经不是很大 但此时织构的类型及强度都在 发生很大的变化 因此研究钢丝在大应变量变形条件下的组织和织构演变特征是很重要的 1 2 钢丝研究现状 1 2 1 钢丝的发展与应用 根据考古发现 远在2 0 0 0 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 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 混凝土用钢绞线等 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入 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 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l 万吨以上 工艺装 备水平较高的约4 0 家 其中一部分企业已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 1 3 1 1 1 4 1 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 东自大学项 学位论女 1 2 2 冷拔钢丝的特点 冷拉钢丝与热轧钢材相比 具有以下特点 1 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 g 冷拉钢丝加工性能好 经过一系列的冷拉加工 可以将直径拉成很小 近代拄术水 平己能冷拉成最细可选0 0o t m m 的合金钢丝和0 00 0 l m m 的优质碳囊钢丝 而热轧线材目 前最小断面尺寸是m 5 0 一 0 冷拉钢丝困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耍 高i 倍 4 冷拉钢丝产品具有电好的弹性驶塑性 1 2 3 冷拉珠光体钢的组织演变理论 钢丝在拉拔过程中 铜丝受到两压一拉三向应力状态 如图ll 所示 从盘条拉拔至 翎丝成品 随着压缩变形量的增大 钢蛙中的珠光体的片层形态和片层间距都麓生了很大的 变化 隰图m 一倭霾 目1 1 自g l 目 f k l l h a d c v s w ed f a 掣1 冷拔钢丝力学性能与其珠光体片层间距直接相关 国外研究者通过研究铜丝横纵截面微 观组织得出钢丝珠光体片层问距与钢丝拉拔应变量间存在如下函教对应关系 s 最e x p f 2 1 式中s 拉拔变形后珠光体片层间距 钢丝初始片屡间距 e 拉拔变形应变 图i2 表明在拉拔过程中 随着钢丝直径的减小s j s 有减小的趟势 s 为加工过程 中的珠光体的片层间距 s 0 为初始状态的珠光体片屡间距 这个趋势存在于整个拉拔过程中 在整个过程中有三个阶段非常明显 第一个阶段s 煽的减小比较的平稳 反映在曲线上是 存在一个缓慢的倾斜曲线 在第二个阶段 这时曲线的倾斜角度比较明显 在最后的第三个 2 专 一疑 第一章绪论 阶段s s o 有一个非常陡的下降 这表明在这个阶段珠光体片层间距的减小率要比初始阶段 大的多 这个事实表明在整个拉拔过程中珠光体片层间距的减小存在三个阶段 拉伸对珠光 体片层间距的影响可以认为是连续的 随着冷拉变形的进行 曲线上三个不同的阶段给出了 各个阶段珠光体片层间距的减小率 在钢丝的横截面上 l a n g f o r d 等 1 6 1 1 卫通过研究钢丝拉拔过程中钢丝横截面上组织的变 化规律 更精确地描述了珠光体钢冷变形过程中的微观组织结构变化 与纵截面相比 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 1 1 o 9 o 望0 8 o 7 o 6 o 5 1 1 o 90 8o 7o 6o 5 d i d o 图1 2 珠光体片层间距变化规律 f i g 1 2e v o l u t i o no f i n t e d a m e l l a rs p a c i n g 国外关于冷拉珠光体钢的组织演变理论研究还有很多 t o r i b i o 等 捧 发现珠光体钢冷拉 变形时 在珠光体片层间距减小的同时 珠光体团发生转动和变形 铁素体片和渗碳体片的 取向与拉拔轴向趋于一致 g i ls e v i l l a n o 等 1 9 1 发现在珠光体钢塑性变形过程中 渗碳体也具 有较强的变形能力 通常会发生扭曲 剪切和颈缩等现象 s o o t o 等人 2 0 提出了钢丝拉拔 过程中的微观演变模型 如图1 3 所示 另外也有学者研究了钢丝变形过程的渗碳体组织变 形及渗碳体的溶解现象并建立了一些模型解释了渗碳体溶解饱和量的问题 2 1 1 2 2 1 3 南大 论i 瞥 罴骞 譬 闷 臣 娶 c m c n t i l p m t k 勰 目13 徽镕组织女m i i 目 f i 9 13s c h e m a t i cv i e wo f m i 啪蛐a t u ec h a n g e d u r i n g l d d r a w l n g 1 2 4 珠光体中铁素体与漕碳体之间的位向关系 当奥氏体在一定条件转变为珠光体后 珠光体中主要由铁素体与渗碳体两相相互交叠的 片层组成 其中铁素体相是一种简单体心立方结构 晶格常数a 02 8 6 6 5 衄 灌碳体是一种 较为复杂的正空结构 晶格常数为a 1 0 4 5 2 3 5 咖 b 05 0 8 9 6 n m c 0 6 7 4 3 3 砌 在这里定义 a b 电 根多学者 一岫工作表明无论是昔通碳钢还是调质钢中的渗碳体和铁素体的界面处于 种低的能量状态 并且在界面上存在位错 这表明在珠光体中的渗碳体和铁索体之间维持 着定的位向关系 经过几十年的研究茇现在珠光体中的铁索体与渗碳体之问存在着三种位 向差系 l s a i c h e v o r 口q b 8 鲫嘶o r 田啪p i t h p e r c h o r l 2 s l t i l e l 蛆i c h e v o r 10 3 z 4 l 1 l 咻 0 1 0 z l l 1l1 f 口1 l z 0 9 1 11 1 f t h e b a g a o a t s k 3 o r 0 0 1 z i 1 12 h m o z l l o ii f o l o z l l 1 11 f t h e p i t s c h p e t c h o r 0 0 1 划l 5 21 k w e z 26 f i m 1 31 f 0 1 0 z 26 e o m 1 1 3 i f 珠光体至少可咀在奥氏体中的三个位置形核 先共析铁素体 先共析渗碳体和奥氏体晶 界 影响珠光体中铁索体与溘碳体关系的因素现在还不太清楚 一些学者删试图将溘碳体 与铁索体之间的位向关系与微观结构联系起来 他们提出了一些假设 咀先共析渗碳体形核 生成的珠光体中为b a g a r y a t s k y 关系 以先共析铁素体形核生成的珠光体中为i 蛆i c h e v 关系 以舆氏体晶界形棱生成的珠光体为p i t s c h p e t e h 差系 但试验证实这些说法都是不正确的 於 il m r l 第一章绪论 钢丝的拉拔过程是一个铁素体与渗碳体协调变形的过程 从宏观上来看 经过很大的变 形以后 钢丝中的渗碳体表现出很大的塑性 还表现为完整的片层 研究表明随着拉拔的进 行在铁素体中形成了 丝织构 渗碳体在变形过程中与铁素体之间的位向关系的变化 到目前还未有这方面的报道 1 2 5 钢丝研究存在的问题 我国线材质量已经达到较高的水平 但是应该看到 我国的线材生产企业发展还很不平 衡 线材表面裂纹 化学成分偏析 非金属夹杂物粗大 力学性能波动较大仍是困扰制品用 线材的主要问题 3 0 l 对于多晶金属材料而言 其宏观力学性能主要依赖于其内部的多种微结构特性 特别是 塑性流动过程中的滑移系开动以及多晶内部的各晶粒取向 然而 国内关于冷拉珠光体钢丝的研究大多侧重于工艺研究 组织演变及强化机制方面 关于钢丝织构的研究以及其对钢丝力学性能的影响比较少 1 3 钢丝的织构研究 1 3 1 织构研究现状 目前 织构的研究主要包括确定织构的实验与计算技术 形变织构 再结晶织构 相变 织构 薄膜织构等与成分 组织结构和工艺参数的关系 织构与性能 力学 电磁学 深冲 和腐蚀等 的关系 织构的工业应用 织构的计算机模拟等 多晶材料的织构问题早在本世纪初期即被人们所认识和重视 相继出现了一系列的测量 及分析方法 如腐蚀坑法 磁转矩法 电子显微镜法 偏光法及x 射线照相法和上世纪末 出现的电子背散射衍射分析技术等 多晶衍射技术以其测量数据准确 结果更富于自然统计 性而广为应用 中子射线具有较长的波长 可将x 射线的衍射中出现的重叠线条程度不同 地自然分离 此外 中子射线穿透能力很强 可探测的厚度远大于x 射线 测量结果的统 计性很好 且中子衍射没有明显的衰减 形状因子可不考虑 尽管如此 因x 射线衍射设 备易得 操作方便 故而应用最广 x 射线计数探测器及计算机技术的出现和快速发展 使 这种方法本身又得到了进一步的完善和更新 从而使得织构的测量达到半定量甚至定量的程 度 为了解决宏观统计性分析与微观局部性分析之间的矛盾 在扫描电子分析技术的基础上 开发了电子背散射衍射分析技术 e b s d 该技术可以在观测微观组织结构的同时快速 统 计性地获取多晶体各晶粒的取向信息 并计算扫描电镜所观察微区组织的织构 由于它还具 有与组织对应分析的优点现在越来越多的应用于材料的分析d p 3 1 3 7 5 东南大学硕士学位论文 1 3 2 体心立方金属的织构及其分析 织构常常产生于多晶材料物理冶金的各种过程之中 例如在金属凝固过程中会产生铸造 织构 金属进行塑性变形 轧制 挤压 锻造 拉伸等 时会产生形变织构 体心立方金属拉 拔后一般形成 方向的丝织构 形变后的金属在退火加热过程中会发生再结晶 并产生 再结晶织构 b c c 金属轧制板材的主要再结晶织构组分一般为 1 1 1 1 1 1 o l l 0 0 1 单向拉伸或拉拔后的体心立方金属再结晶后将仍保持 织构 但是取向强弱程度发生了变化 表1 1 中列出了立方晶系中轧件重要的取向 3 8 由于织构的存在带有普遍性 并且许多金属材料都是在再结晶的状态下使用 所以再结 晶织构及其所造成的材料各向异性对于材料的使用以及提高材料的性能有着极为重要的影 响 表1 i 立方晶系中重要的取向 t a b 1 it h ei m p o r t a n to r i e n t a t i o n si nt h eb e ec r y s t a l 1 3 2 1 金属的冷变形织构 金属塑性冷变形的晶体学机制主要为位错滑移和机械孪生 两种机制的开动过程通常伴 随着晶体取向的变化 6 第一章绪论 晶体的塑性变形过程中 当应力超过其弹性极限后 晶体中就会产生片层之间的相对位 移 即滑移 实验表明 晶体的滑移通常是沿着一定的晶面和一定的滑移方向发生的 一个 滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系 在钢铁中 体心立方的铁素体晶体可以在 1 1 0 1 1 2 1 2 3 个滑移面上沿 方向滑移 故存在4 8 个滑移系 滑移是在切应 力的作用下发生的 当晶体受力时 晶体中某个滑移系是否发生滑移 决定于沿此滑移系的 分切应力的大小 当分切应力达到某一临界值时 滑移才能进行 滑移才能开始 当拉力f 作用于晶体时 在滑移面上沿滑移方向的分切应力t 如图1 4 所示 设a 为晶体的横截面积 q 为滑移面与横截面的夹角 九为拉力f 与滑移方向的夹角 则f 在滑移方向上的分切应力 为f c o s 九 而滑移面的面积为a c o s q 所以 t 雪c o s 咖奴 2 此式表明当外力f 一定时 作用于滑移系上的分切应力与晶体受力时的位向有关 c o s p c o s k 称为s c h m i d 因子 对于有多组滑移面的晶体来说 滑移首先发生在分切应力最大 的这组面上 但由于变形时晶体转动的结果 另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐增加到 足以发生滑移的临界值以上 于是晶体的滑移就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交 替进行 情咎 坞 图1 4 分切应力示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cv i e wo f r e s o l v e ds h e a rs t r e s s 多晶体在外力作用下发生塑性变形时 晶体内的位错不断滑移或晶体内出现机械孪生 同时晶体的取向也会随之作相应的转动 理论和实际都表明多晶体的晶粒的转动结果往往会 使晶粒取向聚集到某些取向附近 从而形成变形织构 变形织构的类型要受到变形金属材料 的性质及加工方式的影响 概括起来可分为板织构和丝织构两种类型 板织构即多晶体变形 后晶粒的某一特征晶面与宏观变形面平行 某一特征晶向与宏观变形方向平行的这种择优取 向 单向拉伸或拉拔是常见的一种变形方式 在这种变形方式下 金属产生丝织构 即随着 变形量的不断增大 多晶体中原为任意取向的各个晶粒会逐渐地调整其取向 使得各个晶粒 的某一晶向趋向于与拉伸轴平行 一般认为 单向拉伸与拉拔变形产生的织构差别不大 因 为在这两种情况下如果去除静水压力的影响 则造成塑性变形的应力状态基本是一致的 在 轴对称的单向挤压或拉拔变形条件下 除去静水压力的影响 若各晶粒塑性变形的应力状态 与宏观应力状态一致 s a c h e 理论 则促使晶轴向作用力方向转动 各晶粒的某些晶向将趋 向于拉丝方向 其它取向基本上绕拉丝方向作旋转平均分布 形成丝织构 丝织构也称纤维 织构 用平行于拉丝方向的晶向指数 来表示这种织构 称 为织构轴 丝织构有 7 东南大学硕士学位论文 许多类型 有些极为复杂 对简单的理想织构的偏离可能是织构有某个散布范围 两个或两 个以上织构的复合 层状纤维织构或螺旋纤维织构等 一般面心立方金属有 和 两种丝织构 但是对冷拉体心立方金属而言 不管其成分如何 形变组织都基本相同 为拉 长的长条形晶粒组织 拉长程度随变形量的不同而有所变化 而且体心立方金属的拉拔织构 也主要为 丝织构 一般b c c 金属有 1 1 0 1 1 2 和 1 2 3 e 种滑移系 拉伸时 应力方向 促使品轴向易滑移方向移动 在此滑移系作用下 拉伸织构主要是 在 和 两方向之间发生偏离 其程度随形变量增大而减少 通常的分析和观察表明 体心立方金属 变形时开动的滑移系主要是 1 1 0 滑移系 由t a y l o r 理论 若各晶粒的变形与材料的宏 观变形一致 则可根据b i s h o p h i l l 的最大外功原理或t a y l o r 的最小内功原理求算活化滑移 系 从而可计算出晶粒取向的分布 对于轴对称拉伸过程中织构变化稳定性分析的理论研究 表明 b c c 金属晶粒的 方向为稳定方向 方向为不稳定方向 很多学者 3 9 1 4 0 悃计算机模拟和x r d 分析了低碳钢丝在拉拔过程中的织构 研究表明在 大变形量下钢丝中的主要织构为 丝织构 另外还存在一些随机的织构 z o l o t o r e v s l i i 4 0 的研究表明大应变钢丝中在一个珠光体团中的不同位置的晶体取向也是不相同的 在珠光体 团中与拉丝轴平行的区域具有比较强的 取向 而在与拉丝轴垂直的区域的晶体取向比 较分散 偏离了 方向 y u t a k a 等人 锄 究了钢丝拉拔时发现 钢丝亚表层除了出现了 1 1 0 环状织构外还 出现了 1 1 0 织构 同时发现珠光体中铁素体与渗碳体具有b a g a r y a t s k y 取向关系的盘 条拉拔后 1 1 0 环状织构减弱了 同时 1 1 0 织构增强了 如图1 5 所示 1 1 1 滑 移方向平行于惯习面 1 1 2 并且 l l l 滑移方向与拉丝轴的夹角与形成 1 1 0 织构的情 况是相同的 这种关系导致了渗碳体片层沿着拉丝方向的相互滑移 因此在b a g a r y a t s k y 取 向关系的盘条在拉拔过程中对形成f 1 1 0 织构是有利的 1 f 1 4 1 删 1 1 1 2 图1 5 1 1 0 标准极射投影图和 1 1l 滑移方向 f i g 1 5 1 1 0 s t a n d a r d p r o j e c t i o na n d t h e 1 1 1 s l i p d i r e c t i o n 4 1 1 3 2 2 织构分布的不均匀性 8 第一章绪论 不均匀变形会使变形金属各部分塑性流动的速度和位移均不相同 不均匀的塑性流动会 造成变形各部分之间产生剪切应力 因而导致异常织构的产生 它与金属的变形织构是很不 相同的 b 不均匀变形 图i 6 钢丝的变形过程示意图 f i g i 6s c h e m a t i cv i e wo f d e f o r m a t i o n 刘沿东等人 4 2 1 研究了钢丝拉拔过程中的 1 1 0 织构的产生与拉拔角之间的关系 结果发现当拉拔角过大时会出现钢丝的不均匀塑性变形现象 在钢丝的亚表层产生 1 1 0 织构 1 1 0 织构对钢丝的扭转性能存在很大的影响 1 1 0 织构组分 越多 钢丝的扭转性能越差 4 3 1 图1 6 为钢丝拉拔过程中组织形变示意图 当钢丝处于图1 6 b 所示的不均匀变形时 产 生的异常织构只会在钢丝的表面附近出现 4 5 1 1 3 2 3 再结晶织构 1 金属再结晶 冷变形后的金属加热到一定温度后 在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒 而性 能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态 这个过程称之为再结晶 金属再结晶可以看 作一种特殊的固 固相变 再结晶的过程即为新晶粒的形核与长大过程 形变金属的再结晶 为 由于形变储能的驱动不断产生大角晶界并且大角晶界迁移的过程 对无大角晶界迁移的 微观结构变化过程称之为回复或 原位再结晶 透射电镜观察表明 再结晶晶核是现存于局部高能量区域内的 以多边化形成的亚晶为 基础形核 到目前为止 较能为人们所接受的形核理论大体分两类 其一是亚晶形核机制 其二是原先存在的晶界弓出长大机制 1 亚晶形核机制 亚晶形核有两种机制 一种是区域多边化后的亚晶粒的直接长大 一种是亚晶通过聚积而 长大 c s 岫i 4 6 1 最先提出亚晶形核的亚晶直接长大概念 认为多边化后的亚晶依靠亚晶界的 迁移 在消耗其它亚晶的基础上长大 吞吃形变基体而发展为再结晶晶粒 区域多边化后的 9 东南大学硕士学位论文 亚晶粒的直接长大常常出现于变形量很大的低层错能金属中 由于位错密度较高的亚晶界 其两侧亚晶的位向差较大 故在加热的过程中容易发生迁移并逐渐变为大角度晶界 于是就 可作为再结晶核心而长大 亚晶通过聚积而长大及为亚晶合并机制 在回复阶段形成亚晶 其相邻亚晶边界上的位错网络通过解离 拆散 以及位错的攀移和滑移 逐渐转移到周围亚 晶界上 从而导致相邻亚晶边界的消失和亚晶的合并 合并后的亚晶 由于尺寸增大 以及 亚晶界上位错密度的增加 使得相邻亚晶的位相差相应增大 并逐渐转化为大角度晶界 它 比小角度晶界具有大得多的迁移率 故可以迅速移动 消除其移动路线上的位错 使得在它 后面留下无畸变的晶体 从而构成再结晶核心 在变形程度较大且具有高层错能的金属中 多以这种机制形核 2 晶界突出形核理论 晶界突出形核的成因主要是原始晶界两侧的应变不同而产生不同的储能 晶界在储能差 的驱动下弓出时 在移动过程中产生基本无应变区域而形核 根据这一机制 使凸起的晶界 能够移动长大 必须满足 e r 2 1 a 1 3 式中e i 为驱动力 r 为晶界表面自由能 a 为晶界弓出区域长度 这一过程一般存在于 低变形量金属的再结晶中 2 再结晶织构 金属冷变形之后 变形组织结构中存在着以位错为主的晶体缺陷 这是变形金属内保留 了存储能 它是再结晶的推动力 具有形变织构的材料在再结晶时会再度获得织构 这称为 再结晶织构或者退火织构 再结晶织构可能和原来的形变织构一致 但是大多和原来的形变 织构完全不同 退火织构在晶粒长大过程中会继续发展 少量其它元素的加入会改变再结晶 织构 金属的再结晶通常表现为形核然后向变形晶粒里生长 直至变形金属组织全部由低密度 的非变形晶粒组成 这一过程是通过大角度晶界移动完成的 这样的过程叫做不连续再结晶 但是当变形金属在加热过程中其大角度晶界由于某些原因很难移动时 变形金属也可以发生 很强的回复过程 通过亚晶长大也可使变形金属最终由低位错密度的非变形晶粒组成 这一 过程称为原位再结晶或连续再结晶 再结晶之后多晶体内各晶粒的取向会发生很大的变化 长期以来 人们一直在研究轧制品粒和再结晶晶粒取向之间的关系 以及他们对再结晶过程 的影响 并试图了解再结晶机制 其间提出了各种各样的再结晶理论 为很多人接受的是定 向生长理论和选择生长理论 1 定向形核理论 这个理论认为再结晶的核心同形变织构之间存在一定的晶体学取向关系 这种具有特定 取向的核心依靠吞并形变基体而生长 就形成了再结晶织构 定向形核理论很好地解释了再 结晶织构同形交织构相同的现象 但它的不足之处是它不能解释实际试验中经常观察到的再 1 0 第一章绪论 结晶过程中织构类型的变化 2 定向生长理论 这一理论的依据是晶界迁移率m 和相应的晶界迁移速度明显地依赖于相邻晶粒的相互 取向和一系列其它因素 根据这个理论 在初次再结晶开始阶段 存在着任意取向的晶核 但在生长过程中却发生了取向的 选择 能加速生长和继续生存的是那些相对于基体取向具 有最大晶界迁移速度的晶核 而那些移动较慢的晶核在再结晶时将被吞掉 最后形成以生长 最快的晶核为择优取向的再结晶织构 这个理论是建立在许多实验事实基础上的 但却无法 解释再结晶织构同形变织构一致的事实 定向生长理论表明 晶核往往在过渡带形成并长大 在b c c 金属中 长大的核与基体往往存在2 7 或3 5 0 的关系 核的形成与长大决定了再 结品织构的类型 3 定向形核 选择生长联合理论 该理论联合前两种理论 认为再结晶织构是定向成核的再结晶核心选择长大的结果 这 种理论可以很方便的用于形变织构材料退火时可能发生的三种基本的织构类型变化 这三种 织构类型是 1 再结晶织构与原来的形变织构相同 2 再结晶时 形变织构全部或部分地被其它包含有一个或几个组分的织构所取代 3 再结晶时 形变织构被其它无取向的晶粒所取代 形变金属在退火过程中会发生回复与再结晶 b c c 金属的层错能很高 位错易于交滑移 位错结构可以借助攀移和交滑移作较大的调整 有很强的回复过程 较易发生连续再结晶 根据金属的成分和加熟工艺的不同往往形成不同类型的退火织构 再结晶是一个形核与长大 的过程 再结晶织构在很大程度上往往取决于形变织构 b c c 金属丝再结晶退火后一般仍保 持 织构 经过压缩后的纯铁在5 8 0 8 5 0 cj 匮火具有强的 和弱的 丝织构m 1 4 织构对钢丝性能的影响 织构在金属与合金中的存在具有普遍性 4 8 金属及合金中织构的存在使得材料具有各 向异性 它对材料性能的影响有消极的方面也有积极的方面 比如人们关注的在冲压过程中 由于织构的存在所带来的制耳效应 并设法研究各种方法以便预测和避免织构的这种消极作 用 4 9 5 1 另一方面也可以利用织构各向异性的特点来提高材料的抗腐蚀性能 调整热膨胀系 数等 在钢丝的冷拉拔过程中 铁素体的 织构强度在不断的增加 同时钢丝的抗拉强度 也在不断的提高 我们知道影响钢丝拉伸强度的因素有很多 到目前为止研究比较多的是钢 丝的微观结构 比如片层间距等的影响 但是对织构对抗拉强度的影响的研究鲜见报道 p g a n g l i 等人 5 2 1 的研究了钢丝拉拔过程中织构与形变储存能与钢丝屈服强度的关系 他的 研究表明 钢丝的织构对力学性能的影响不可忽视 其中在有关织构的参数中o d f m a x 与 钢丝的形变储存能与屈服强度的关系最为密切 东自 学顸 论i 目前国内外有关钢丝中的织构对力学性能的影响主要集中在织街对钢丝的扭转性能的 影响方面 有学者对织构对钢丝的扭转性能的影响做了深入的研究0 5 h 2 1 4 指出f 1 1 0 环状织构对铜丝的扭转性能存在很大的影响 图17 为拉拔速度根快时不厨变形量的铜丝袁层和亚表层的织构 可以看到钢丝的亚表 层出现了明显的 1 1 0 1 1 0 环状织构 表层为 1 1 2 织构 图1 8 为不同拉伸速度对铜 丝表层和亚表层扭转性能的影响 我们可以看到亚表层的扭转性能是最差的 可见 f 1 1 0 环状织构的出现降低了钢丝的扭转性能 a b d 幅3 m m c d 矶 f 35 m m 1 7 表目与亚女月 1 1 0 赧目 f k i7 1 l o p o l e f i g m 2 0 f r 舢ea 埘 i k 口甜i 如h r mo f d r a 咖w i r e h w n u m b e ro ft s t s 目i8 拉伸建度对钢丝裹b 和亚寰目扭转性健的 自 f l8 i d o f 女a w l n gs p d o a t o b i o n a l b h a v i o r o f m t a n d i n 自r m e d i a t e l f w 睇h w 刘沿东等眦1 研究发现在较大的拉拔角的情况下 在亚袁层会出现最大的剪切应力 引 起 1 1 0 1 1 0 环状织构的出现 因此钢丝拉拔过程中的工艺参数的选择显得尤为重要 1 5 本课题的研究意义及内容 1 l 研究意义 高碳钢丝被广泛应用于轮胎增强用钢帘线 桥素用镀锌钢丝 预应力混凝土用钢绞线等 在工业中占据着重要地位 高硪铜丝虽属传统材料 但近年来由于高强度化的研究日益受到 重视 高强度化研究和应用取得了惊人的发展的同时 不进行整体强化 而采用渗氮处理来 孽 o 一 l r 一鲺 蓟 第一章绪论 提高表面硬度的强化手段也已得到应用 为了追求钢铁材料的极限强度 对高碳钢丝拉拔过 程组织结构演变与机理的研究也越来越深入 对于钢丝拉拔过程中的组织演变 很多学者进 行了详尽的研究 但对高碳钢丝拉拔过程中织构的演变研究则比较少 在钢丝研究中人们普 遍关注的是微观组织与钢丝力学性能之间的关系 织构的影响大多时候都被忽视了 研究表 明在应变量比较大时 钢丝中的组织变化已经不明显 但此时钢丝中的织构却在发生着较大 变化 且钢丝的性能变化也很大 因此不言而喻织构对钢丝力学性能也存在比较大的影响 同时研究发现在钢丝拉拔过程中 珠光体团会发生转动 铁素体与渗碳体也会随之产生择优 取向 但在这个过程中铁素体与渗碳体之间是否还能维持原有的位相关系 对于这个问题到 目前研究的还比较少 本文旨在研究钢丝冷拔过程中的微观组织演变及钢丝冷拔过程中的铁 素体与渗碳体之