高速大應變冷拔鋼絲的組織和力學性能.pdf

1、現代化工業(yè)應用的背景下，對鋼絲制品高性能低成本化要求越來越高。而鋼絲生產技術的快速發(fā)展，通過增大拉絲變形應變量的方法實現了鋼絲的高強度化，并且隨著鋼絲拉拔技術的進步，拉絲速度越來越快，生產效率也日益升高。因此，現代鋼絲生產主要是一個高速大應變的塑性變形問題。由于對這一客觀的問題缺乏深度的理解與系統(tǒng)研究，故長期以來我國鋼絲制品業(yè)的技術進步主要靠經驗的摸索，缺乏有力的理論支撐。 鑒于此，本文較為系統(tǒng)地研究了高速大應變工業(yè)生產條件下高

2、碳(珠光體鋼)鋼絲拉拔形變過程，通過大量的形貌分析、微觀分析、力學分析、統(tǒng)計分析和綜合分析，發(fā)現了大應變量變形條件下高碳鋼絲高強度的組織源泉，并根據這一認識開發(fā)制定了高強度中碳鋼絲生產工藝。主要創(chuàng)新成果如下： 研究了高碳鋼(SWRH72A)從中ф5.5mm冷拉拔至ф1.5mm左右的變形過程，綜合分析了鋼絲的組織和力學性能的變化情況。結果表明，形變后的鋼絲，橫截面上晶粒顯著細化，而在縱截面上晶粒逐漸被拉長呈纖維狀；其抗拉強度則隨著

3、形變量的增加而不斷增加；形變前的珠光體團為隨機取向，Fe<,3>C片很平直；隨著形變量的增加，Fe<,3>C片逐漸轉到與拉絲軸平行的方向上，基本與拉絲軸方向一致。珠光體片層間距隨著拉絲應變量的增大而減小，應變量較大時(>1.5)，珠光體片層間距變化正比于exp(-ε/2)。SWRH72A鋼絲強度隨拉拔變形應變量增大而增大，并且應變量較大時，強度增長速度明顯快于應變量較小階段。初步分析珠光體鋼絲強化機制得知，變形初期由于珠光體片層間距較大

4、，其加工硬化符合Hall-Petch關系；應變量增大，珠光體片層間距隨之減小，片層基本沿絲軸方向排列，鐵素體片層厚度<100nm，類似于細片層疊層材料，其強化機制符合奧羅萬(Orowan)機制，加工硬化率明顯比變形初期高。珠光體鋼(SWRH72A)大應變量拉拔變形形成的珠光體片層定向排列(沿絲軸)，片層間距極為細小(<100nm)的疊層結構，在塑性變形過程中表現極高的加工硬化率，為珠光體鋼絲實現高強度化提供了組織保證。 研究了經

5、大應變量拉拔變形后SWRH72A鋼絲的微觀結構特點，在本文的實驗條件下X射線光電子能譜(XPS)、磁學性能(VSM)、X-射線衍射分析(XRD)、差熱掃描分析(DSC)的結果協同說明了SWRH72A鋼絲經ε=2.60冷拉拔變形后約有20％的滲碳體分解了，并有部分碳原子進入于鐵素體中形成過飽和鐵素體。大應變量變形后鋼絲在300℃以下回火30min，其高強度保持穩(wěn)定。但回火溫度進一步升高，鋼絲疊層組織結構被破壞，鋼絲強度迅速下降，這進一步說

6、明珠光體鋼單向薄片疊層結構是其獲得高強度的組織保證。 根據Gibbs—Thompson效應從變形引起兩相界面增加，進而導致系統(tǒng)總能量升高的角度，分析了珠光體鋼塑性變形引起滲碳體分解的熱力學過程。從模型計算-的過程可知，影響珠光體鋼冷變形過程中滲碳體分解最關鍵的參數有兩個：珠光體片層間距和變形后鋼絲的溫度(即拉絲變形的溫升)。 通過分析中碳鋼拉拔組織變形特征，得出普通中碳鋼拉絲變形中應變集中于網狀的先共析鐵素體，大應變變形

7、后先共析鐵素體中產生變形損傷，限制了進一步變形。根據上述高碳鋼絲強化理論，通過偽共析處理工藝將中碳鋼處理成全珠光體組織，處理后的中碳鋼具有和高碳鋼類似的加工硬化過程，最終獲得了高強度中碳鋼絲。此外，通過有限元模擬計算了拉絲模具項角和摩擦系數對中碳鋼拉絲過程中裂紋擴展的影響，計算結果顯示在本模型的條件下中碳鋼拉絲模具頂角最佳角度在11°左右，摩擦系數越大裂紋擴展傾向越大。在上述分析計算的基礎上，采取了相應的工藝改進措施，生產出強度達250