高速大應(yīng)變冷拔鋼絲的組織和力學(xué)性能.pdf

1、現(xiàn)代化工業(yè)應(yīng)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(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，通過增大拉絲變形應(yīng)變量的方法實(shí)現(xiàn)了鋼絲的高強(qiáng)度化，并且隨著鋼絲拉拔技術(shù)的進(jìn)步，拉絲速度越來越快，生產(chǎn)效率也日益升高。因此，現(xiàn)代鋼絲生產(chǎn)主要是一個(gè)高速大應(yīng)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(shù)進(jìn)步主要靠經(jīng)驗(yàn)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(yīng)變工業(yè)生產(chǎn)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(xué)分析、統(tǒng)計(jì)分析和綜合分析，發(fā)現(xiàn)了大應(yīng)變量變形條件下高碳鋼絲高強(qiáng)度的組織源泉，并根據(jù)這一認(rèn)識開發(fā)制定了高強(qiáng)度中碳鋼絲生產(chǎn)工藝。主要?jiǎng)?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(xué)性能的變化情況。結(jié)果表明，形變后的鋼絲，橫截面上晶粒顯著細(xì)化，而在縱截面上晶粒逐漸被拉長呈纖維狀；其抗拉強(qiáng)度則隨著

3、形變量的增加而不斷增加；形變前的珠光體團(tuán)為隨機(jī)取向，F(xiàn)e<,3>C片很平直；隨著形變量的增加，F(xiàn)e<,3>C片逐漸轉(zhuǎn)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(yīng)變量的增大而減小，應(yīng)變量較大時(shí)(>1.5)，珠光體片層間距變化正比于exp(-ε/2)。SWRH72A鋼絲強(qiáng)度隨拉拔變形應(yīng)變量增大而增大，并且應(yīng)變量較大時(shí)，強(qiáng)度增長速度明顯快于應(yīng)變量較小階段。初步分析珠光體鋼絲強(qiáng)化機(jī)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(guān)系；應(yīng)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(xì)片層疊層材料，其強(qiáng)化機(jī)制符合奧羅萬(Orowan)機(jī)制，加工硬化率明顯比變形初期高。珠光體鋼(SWRH72A)大應(yīng)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(xì)小(<100nm)的疊層結(jié)構(gòu)，在塑性變形過程中表現(xiàn)極高的加工硬化率，為珠光體鋼絲實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化提供了組織保證。 研究了經(jīng)

5、大應(yīng)變量拉拔變形后SWRH72A鋼絲的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在本文的實(shí)驗(yàn)條件下X射線光電子能譜(XPS)、磁學(xué)性能(VSM)、X-射線衍射分析(XRD)、差熱掃描分析(DSC)的結(jié)果協(xié)同說明了SWRH72A鋼絲經(jīng)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(jìn)入于鐵素體中形成過飽和鐵素體。大應(yīng)變量變形后鋼絲在300℃以下回火30min，其高強(qiáng)度保持穩(wěn)定。但回火溫度進(jìn)一步升高，鋼絲疊層組織結(jié)構(gòu)被破壞，鋼絲強(qiáng)度迅速下降，這進(jìn)一步說

6、明珠光體鋼單向薄片疊層結(jié)構(gòu)是其獲得高強(qiáng)度的組織保證。 根據(jù)Gibbs—Thompson效應(yīng)從變形引起兩相界面增加，進(jìn)而導(dǎo)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(xué)過程。從模型計(jì)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(guān)鍵的參數(shù)有兩個(gè)：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(yīng)變集中于網(wǎng)狀的先共析鐵素體，大應(yīng)變變形

7、后先共析鐵素體中產(chǎn)生變形損傷，限制了進(jìn)一步變形。根據(jù)上述高碳鋼絲強(qiáng)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(qiáng)度中碳鋼絲。此外，通過有限元模擬計(jì)算了拉絲模具項(xiàng)角和摩擦系數(shù)對中碳鋼拉絲過程中裂紋擴(kuò)展的影響，計(jì)算結(jié)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(shù)越大裂紋擴(kuò)展傾向越大。在上述分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，采取了相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施，生產(chǎn)出強(qiáng)度達(dá)250