預扭轉(zhuǎn)變形對冷拔珠光體鋼絲組織和性能的影響

1、預扭轉(zhuǎn)變形對冷拔珠光體鋼絲組織和性能的影響 摘要：本研究通過不同轉(zhuǎn)數(shù)扭曲的鋼絲，對預扭轉(zhuǎn)變形對冷拔珠光體鋼絲的顯微組織、拉伸強度和顯微硬度進行了研究。結(jié)果表明，預扭轉(zhuǎn)后，拉伸強度對扭轉(zhuǎn)變形非常敏感且強度明顯下降。隨著預扭轉(zhuǎn)數(shù)量的增加，顯微硬度在中間層和表面層顯示不同演化過程。通過預扭轉(zhuǎn)，滲碳體片層邊界增強減少和由應變梯度誘導加工硬化增強進行了討論，揭示了拉伸強度和顯微硬度的變化。關鍵詞： 珠光體；冷拔； 扭轉(zhuǎn)； 拉伸強度； 顯微硬度。1.介紹具有較高的強度和合理延展性結(jié)合彈性極限的冷拔珠光體鋼絲在電纜電線懸索橋，結(jié)構(gòu)加固混凝土和輪胎，繩索和結(jié)構(gòu)彈簧的得到廣泛應用。用于電纜的電線，它們通常是由熱

2、軋鋼的共析或過共析組合物具有一定直徑、拉絲退火以產(chǎn)生完全珠光體組織細珠光體片層間距，然后冷拔鋼絲經(jīng)幾次，并最終在鋅浴鍍鋅。微觀結(jié)構(gòu)演化和在拉拔過程中珠光體鋼絲機制的加強已經(jīng)由恩伯里和費舍爾系統(tǒng)地研究了，并首先通過他們提出了一種邊界強化機制，這是由蘭福德證實。從那時起，冷拔珠光體鋼絲的強度和層間距之間存在Hall-Petch關系已經(jīng)被廣泛報道。托里比奧和Ovejero和張某等人也提出了珠光體形貌的演變機制，這是基于不同的配置的珠光體不同的變形行為的分析。同時，利用實驗性或理論性的方法損傷演化和優(yōu)化在多道拉絲工藝圖紙參數(shù)已被廣泛研究。珠光體鋼絲，發(fā)生在冷拉伸過程中，從而導致強度的增加既減少了珠光體

3、片層間距和滲碳體的層狀厚度變薄。冷拉伸變形時的強度增加可以歸因于位錯的減少的平均自由程與納米結(jié)構(gòu)的作為阻礙位錯滑移的滲碳體片。破壞強度和韌性的冷拉珠光體鋼絲檢查通過執(zhí)行單向和反向扭轉(zhuǎn)測試。懸索橋的電纜線在卷曲過程中主要承受拉應力而不是扭轉(zhuǎn)變形的過程，但卷取過程中的運輸和加工開卷電纜中的導線可能會遭受一定的扭轉(zhuǎn)變形準備。就我們所知，目前，扭轉(zhuǎn)主要用于檢查失效強度和鋼絲的韌性的試驗方法;扭轉(zhuǎn)變形對微觀結(jié)構(gòu)的影響，冷拔珠光體鋼鋼絲的拉伸強度和硬度的影響還未見報道。這里描述的研究的目的是研究扭轉(zhuǎn)變形對冷拔珠光體鋼絲的影響，用于超高強度拉拔鋼絲的發(fā)展，以表征微結(jié)構(gòu)的變化，并闡明扭轉(zhuǎn)變形如何影響機械性能的

4、機制發(fā)展。目前的工作重點是微觀方面，而扭轉(zhuǎn)變形對織構(gòu)演變的影響將是下一個即將發(fā)表的論文的主題。2材料和實驗程序2.1材料在本研究中商業(yè)鋼絲選用的原始材料其化學百分比為Fe-0.84C-0.19Si-0.72Mn-0.04Cr。經(jīng)過八個冷拔步驟發(fā)生拉伸應變，將直徑7.0 mm接收鋼絲與直徑為13.5 mm的鋼桿，相應拉伸到的1.31mm，然后在450于鋅浴中鍍鋅，以改善抗腐蝕性（鍍鋅鋅層厚度約為40 um），最后在一定的溫度（<400）進行穩(wěn)定化處理。這些具有高強度的鋼絲，通常用于制造吊橋的鋼索。 如圖1a和b所示（引自文獻12），原絲平均表觀珠光體片層間距為約70 nm具有完全珠光體組織

5、。橫截面的形貌是波浪狀的珠光體晶粒（圖1a），并觀察到在縱截面纖維珠光體形態(tài)與滲碳板主要是平行或幾乎與鋼絲軸線平行 。圖.1C表明，作為接收的鋼絲與鐵素體基體平行的鋼絲軸（拉伸方向）<110>具有很強的纖維織構(gòu)<110> 。 收線的工程應力 - 應變曲線示于圖 1d所示。在這個實驗中，鋼絲是由法爾勝集團公司（江陰，中國）提供的。圖2.扭轉(zhuǎn)變形：（a）示意圖; （b）扭轉(zhuǎn)之前的鋼絲線; (c)扭轉(zhuǎn)之后的鋼絲。2.2扭轉(zhuǎn)變形扭轉(zhuǎn)變形的草圖如圖2所示，扭轉(zhuǎn)是固定在一個末端和可以旋轉(zhuǎn)的中心軸的單向扭轉(zhuǎn)機另一端進行。扭轉(zhuǎn)之前，沿軸線被畫上了電線，為了計算扭轉(zhuǎn)的實際數(shù)量和計算實際應

6、變。由于確定在繞線或解卷的實際過程扭轉(zhuǎn)應變的難度，導線被設計成經(jīng)受不同扭轉(zhuǎn)數(shù)，如1，3，9，和20轉(zhuǎn)數(shù)（分別命名wire1，wire3，wire9和wire20，通常在斷裂前收線可以減少25圈），獲得絲樣品具有不同的扭應變。圖1.微結(jié)構(gòu)，紋理和所接收的鋼絲的應力 - 應變曲線：（a和b）分別是作為接收的g鋼絲分別在縱截面和橫截面觀察到的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片8; (C) 通過X-射線衍射法測的鐵素體基體的反極圖; （d）應力 - 應變曲線。旋轉(zhuǎn)速度為30 rpm和鋼絲扭轉(zhuǎn)變形的標距長度為70 mm。由式（1）計算出剪切應變，這為研究高壓扭轉(zhuǎn)做參考。 =2pRN/L (1)其中R是到軸中心

7、的距離（在這項工作中的表面層樣品，R等于3.25毫米），N是扭轉(zhuǎn)數(shù)，L是預先扭轉(zhuǎn)變形鋼絲的長度。等效應變 vm，從下面的公式計算: vm=/3 (2)扭絲樣品的拉伸試驗以應變速率為3.0×10-4s-1與ISO標準 6892:1998在室溫下進行15。一般來說對兩個樣品進行反復 ''扭轉(zhuǎn)+拉伸''扭轉(zhuǎn)的方法，并在此研究中獲得了良好的拉伸試驗的應力 - 應變曲線的重現(xiàn)性。作為接收和扭轉(zhuǎn)鋼絲中心層（實際是靠近中心）和表面層進行了兩個（其實近中心）層 進行了顯微硬度和顯微結(jié)構(gòu)特征測試（如圖3所示）。樣品從線軸的中心到表面層的距離約為3.25 mm，對應于0到

8、1.02的剪切應變或0至0.60的等效應變。（見表1）。根據(jù)ISO6507-1:2005標準在鋼絲的表面層和中心層上進行進行了在200克力的負荷10秒的維氏顯微硬度試驗。被置于沿導線軸線方向保持上的平均值的每個顯微硬度值為10壓痕（兩個相鄰壓痕之間的距離為0.1mm）。表1 預扭轉(zhuǎn)變形鋼絲試樣的信息試樣接收線鋼絲1鋼絲3鋼絲9鋼絲20預設轉(zhuǎn)數(shù)013920實際轉(zhuǎn)數(shù)00.82.57.517.5剪切應變 00.050.150.441.02等效應變 vm 00.030.080.250.602.3 樣品制備試樣的維氏硬度試驗和掃描電子顯微鏡（SEM）分析從鋼絲被切斷，然后在填充有銅導電膠木熱固定（在16

9、0下8分鐘）。標本用金剛砂紙表格120800打磨與9和3LM對絨衣服的水基金剛石懸浮液研磨。試樣用金剛砂紙按120800打磨與在9和3 um的絨布的水基金剛砂懸浮液中研磨。最后通過使用振動研磨機與0.06LM膠體二氧化硅懸浮液拋光約1.5小時，以有效地去除形變表面層，同時盡量減少表面附近的結(jié)晶的破壞進行。在某些區(qū)域高厚度或高度殘余應力的滲碳體片層在蝕刻過程中很容易被破壞。因此，試樣的微觀結(jié)構(gòu)表征主要由背散射電子成像（BSEI）方法，無需腐蝕。更多的細節(jié)被顯示在側(cè)重于比較參考 BSEI方法和二次電子成像技術(shù)（SEM）技術(shù)用于表征未變形和變形珠光體鋼。 用于進行透射電鏡表征的薄切片標本通過分別從鋼

10、絲的中心層和表面切斷（見圖3）。 然后，將試樣研磨至約40LM厚，然后通過使用在室溫下的5高氯酸和95乙醇中的溶液用雙噴射研磨設備的薄型化。在200千伏的透射電鏡觀察。TEM觀察在一個ZEISSLIBRA200有限元透射電子顯微鏡電壓200千伏下進行。3結(jié)果3.1拉伸強度扭轉(zhuǎn)金屬絲的應力 - 應變曲線示于圖4，和屈服強度（應力在0.2殘余應變，R0.2）和極限抗拉強度（UTS）被選擇并且放置在圖5。扭轉(zhuǎn)金屬絲的應力 - 應變曲線示于圖4，和屈服強度（應力在0.2殘余應變，R0.2）和極限抗拉強度（UTS）被選擇并且放置在圖5。 該結(jié)果表明，冷拉拔珍珠中信鋼絲的抗拉強度是預扭轉(zhuǎn)變形非常敏感。 屈

11、服強度顯著相后0.8革命前的扭轉(zhuǎn)變形減小到所接收的電線（參見圖5）。 作為公轉(zhuǎn)的增加為2.517.5的數(shù)，兩者的屈服應力和抗拉強度下降緩慢，然后于不動。 圖.3試樣維氏顯微硬度測試和顯微分析示意圖。 圖.4預扭轉(zhuǎn)變形鋼絲的工程應力-應變曲線。圖5 屈服強度（R0.2）和預扭轉(zhuǎn)變形絲隨著轉(zhuǎn)數(shù)的極限拉伸強度（UTS）圖.6預扭轉(zhuǎn)變形鋼絲表面層和中心層絲隨著轉(zhuǎn)數(shù)變化的顯微硬度值此外，作為接收到的線的應力 - 應變曲線具有明顯的屈服點和屈服平臺的一定的寬度。與所收到的電線相反，既不屈服點也沒有屈服平臺，觀察屈服應變的周期預扭轉(zhuǎn)變形絲的應力 - 應變曲線上。3.2 顯微硬度圖6繪出了的顯微硬度是表面層和

12、中間層的兩個試樣扭轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)。有趣的是，在預扭轉(zhuǎn)變形所施加之后觀察到不同層中的試樣的硬度有顯著差異。這說明硬化行為發(fā)生在表層，而軟化行為發(fā)生在中心層隨預扭應變。此外，硬度的轉(zhuǎn)化速度，是否表面層硬化或中心層軟化，是隨預扭轉(zhuǎn)應變增加而發(fā)生改變。值得一提的是，硬度的變化，無論是在表面層硬化和中心層軟化都主要發(fā)生在低應變階段。硬度在低應變階段急劇改變（從0到2.5圈），無論是在中心層和中間層。作為扭轉(zhuǎn)應變增加（從2.5到17.5圈），硬度增加或減少緩慢，或接近不動。上面的結(jié)果表明，預扭轉(zhuǎn)不僅導致了顯微硬度的變化，而且由于在表面層和中間層之間的硬度特性差異導致不均勻的微觀組織。3.3微觀結(jié)構(gòu)圖7顯示出隨

13、著扭轉(zhuǎn)變形的增加，預扭轉(zhuǎn)變形鋼絲的珠光體形態(tài)的表面層的顯微結(jié)構(gòu)的變化，在縱截面和橫截面之間表現(xiàn)出明顯差異?？v切面：隨著扭轉(zhuǎn)應變增加，珠光體片層主要是平行于鋼絲軸（W）的原纖維結(jié)構(gòu)（f）正逐漸向旋轉(zhuǎn)剪切方向（h）和珠光體片層出現(xiàn)越來越多的障礙。橫切面：隨扭轉(zhuǎn)應變，結(jié)構(gòu)似乎不變，并維持波浪形態(tài)?？v截面和橫截面之間的不同珠光體形態(tài)是由扭轉(zhuǎn)的特征導致。在純扭轉(zhuǎn)下，每個鋼絲樣品的橫截面保持平面和失真，因為該圓軸是軸對稱的。集中于高壓扭轉(zhuǎn)幾個研究這種現(xiàn)象也被報道過。冷拔珠光體鋼絲的強度和硬度是由珠光體片層間距的支配，它對珠光體片層的形貌的表征是必要，并確定通過透射顯微鏡的使用確定的層間距。實際扭轉(zhuǎn)變形17

14、.5轉(zhuǎn)的導線20的特點是ZEISS LIBRA200 FE TEM，并且結(jié)果在圖8.顯示。由于鋼絲預扭轉(zhuǎn)變形漸變層的存在，線20的顯微結(jié)構(gòu)，不僅從中心層，而且從表面層進行了表征。珠光體片層間距（ILS）的平均表觀通過TEM測定結(jié)果顯示于表2。此外，對于每個試樣的數(shù)據(jù)推斷出10個不同區(qū)域的顯微照片。圖8a說明了從線20的中心層觀察到典型的TEM明場顯微照片，顯示作為收線的顯微組織一個顯著特點作為比較：在珠光體片層間距沒有顯著變化（見表2）但相當大的碎片滲碳體片層可能會發(fā)生滑移發(fā)生在滲碳體（參見圖8A中的白色箭頭）在一些地方的結(jié)果。顯然，一旦滲碳體滑移和斷裂成片段，在滑動位置的珠光體片層間距，只要

15、該原來的1，位錯兩次的等效平均自由程在鐵素體基體的兩倍。相應的選區(qū)電子衍射（SAED）模式顯示擴散的衍射斑點，表明預扭轉(zhuǎn)變形，鐵素體片層/基體在后 同樣的珠光體團變形為子結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出小的取向差。不幸的是，滲碳體層片納米級的厚度，可能與鐵素體的斑點，這導致在暗場成像不成功重疊。 一些補充說明這里應該考慮到中心層標本在本次調(diào)查是從實際接近中間層，而不是真正的中心（不扭轉(zhuǎn)）切割，從而預扭轉(zhuǎn)變形也發(fā)生在這些標本。 圖8b顯示出從wire20的表面層觀察到典型的TEM明場顯微照片。相較于作為接收線的顯微組織，珠光體的層狀形態(tài)在表面層樣品已經(jīng)顯著改變，并且相當大的彎曲和滲碳體薄片的碎片可以很容易地找到。

16、 更糾結(jié)的位錯也觀察到了鐵素體片層/基質(zhì)比中心層的樣品中（參見圖8a）。除了疑惑，在鐵素體片層/基體的存在更多的位錯，增加位錯強化（或稱為加工硬化強化）的更明顯的效果。相應的電子衍射圖案示出了珠光體片層/基體的取向是更加隨機的，這表明該薄片/矩陣具有大取向差遭受更嚴重的變形比較來那的在中心層。圖.7 BSEI顯微圖中的縱向部分wire1的（A-D）和橫向部分（E-H）（a和e）中，鋼絲3（b和f）中，鋼絲9（C和G）和鋼絲20（d和h）。4討論4.1 應力 - 應變曲線 至于強度和硬度的變化以后討論的基礎上，我們將首先總結(jié)了我們對所收到導線的應力 - 應變曲線和預扭轉(zhuǎn)變形絲的看法。對于高碳鋼，

17、一般地，在應力-應變曲線上既沒有屈服點，也沒有屈服平臺，因為填隙碳原子之間的相互作用是太大而形成的氣氛能釘扎位錯。然而，對于具有完全珠光體組織的珠光體鋼，所有的碳原子是由滲碳體的形式存在，只有一小部分的氮原子的鐵素體層/基體間隙原子的形式存在。此外，作為接收線在一定溫度下發(fā)生熱鍍鋅過程和穩(wěn)定化處理，這會導致位錯鐵素體片層/基質(zhì)的適當密度。當?shù)拈g隙原子擴散到位錯科特雷爾氣氛或Snoek氣氛可能作為接收線，其中位錯釘扎溶質(zhì)有效氮的間隙。其中位錯被溶質(zhì)氮原子有效釘扎。此外，許多研究報道，位錯在一端或兩端可以被固定，以一個一般的晶界，這是合理的認為位錯也可以通過滲碳薄片具有納米尺度的厚度，該厚度比晶

18、界更穩(wěn)定的鎖定。一旦釘扎位錯或鎖定的氣氛或滲碳體片狀結(jié)晶，一個小的額外的力是必需的，以取消鎖定或解除鎖定之前的屈服錯位，然后在屈服點伸長出現(xiàn)在所收到的金屬絲的應力 - 應變曲線上。結(jié)果表明，通過能夠影響應力-應變曲線或者顯微硬度的預扭轉(zhuǎn)應變的引入不是非常大。實際上，對于軟化行為，如圖5和6中，盡管屈服強度或顯微硬度，轉(zhuǎn)變僅限于小應變。可能的原因是，這樣一個小的應變是能夠移動的釘扎或位于位錯，這導致軟化行為。 然而，根據(jù)固定或鎖定位錯是恒定的在所收到的電線總量的情況下，有預扭應變的增加在預扭轉(zhuǎn)變形的電線沒有多余的軟化作用。（見圖5和6）. 4.2 拉伸強度在完全珠光體鋼的納米結(jié)構(gòu)薄層滲碳，就像在

19、多晶金屬晶界，可以作為阻礙位錯滑移。冷拉拔鋼絲的強度和硬度都主要依賴于它被認為是相等的鐵素體薄片的寬度的兩倍的平均位錯滑移距離。因此，根據(jù)本界強化機制，關于鐵素體片層的屈服強度（sy）的Hall-Petch方程可表示為： sy=s0+k1(2d)-1/2 (3)其中s0表示鐵素體的摩擦應力，d為鐵素體的厚度和k1為可從Hall-Petch的斜率得出的常數(shù)。它已測得的鐵素體薄片和珠光體片層間距的兩個厚度都在冷拉伸過程中按照變化鋼絲直徑減少了。因而，方程（3）也可以寫為：sy=so+k2(2ILS)-1/2 (4)其中ILS是珠光體片層間距和k2是常數(shù)。根據(jù)公式（4）在珠光體鋼的屈服強度與珠光體片

20、層間距變化，其中已在許多作品報道過。據(jù)報道，發(fā)生在滲碳體薄片在與平行于紙面方向發(fā)生相當大的滑移，滲碳體的均質(zhì)細化和伸長將發(fā)生;在珠光體中的滲碳體片層不利于取向（不平行于拉伸方向）大量彎曲和薄片的碎片可能會發(fā)生在珠光體中的滲碳體片層不利于取向（不平行于拉伸方向），相當大的彎曲和片狀晶體碎裂可能出現(xiàn)。換句話說，不均勻的彎曲和破碎時的滲碳體片層不平行于變形應變可能會發(fā)生?！?,4,5】換句話說，不均勻的彎曲和破碎時的滲碳體片層不平行于變形應變可能會發(fā)生。由于通過預扭引入剪應變，滲碳體片層的彎曲和碎裂時有發(fā)生，這并不奇怪（參見圖8a和b）。顯而易見，無論是位錯滑移距離和層間距由滲碳體的形態(tài)的影響.扭轉(zhuǎn)

21、應變() 形態(tài)為正,和再用未定義功能增加了層間距（DILS）的變化：DILS=f() (5)sy =so+k2ILS+f()-1/2 (6)由于滲碳體片層碎裂造成完全層狀形態(tài)的偏差將拓寬位錯滑移距離或珠光體片層間距，因而負責邊界強化效應減少，導致強度和硬度的下降。因此，在圖所示。如圖4和5所示，預扭轉(zhuǎn)導致冷拉珠光體鋼絲的抗拉強度降低。然而，由預扭轉(zhuǎn)在這項工作中引入的應變不夠大（見表1），以完全破壞珠光體的層狀結(jié)構(gòu)，并且預扭轉(zhuǎn)變形絲的抗拉強度仍主要由原始的片層間距確定。另外，比較圖8a和b，它也可以推斷，在表面層樣品的邊界強化應該有更大的降低，因為試樣在滲碳薄片比在中心層更嚴重的碎裂。4.3 顯

22、微硬度層狀珠光體鋼的顯微硬度，像抗拉強度，也主要依賴于珠光體片層間距。實際上，線性關系通常是報道給材料的顯微硬度和拉伸強度拉伸性能可以用理論或經(jīng)驗公式從顯微硬度測量得到。邊界強化的減小在預扭轉(zhuǎn)變形鋼絲由于滲碳體碎裂的還原片層肯定會引起硬度下降。在這種情況下，在表面層中的硬度應該減少更多，因為與在中心層相比有更多的滲碳體薄片已破碎成片段。然而，這與實驗觀察沖突。加工硬化效應在這要應考慮到，因為預扭轉(zhuǎn)所引起的錯位倍增會導致在位錯密度的鐵素體片層/基質(zhì)的增加。因為加載的幾何形狀扭轉(zhuǎn)試樣半徑內(nèi)應變和應變率的增加呈線性。也就是說，有一個從絲軸鋼絲表面線性應變梯度。兩種位錯在預扭轉(zhuǎn)變形中存在：剪切梯度引起幾何必需位錯; 統(tǒng)計學存儲位錯任意相互限制。這兩種位錯的位錯密度是應變函數(shù)，以及材料的加工硬化是由位錯的總密度控制和應變的梯度成正比。由于統(tǒng)計存儲位錯的積累或幾何必需位錯積導致顯微硬度的變化在這里不討論。重點是證明隨著越來越多的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速每個預扭轉(zhuǎn)變形鋼絲半徑內(nèi)加工硬化效應線性增加 并且在樣品表面層的硬化強化的增加更加迅速。因此，預扭轉(zhuǎn)變形鋼絲的顯微硬度的變化涉及兩個因素：一是晶界強化的減少，而另一個是加工硬化的增加。根據(jù)公式（4）和參考方程32給出示意圖圖9，應當指出，在草圖中心層也意味著那些靠近中心層，而不是真正的中心的。在試樣表面層，邊界增強效果迅速減小，但是