材料加工工程开题报告模板

1、研究生学位论文选题报告及 论 文 工 作 实 施 计 划学 院： 专 业： 研 究 生： 学位级别： 指导教师： 入学年月： xx大学研究生院2012年1月5日一、论文选题报告 论文题目：高性能帘线钢盘条及钢丝的工艺组织与性能研究方向：高性能帘线钢盘条及钢丝的工艺组织与性能课题来源国际基金项 目部、省级项 目横 向联 系自 拟合 同编 号经 费 数（万元）横向10题目类型基 础研 究应 用研 究工 程应 用其 它一、国内外研究现状：1、国内外钢丝制品行业的现状及发展根据考古发现，远在2000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19世纪欧洲工业

2、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。近年来，世界线材生产总量有所增长，中国及许多发展中国家线材产量迅速增加，日、英、法等国线材产量显著减少。随着我国成为世界上第一个钢产量连续几年超过2104万t的国家,标志着我国钢铁工业进入一个崭新的发展阶段。同时,我国在线材生产能力、管理、装备水平等方面有了长足的进步，并建设了多套世界一流的线材生产设备，2004年我国线材产量达到4941万t,占全世界线材总产量的40%以上,也成为世界第一线材大国1。但是,我国还不能称作世界线材强国,因为仍存在如生产工

3、艺不完善、操作管理不精细、科研开发的投入不足和落后轧机数量多等诸多因素，使我国与世界高水平线材生产同行相比还有较大的差距，尚不能大量生产高附加值线材。目前我国还有部分线材品种仍然依靠进口维持生产，如钢帘线、预应力钢丝及钢绞线、高应力弹簧钢、不锈钢、冷镦钢等线材。因此，线材生产面临着结构调整的繁重任务，必须优化工艺结构、产品结构，才能增强市场竞争力。钢丝产品的应用非常广泛，涉及到国民经济的各个部门2-5。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

4、钢丝等，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人的发展，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。高性能的钢丝绳不但要求足够的强度(2000MPa)，还要求良好的抗疲劳性能和高的成材率。研究表明，钢丝绳能否实现高性能化主要取决于其微观结构，而微观结构受控于原材料成分、拉拔和热处理工艺。国内高附加值线材产品的质量问题主要体现在：1) 尺寸、表面质量问题，如直径尺寸公差大、氧化铁皮厚、表面脱碳严重等，从而严重影响了线材制品质量；2) 成分、内部质量问题，如化学成分控制精度低、成分波动范围

5、大，偏析严重、硫磷含量商及氧化物与硫化物夹杂严重等，造成拉丝断头率高，通条性能差，强度差一般为80120MPa，严重影响使用质量；3) 金相组织问题，如索氏体组织不稳定、实际晶粒度为47级，晶粒大小不均等，造成一次减径率低，需增加热处理次数，同时影响钢丝塑性与韧性指标；4) 力学性能问题，如性能偏低或偏高、同条性能不均匀等，造成钢丝性能不合格，断丝率高等问题。2003年10月，“从盘条到丝材及丝制品”国际会议在意大利Stresa召开。在高强度盘条、冷拔钢丝及相关工艺研究方面提出了两个主要研究方向：（1）在保持高强度水平的前提下，通过微观组织设计与控制改善冷拔性能及韧性，同时降低环境污染；（2）

6、研发新技术和改进已有技术，以便经济、清洁和安全地生产高使用性能的钢铁产品，适用且用户满意、长服役寿命并易于回收及再循环使用。进入21世纪以来，中国逐渐成为世界制造业的中心。随着钢丝制品行业本身以及各相关行业的高速发展，中国的钢丝制品企业趋向于下述几个方面发展：（1）低成本化经济效益是所有行业追求的根本，因此降低钢丝制品的生产成本是钢丝制品企业主要的工作目标。降低生产成本可分为两大方向：一是提高生产效率。随着世界劳动力成本的不断提高，采用先进的拉丝设备进行生产，提高生产过程的自动化程度。以及研究钢丝高速拉拔形变机理，降低拉拔断丝率，进而提高生产效率；二是降低生产成本，包括原料成本、能耗、物耗等。

7、2000年左右，德国、日本、西班牙等金属制品发达国家开始高强度中碳钢丝绳的研制，拟用价格较低的中碳钢盘条取代目前所用的高碳盘条，以生产高强度钢丝绳。（2）高性能化在航空工业、汽车工业以及高层建筑、大跨度桥梁建设中，钢丝制品都起到了至关重要的作用。在这些领域中，不但要求钢丝有足够高的承载能力以保证安全性，还要求最大限度地减轻自重。因此人们从来没有停止对高强度钢丝的追求和研究，因为在满足其他性能的前提下，提高强度一倍意味着降低一半的重量。据文献报道，日本某研究机构已在实验室中制备出强度高达5000MPa的钢丝绳产品。2、高性能珠光体盘条的热处理工艺索氏体组织（细珠光体）具有良好的综合机械性能和拉拔

8、性能，在钢丝生产企业中，都将索氏体化处理作为钢丝生产过程中的中间热处理工艺，以调整钢丝的机械性能和拉拔性能。索氏体化处理（国内俗称“铅淬火”），是将奥氏体化的盘条通过不同冷却介质进行冷却，达到等温淬火的目的，实现从奥氏体到索氏体的转变，最终得到索氏体化的盘条，以保证盘条具有最佳的综合机械性能和拉拔性能。目前，获得索氏体化的盘条主要有三种工艺： 2.1 DP工艺（Direct Patenting） 即盘条热轧完后，直接通过STELMOR等强制风冷方式实现盘条索氏体化。目前国内外大多数企业采用此工艺生产桥梁缆索用钢丝盘条。这方面的代表公司有日本神户特钢(KOBE) 的 KKP 盘条，以及国内的宝钢

9、、兴澄等。为克服空气冷却能力不足的缺陷，日本神户特钢公司通过对传统 STELMOR 冷却线的风机布置位置进行了改造，并增加了风机数量，保证制备的 KKP 盘条冷却时获得的索氏体组织更加均匀，索氏体含量也相应有所提高。目前神户特钢公司生产的KKP盘条已能制备出强度级别为1770MPa，直径为5mm 的悬索桥主缆钢丝，并成功应用于日本的明石海峡大桥（世界最大跨度悬索桥，两根主缆中的一根为KKP盘条生产，另一根为日本新日铁DLP 盘条）。国内上海宝钢企业采用该种技术，生产出1770MPa，直径为7mm的斜拉索钢丝，并应用于苏通大桥。2.2 LP工艺（Lead Patenting） 即将热轧生产的盘条

10、作为初始材料，重新加热进行奥氏体化，再通过铅浴处理的方式实现盘条的索氏体化，该种工艺在国内金属制品企业中较少采用。由于铅浴比空气具有更高的热容量，冷却能力更强，同时，铅温较为稳定，因而可在一个接近等温条件下发生奥氏体到珠光体的转变，获得的索氏体组织均匀，片层更加细小。有研究表明，通过LP工艺获得的盘条强度要比同成分的DP盘条强度高100150MPa，此外，盘条的塑性也有所提高。采用此种工艺的公司有日本神户特钢（KOBE）及英国的Corus和Bridon公司。2.3 DLP工艺（Direct inline Patenting） DLP 工艺是日本新日铁公司的专利技术，即利用融盐和铅具有相似的冷却

11、能力，将热轧盘条通过盐浴槽实现等温淬火，获得索氏体组织。DLP工艺生产的盘条强度和韧性优于DP工艺生产的盘条，和LP工艺相比，该工艺有两个明显优势：1）不需重新奥氏体化加热，节约了能源，同时也防止了加热过程中的奥氏体晶粒粗化；2）避免了铅介质的毒性，更加环保。从目前桥梁钢丝生产实践看，该种盘条制备的钢丝强度级别较高，尤其是钢丝扭转性能好。目前该种工艺并配合合金化工艺已能生产强度为1770MPa、直径为 5mm ，以及强度为2000MPa、直径为5mm的镀锌钢丝，已成功应用于日本明石海峡大桥、香港昂船洲大桥、韩国仁川大桥等国内外特大型悬索桥和斜拉桥。 上述索氏体化热处理方法各有特点,从上述3种工

12、艺生产的盘条和钢丝的性能对比分析，LP和DLP工艺制备的盘条性能优于DP工艺（图1），但DP工艺更节能和环保，是国内钢丝生产企业普遍采用的工艺方法。因此，根据不同工艺特点，弄清影响提高桥梁缆索用钢丝强度的主要因素是研究的关键问题之一。图1 索氏体化工艺对盘条力学性能的影响6Fig.1 Influence of sorbite technological on mechanical properties of steel rod3、拉拔钢丝的特点冷拉钢丝与热轧钢材相比，具有以下特点7:(l)钢丝经过一系列的冷拉拔加工，可以拉成直径很小的产品，随着现代拉拔技术水平的进步，能冷拉达0.01mm的合金

13、钢丝和中0.00lmm的优质碳素钢丝。而热轧线材目前最小断面尺寸是中5.0mm。(2)钢丝产品的断面几何形状准确、尺寸偏差小、表面光滑致密、光洁度高，可不再经任何其它加工而直接用于其它工业部门，例如用于加工要求较高的纺织和机电仪表工业部门等。(3)钢丝产品经过冷拉拔变形，材料因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要高12倍。因此，用冷拉钢丝来代替普通线材作某些用途时，可节约钢材50%左右。(4)钢丝产品具有良好的弹性及塑性。能经冷弯成形制作各种弹簧，可不经热处理直接使用，以满足某些特殊需要。(5)某些钢丝产品强度较低。如低碳钢丝经过热处理后，其性能偏软，可用于民用捆扎、

14、编织等方面。(6)成品钢丝经过后序工序镀层处理后，具有防腐、导电以及能与橡胶结合等特性，依照钢丝原料的化学成分不同，可加工成为某些特殊物理性能的产品，如具有不锈、耐酸、耐热、低电阻、低磁性、易切削等性能的钢丝。4 钢丝绳生产工艺流程高强度钢丝绳的生产是一项系统工作，流程很长，影响因素相当复杂，任何一个环节中存在的问题都会影响到最终产品的性能810。传统的高强度钢丝绳生产工艺流程如图2所示。钢丝制品业的原料为6.513mm的热轧盘条，经力学性能、化学成分等基本检查合格后投入生产；冷拉拔前需要进行去除热轧盘条表面的氧化皮、酸洗除锈、涂润滑层等预处理；由于钢丝拉拔是一个冷变形过程，伴随着剧烈的加工硬

15、化，难以一次拉拔至成品尺寸，因此以两次中间热处理为标志将拉拔变形分为大、中、细拉三个阶段；大、中拉间的正火处理的目的是消除拉拔过程中所造成的加工硬化，恢复钢丝塑性，以便进行进一步的冷拉拔；而细拉前进行的中间热处理不但可以消除拉拔过程中所造成的加工硬化，其主要目的是为了生产出具有良好综合机械性能的成品钢丝。一般采用铅浴淬火工艺，以获得可拉拔性最好的索氏体组织；根据钢丝制品不同的使用环境，细拉前需进行镀锌、镀铜或磷化等处理；根据所生产的钢丝绳结构将成品钢丝进行捻股成绳。图2钢丝绳生产工艺路线示意图4、钢丝拉拔预处理大部分钢丝线材在冷拉拔前都需要进行表面预处理11，这是因为无论是热轧线材或经热处理后

16、的半成品钢丝，其表面均有一层硬而脆的氧化皮层。在控制不好的情况下，氧化层可高达占重量比的2.0%2.5；即使国外轧制条件较先进的情况下，每吨线材的氧化量也有35公斤，占重量比的0.3%0.5。这些氧化铁皮一方面使后序工序润滑层不能牢固地和钢材基体结合，另一方面在拉拔时，因为氧化铁皮硬度很高，塑性较差，会刮伤模具和钢丝表面，再则氧化铁皮夹在模壁与钢丝之间，不仅会增大其间的摩擦，增大了摩擦力，严重时会引起断丝；而且有时氧化铁皮可能被压入钢丝基体之中，造成保护层形成“翘皮”等缺陷。因此，必须在钢丝拉拔前去除这些氧化铁皮层。去除的方法，按其性质有机械法和化学法两种。目前在国内大量采用的方法还是化学酸洗

17、法，机械法只是在低碳钢线材和中、高碳钢线材的预处理上得到应用。5、钢丝的拉拔冷拔钢丝生产过程中，原料在拉拔力作用下，形成径向压缩轴向拉伸的应力状态，使金属产生塑性变形1213。金属内部组织沿着变形方向被拉长，形成所谓纤维状组织，在显微镜下可以看到纤维状的程度与拉拔钢丝的总压缩率呈正比。冷拔钢丝强度随着总压缩率的增大而升高，但是用加大总压缩率来提高钢丝强度一定要防止过大的冷加工硬化，过大的总压缩率会导致钢丝韧性恶化。除总压缩率外，道次压缩率对钢丝性能亦有显著影响。总压缩率相同条件下，道次压缩率越大钢丝强度越高，但钢丝韧性较差；道次压缩率小，生产效率低，但钢丝综合性能较好。随着钢丝生产技术研究的发

18、展，采用先进的拉拔道次间的冷却手段，可使钢丝拉拔道次压缩率提高到30%以上，而对钢丝机械性能无不利的影响。表1不同品种钢丝的道次压缩率在现有生产设备，特别是没有良好的润滑、冷却系统的前提下，拉拔速度对成品钢丝机械性能有明显的影响，表现为拉拔速度加快，钢丝强度升高，而弯曲、扭转等韧性性能下降。拉丝工序在实际生产中分为预拉、大拉、中拉、细拉14等过程。由于拉拔过程中各阶段采用的拉拔功率不一样，拉拔速度也不一样，因此采用的润滑方式也不一样，一般大拉和中拉可以采用固体润滑粉，而细拉时，为保证拉拔的顺利进行，经常采用液体润滑的方式。冷拔钢丝抗拉强度对于各类钢丝，例如制绳钢丝、弹簧钢丝、预应力钢丝等，均是

19、一项很重要的指标15。在制定生产工艺流程和拉拔路线、拉拔道次时，都是为了能得到标准所规定的用户所需要的机械性能（强度和韧性）。根据多年来生产中实际测定表明，影响成品冷拉钢丝的抗拉强度b值的影响因素有很多：钢丝的化学成分（C、Mn）、热处理时工艺制度、压缩率（Q）、道次压缩率（qCP）、拉丝速度（V）、拉丝机的冷却方式和润滑效果等。因而要准确预测和确定冷拔后成品钢丝的抗拉强度也是比较困难的。为此，许多学者提出了不同的强度预测计算公式，其中较有代表性的是波捷姆金公式：该公式由以下几部分组成： b=B+b (1) B=100C+53-D (2) (3) (4)式中：钢丝冷拉后的抗拉强度；钢丝热处理后

20、的抗拉强度；冷拉钢丝的抗拉强度增长值；钢丝含碳量（%）；钢丝总压缩率（%）；钢丝道次压缩率（%）；钢丝热处理后直径（mm）；拉拔道次数。6、钢丝拉拔变形的研究由于长期以来国内外厂家都是采用共析点附近的高碳钢作为高强度钢丝的生产原料，所以对冷拔钢丝变形的研究多集中于共析珠光体钢的冷拉拔组织变形。6.1 钢丝拉拔变形受力分析拉丝变形是在一个特殊的应力状态下进行的，它与一般的拉伸变形完全不同。在拉丝状态下，材料受到径向压应力和轴向拉应力的作用，其受力状态见图3a（忽略拉拔过程中摩擦力的作用）。根据Tresca屈服条件16，可求出在拉丝模内，应力和的分布如图3a下半部所示。可以看到，在刚进入拉丝模时，

21、材料主要受压应力的作用，即将通过拉丝模时，材料的受力的情况为： (5) (6)而应力沿着径向分布的规律：在变形区，每个环形外表面上作用的应力，内表面上作用的应力，如图3b所示。径向应力总是试图减小其外表面的面积，因此距中心越远，外表面的面积越大，所需的应力也越大。根据屈服判据，越靠近材料的表面，压应力越大，则拉应力越小；而在材料的心部，压应力较小，而拉应力较大16。因此，在拉丝状态下，材料表面上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、拉丝过程中的润滑等有关，因此材料在拉丝模腔中的变形是一个极其复杂的过程。图

22、3拉丝的应力状态分析图a ：材料的屈服强度，：轴向应力，：垂直于轴向的应力，D1，D2：拉丝前后材料的直径大小；图b ：作用在环形外表面上的应力，：作用在环形内表面上的应力。6.2 钢丝拉拔组织变形研究Langford1718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。根据钢丝拉拔变形应力状态可知，与纵截面相比，钢丝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。图4 大应变（=5.1）拉拔变形珠光体钢丝TEM形貌（a）纵截面（b）横截面研究发现拉拔变形后钢丝纵截面上形成纤维状组织（

23、如图4a所示），横截面上珠光体片层发生剧烈扭曲（见图4b），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的重点 1921。由于冷拔钢丝力学性能与其珠光体片层间距直接相关，因此国外研究者1822通过研究钢丝纵截面微观组织得出钢丝珠光体片层间距与钢丝拉拔应变间存在如下函数对应关系： (7)式中 ：拉拔变形后珠光体片层间距；：钢丝初始片层间距；：拉拔变形应变。如图5所示为珠光体片层间距随拉拔应变增大的变化曲线，从图可

24、以看出实验测得结果比较符合轴对称变形，而根据平面应变变形计算的片层间距减小速度明显快于实验结果。同理，如图6所示珠光体中铁素体和渗碳体片层厚度随应变量具有相同变化趋势。图5 拉拔应变-珠光体片间距关系曲线图6 拉拔应变-片层厚度关系曲线246.3 钢丝拉拔变形加工硬化现象研究层片珠光体组织的强度主要取决于层片间距，但是当间距在0.1m时，屈服强度只有1000MPa左右。同时，片层间距S=0.1m时，已属于细珠光体组织，因此要通过控制共析转变来减小间距是非常困难的。然而，利用铁素体-渗碳体双相组织的强烈加工硬化效应可进一步发挥珠光体组织的强度潜力。Embury和Fisher率先研究珠光体钢冷拉拔

25、变形与强度的关系。他们发现珠光体片层间距随着拉拔应变量的增大而逐渐减小，并对冷变形珠光体钢的屈服强度随拉拔应变的变化规律提出了修正的Hall-Petch关系。他们认为渗碳体对位错运动的阻碍效果等同于晶界，并指出渗碳体片层厚度和珠光体片间距随着冷变形钢丝的直径减小而减小，其应变是轴对称的，钢丝强度符合加工硬化关系 (8)式中 ：应变为时的流变应力 k：Hall-Petch系数； ：为珠光体片层间距日本学者Seiki NISHIDA23等人分别考虑铁素体和渗碳体在拉拔变形过程中的加工硬化，然后采用混合律计算一定变形量下钢丝的流变应力。他们认为珠光体钢丝拉拔过程中两相比例、渗碳体强度不变，主要分析了

26、铁素体的加工硬化，得出如下关系式： (9)式中 ：拉拔变形后钢丝的流变应力；：渗碳体强度；：铁素体初始流变应力； ：渗碳体含量；：铁素体含量；：弹性常数；：柏氏矢量；：铁素体初始片层厚度；：拉拔应变量；、B：常数如图7所示为经不同温度等温转变（即不同片层间距）珠光体钢丝拉拔应变量和抗拉强度关系曲线（拉丝速度3.310-2m/s），图中曲线为采用混合率计算的结果。从图可以看出应变量较小时，模拟曲线和实验测试数据吻合较好，但应变量大于2.0后，混合律计算的加工硬化值低于实验数据。图7 珠光体钢丝应变量和抗拉强度关系曲线图7所示结果说明，分别考虑铁素体、渗碳体的加工硬化，并采用混合律计算不同应变量钢

27、丝强度的方法在珠光体钢大应变拉拔变形中适用性较差，这可能是模型中加工硬化只考虑铁素体位错密度的增加，并未考虑珠光体片层组织排列形式变形所带来的强化效果。加工硬化的效应取决于晶体在塑性形变过程中位错密度的改变。而铁素体渗碳体双相组织形变过程中位错密度的改变可分为两部分：一是由于协调形变的要求所决定的；二是位错交互作用所引起的。比小得多，可以略去不计。因此，相同拉丝变形条件下，双相的珠光体组织加工硬化效应远比纯铁变形明显。设珠光体片层间距为S，切变面与层片相垂直，在每一滑移面中央部分的切应变为r，滑移面两端与几乎不能形变的渗碳体紧密粘接在一起的，因而靠近渗碳体的应变量接近零，这样就使渗碳体之间的铁

28、素体出现S形的晶格弯曲，弯曲半径（R）近似等于，因此协调形变所产生的位错密度为： (10)流变应力与位错密度的关系如下式所示： (11)由此可以得出： (12)式中C为常数。经冷加工后，铁素体层片中出现位错胞状亚结构。胞状亚结构的存在所引起的强化作用可由下式表示： (13)这表明冷形变加工硬化是产生协调形变后位错密度增加的结果。铁素体的晶格畸变是与渗碳体不可形变分不开的。渗碳体在外力作用下使铁素体获得胞状亚结构，并使高位错密度的壁稳定下来，这就是目前国内外研究者所认同的层片珠光体组织冷形变硬化的实质。6.4剧烈冷拔塑性变形及其组织性能变化剧烈冷拉塑性变形是指真应变超过2.85的大形变量的冷拉加

29、工方法25，文献26发现超过该应变量时，渗碳体发生局部分解;文献25,2729研究了冷拉珠光体钢丝的力学性能与织之间的关系，然而众多研究并未得到一致性的结论，尤其是当真应变超过2.85以后珠光体钢丝力学性能的演变规律和加工硬化机制研究。剧烈冷拉塑性变形已有多年研究历史，主要是由于通过这种变形的钢丝在冷拔过程中所表现出来的特殊的形变强化特点，同时钢丝仍保持一定的延展性。通过剧烈冷拉塑性变形制备的珠光体钢丝可作为结构材料，在实际生产中有着广泛应用。剧烈冷拉塑性变形钢丝主要用于制作轮胎帘布、弹簧、钢缆钢索、吊桥悬缆等。这些产品主要由共析钢经过冷拔到一定尺寸后再进行退火进而获得索氏体组织，然后再拉拔到

30、最终尺寸。随着变形量增大，钢丝的抗拉强度也随之增强。前段时间，已经在实验室拉拔出抗拉强度超过5GPa的钢丝。而近来，日本学者在实验室已可以得到抗拉强度7GPa的钢丝。另外，经过剧烈冷拉塑性变形的珠光体钢丝同时具有很高的硬度，其硬度值可与高碳淬火钢的硬度相媲美，如图8(b)。图8 珠光体钢丝的珠光体片层组织图30一般情况下，传统加工理论都认为珠光体中的渗碳体特别脆，很难参与塑性变形。但许多现象表明在珠光体钢拉拔过程中，渗碳体确实可以发生塑性变形，尤其在剧烈塑性变形时表现得更明显，并提出了几种可能的滑移系。目前有很多理论来解释这一有趣的现象，比较典型的理论是由于拉拔塑性变形时两向高压应力状态，迫使

31、脆性渗碳体参与某一有利位向滑移，而导致渗碳体层断裂破碎，最终均布于组织中成为强化相31。又因珠光体钢属共析钢，所以可以通过剧烈塑性变形冷拉钢丝，而不至发生断裂28。当拉拔变形量达到2.85剧烈塑性变形以后，将会得到非常高的抗拉强度，同时还具有很高的韧性，且塑性产生了一定回复。自70年代以来，不少学者提出冷加工剧烈塑性变形珠光体钢或低碳钢中，渗碳体能够发生强制溶解现象。珠光体钢经过剧烈塑性变形后，其内部的渗碳体层出现局部溶解现象，大量研究28，3234已经证实这种现象的存在，但却没有对碳化物溶解进行定量分析。这些研究中分别采用了HREM(high resolution electron micr

32、oscopy)、TAP和APFIM(atom probe field ion microscopy)等方法。由穆斯堡尔光谱分析检测出在冷拉过程中大约有20%一50%甚至更多的渗碳体溶解33,3537。近来，APFIM38和3DAP(three dimension atom probe)33研究表明，经过剧烈冷拉塑性变形的珠光体钢丝中大量碳原子溶解到铁素体相中。内摩擦分析和穆斯堡尔光谱分析试验也表明，大量渗碳体会在室温下发生溶解。由于渗碳体在室温下是非常稳定的，而碳在铁素体中的溶解度也是有限的，因此这一现象已经引起了许多学者的注意37。通过X射线衍射、TEM和APFIM试验方法研究表明，当剧烈冷

33、拉塑性变形程度达到真应变5.1时，会导致渗碳体全部分解，碳原子几乎全部溶解到铁素体中。在多年以前就有人开始从事这方面的研究，然而许多现象被忽视或讨论的并不充分。1961年Belous和Cherepin第一次通过热磁分析方法总结得出，室温条件下经过剧烈冷拉塑性变形的珠光体钢中部分渗碳体会发生分解39，但在当时这个发现没有引起人们足够重视。拉拔过程中，珠光体钢丝内部微观组织的转变以及变形行为，与其内部组织形态息息相关40。随拉拔量的增大，珠光体层片趋向于轴向排列，导致钢丝强度不断提高。拉拔程度增大，渗碳体层与铁素体层要协调变形，但渗碳体层脆性大，而铁素体层塑性好，导致渗碳体层最终破碎40。Wong

34、 Jong Nam等36用穆斯堡尔光谱分析等方法发现，珠光体钢丝内部珠光体层间距和转变温度对拉拔过程中渗碳体溶解及拉拔钢丝的抗拉强度变化具有重要影响。渗碳体溶解主要受渗碳体层厚度以及内层间距影响，而渗碳体的变形则不仅仅取决于层间距，也取决于渗碳体层所受的应力状态。此应力状态则取决于渗碳体层与拉拔轴向的位向关系。V. G Gavriljuk利用TEM、穆斯堡尔光谱分析和内摩擦分析等检测手段，深入研究了冷拔钢丝在加工过程中的组织演变过程 6.5剧烈冷拉塑性变形的研究方法目前，许多检测方法已用于渗碳体在珠光体钢中的溶解研究当中。如钢中组织变化的微观形貌可以采用TEM进行观测。X射线分析方法可以通过衍

35、射波峰的宽度来分析剧烈塑性变形后内部组织或晶粒尺寸，以及确定微观组织内部弹性应变程度。这些实验检测方法己成功用于从渗碳体相的微观组织状态获取演变信息。目前国外学者普遍采用的检测手段有如下几种:(l)基于铁素体和渗碳体具有不同热磁性能的热磁分析方法。塑性变形可以改变珠光体钢丝的饱和磁性，利用这种方法可观测经剧烈冷拉塑性变形后钢丝的热磁性能变化，定量分析内部组织的相变;(2)穆斯堡尔光谱分析不仅可以研究不同相的热磁性能，而且可以研究不同组织结构中同一种相铁原子的热磁性能。穆斯堡尔光谱分析与X射线衍射对金属和合金组织分析的本质区别是，Debye-Waller因素不影响穆斯堡尔光谱的整体强度，却显著降

36、低x射线反射强度41。与x射线衍射分析相比，尽管由于热处理或变形造成了晶格缺陷，穆斯堡尔光谱分析仍可以分析相变过程，且这种分析误差在1%以下;(3)内摩擦(Internal friction)分析法主要用来观测间隙原子与位错之间的交互作用;(4)中子衍射被证实是一种跟踪探测渗碳体溶解的一种行之有效的方法。中子衍射的优势就是在于探测质量轻的原子，如碳原子等;(5)由于珠光体钢中组织非常细小，观察比较困难，TAP(topographic atom Probe)具有研究渗碳体与铁素体化学成分起伏变化的独特功能32。利用TAP方法可以探测到在剧烈冷拉塑性过程中在渗碳体片层周围化学成分的起伏变化。6.6

37、剧烈冷拉塑性变形渗碳体溶解机理根据文献可以总结出，剧烈冷拉塑性变形中渗碳体溶解主要有以下三个原因导致发生:第一，由于渗碳体中碳原子与铁素体中位错之间的结合焓大于碳原子与渗碳体中铁原子的结合焓，使渗碳体中的碳原子挣脱铁原子的束缚，跑到铁素体中去。第二，在塑性变形过程中，位错优先在铁素体与渗碳体界面上束集 29。束集的位错在变形过程中切断了连续的渗碳体片层，又从渗碳体中“夺”取了碳原子，这是使渗碳体不断溶解的动力学条件之一。第三，由于以上两个因素作用，冷拉大塑性变形钢丝中铁素体内的碳原子主要聚集在位错周围，而不是固溶在铁素体内。根据文献41，渗碳体溶解的另一种机理是由于剧烈冷拉塑性变形使渗碳体片层

38、减薄，导致自由能升高，使渗碳体变得不稳定，这种机理主要是基于以下的试验分析结果:第一，根据研究27，剧烈冷拉塑性变形珠光体钢中铁素体内没有大量的位错密度。第二，剧烈冷拉塑性变形时，由于渗碳体片层的减薄而导致表面能增加，从而产生了吉布斯一汤姆森效应，使碳原子逐渐溶解到铁素体中去。第三，溶解动力学受碳原子扩散的制约。拉拔中温度可能达到几百摄氏度，这样的温度足以满足碳原子在铁素体中扩散的要求。如果变形速度足够大，我们可以认为碳原子扩散、渗碳体溶解发生在塑性变形后的冷却过程中。TEM分析己经揭示了钢丝拉拔过程中出现的这些独特的组织演变4243。随着拉拔的进行，珠光体层间距减小。根据Hall-Petch

39、公式，抗拉强度与珠光体层间距有直接关系。尽管渗碳体几乎不具有塑性，但在珠光体中的渗碳体层仍能在拉拔时随铁素体发生一定量的变形，最终渗碳体层破碎成微粒，呈二维排列。Languillaume等学者29利用HREM已经研究分析得出，破碎的纳米数量级的渗碳体微粒最终溶解于铁素体是为了减少破碎微粒的表面能。二、课题学术和使用意义：随着我国经济的迅猛发展，金属制品己成为国民经济的重要支柱，而钢丝作为金属制品的重要产品之一，被广泛应用于工业、农业，以及人民的日常生活中，但目前国内的钢丝生产技术无法满足我国经济的发展。其中，钢丝力学性能不均匀是个普遍性的问题，也是我国与钢铁强国钢丝质量差距中的一个重要方面。因

40、此研究如何提高钢丝力学性能的均匀性的问题就显得非常迫切，而影响钢丝力学性能的因素有原料盘条质量的均匀性、钢丝在拉拔中的变形条件、热处理工艺控制参数的波动。由于钢丝高速拉拔变形的机理与慢速变形过程中变形机制有非常大的区别，所以导致我国的钢丝生产企业拥有一整套具有国际先进水平的生产线却不能高效生产出国际市场上的高端产品以满足国内市场需求。近年来，虽然我国钢丝制品的强度得到显著提升，但是，影响钢丝力学性能的很多因素并未研究清楚，包括钢丝拉拔变形过程中微观组织与力学性能的变化、珠光体钢丝在高温下的组织变化和断裂问题。由上述文献综述可知，对于珠光体钢塑性变形过程的研究，主要集中于慢速变形过程中珠光体组织

41、形态及其力学性能演变规律。随着现代钢丝制品生产技术的不断发展，对钢丝力学性能要求越来越高，钢丝拉拔速度越来越快，拉丝变形成为高速大应变塑性变形过程因此其组织变形力学性能演变均表现出与慢速变形过程不同的变化规律，因此对高速大应变过程中的珠光体组织形态及其力学性能的演变规律有着十分重要的意义。三、课题研究目的、内容、技术路线1、研究目的：线材制品是线材盘条的深加工产品,它是经过固定的工艺路线及一些必要的生产工序,对线材进行一系列加工处理后得到的具有一定组织、力学性能及不同适用规格的产品。盘条作为线材制品的原料,其质量状态直接影响到制品的生产及品质。据资料统计,1998年我国进口线材达到80万吨,进

42、口的主要品种是目前国内不能生产或产品质量不过关的高碳优质硬线盘条及一些特殊要求的盘条，因此，高性能盘条的研究与开发不仅具有重要经济价值也具有战略意义。另外，冷拔高碳钢丝具有极高的强度，它被广泛应用于汽车、交通、桥梁等关乎国计民生的基础产业，是一种非常重要的工业基础材料。随着现代化控制技术以及设备成套技术的发展，钢丝制品也在不断的进步，主要体现在三个方而:一是不断提升的拉丝变形速度和连续生产过程，从传统的2-3m/s，上升到8-15m/s，从原来的单模或少模拉拔到现在的多模(8-25)连续拉拔;二是不断追求更高的使用性能，包括强度、塑性、疲劳和扭转性能等;三是努力使用更廉价的原材料生产高性能的钢

43、丝，以降低生产成本。针对这些现代钢丝工业的发展趋势，传统的钢丝生产理论很难完全满足指导工艺改进的要求。急需发展与深入有关机理与工艺的研究，以更好地推动工业的发展。因此，对拉拔形变过程中珠光体微观结构以及力学性能的演变规律进行研究。2、研究内容：1：通过将国际国内不同企业生产的不同牌号的盘条进行组织结构和力学性能分析，找出彼此间的差异，差异主要指标为（索氏体化率，先析铁素体化率，非金属夹杂，脱碳层，氧化皮形貌，表面质量等），联合企业的实际生产探讨控轧控冷过程中涉及的多种工艺因素对性能的影响，寻找及掌握影响帘线钢线材性能优化的重要和敏感的控轧控冷工艺参数，实现对帘线钢线材性能控制和生产工艺优化；2

44、：珠光体组织变形特征及力学性能的演变规律：研究珠光体组织，即铁素体+渗碳体双相组织在高速大应变拉丝变形（径向受压+轴向受拉）这种特殊应力状态下的变形特征，并分析铁素体+渗碳体两相分布状态对钢丝力学性能和加工硬化的影响，从组织形貌上探索大应变冷拉拔钢丝高强度的来源；3：冷变形引起珠光体钢中渗碳体分解现象的研究：迄今，国内外研究者在多种冷变形过程中均发现了珠光体钢中渗碳体分解的现象，但是对其分解过程仍然还不清楚，因此在实验研究的基础上探讨珠光体钢大应变塑性变形引起渗碳体分解的热力学过程，以分析其对铁素体+渗碳体双相组织变形过程的影响；4：研究珠光体钢丝拉拔后择优取向的变化规律及组织缺陷对钢丝性能的

45、影响。钢丝经拉拔后会产生一定的择优取向性，因此探索随着拉拔程度的增大，择优取向的变化情况非常必要。3、技术路线：1：:现有工艺条件下不同盘条及成品钢丝的组织和性能分析：选取国内外不同厂家的盘条，以及根据现有的拉拔工艺参数拉拔出的成品钢丝，通过对其组织和力学性能分析，选取几种性能典型的盘条。2：盘条初始组织、织构及微织构分析：根据所选取的性能典型的盘条，通过EDS确定其中的合金元素的含量；采取光学显微镜、场发射电子显微镜确定晶粒大小和晶界上的渗碳体含量；采用光学显微镜、场发射电子显微镜确定盘条的显微组织，再运用Adobe Photoshop和Image-Pro Plus软件对显微组织做出精确定量

46、分析；采用透射电子显微镜确定索氏体片间距和索氏体厚度；采用电子背散射衍衬技术测定盘条中的织构类型、组分、取向因子、界面间距及界面取向差；采用显微硬度计测量不同盘条的硬度。3：成品钢丝中的组织与微织构分析采用光学显微镜、二次电子向和背散射电子像分析成品钢丝中横截面和纵截面晶粒的大小、晶粒等轴度；采用显微硬度计测量纵截面上沿半径方向的硬度分布，进而计算在拉拔过程中半径方向的分布规律；采用透射电子显微镜确定索氏体片间距和渗碳体厚度以及渗碳体的溶解和碳原子在铁素体中的分布；采用电子背散射衍衬技术测定成品中的织构类型、组分、取向因子、界面间距及界面取向差。4：钢丝拉拔中间道次钢丝的组织和织构研究采用光学

47、显微镜、二次电子像和背散射电子像分析成品钢丝中横截面和纵截面晶粒的大小、晶粒等轴度、渗碳体在晶内以及境界上的分布特点；采用显微硬度计测量纵截面上沿半径方向的硬度分布，进而计算在拉拔过程中半径方向的分布规律；采用电子背散射衍衬技术测定成品中的织构类型、组分、取向因子、界面间距及界面取向差；采用透射电子显微镜确定索氏体片间距和渗碳体厚度，渗碳体在拉拔后的变形、破碎机分解规律，以及位错组态及变化规律。四、创新之处与拟解决的关键问题创新之处：1：通过对图形处理软件Adobe Photoshop和图像分析测量软件Image-Pro Plus的结合运用，科学的计算了国内国外帘线钢盘条的索氏体化率以及先析铁

48、素体化率。2：分析了国内国外盘条纵截面的硬度分布，运用SG软件得出了帘线钢盘条的硬度级差分布图，通过对国内和国外盘条纵截面硬度级差分布图的对比分析，找出两者之间的差异，以制定出更加合理的工艺方案。3：选取SWRS72、SWRS82盘条及各道次钢丝为研究对象，为研究在高速大应变塑性变形过程中的力学性能与微观组织结构演变之间的联系。4：研究控轧控冷过程中涉及的多种工艺因素对性能的影响，对轧制过程中及轧后的控制冷却组织结构进行分析，为优化线材的生产工艺奠定基础。拟解决的关键问题：高性能帘线钢盘条的工艺组织与性能的优化，具体为提高盘条的索氏体化率与降低其先析铁素体化率、减少脱碳以及获得厚度均匀的氧化层

49、，从而获得适于高速大应变塑性变形的高性能珠光体盘条。五、预期目标1：通过对国际国内不同企业生产的、不同牌号的盘条进行组织机构和力学性能分析，探讨控轧控冷过程中涉及的多种工艺因素对性能的影响，寻找及掌握影响帘线钢线材性能优化的重要和敏感的控轧控冷工艺参数，实现对帘线钢线材性能控制和生产工艺优化2：对帘线钢线材组织结构的定量表征研究，建立原始奥氏体晶粒尺寸、珠光体片层间距与应变量的关系3：对帘线钢线材拉拔性能的研究，探讨渗碳体、铁素体两相片层的变形机制，建立渗碳体与铁素体取向关系以及建立渗碳体、铁素体取向与晶界的关系六、可行性论证1：通过大量文献的阅读，了解了高性能帘线钢盘条及钢丝的制造与加工工艺

50、，通过动手做实验，熟悉了对盘条工艺组织及性能、高速大应变冷拔珠光体钢丝的研究方法和材料组织演变表征技术，积累了一定的研究经验，具有良好的知识基础和科研技术储备，为本课题的顺利进行奠定了坚实基础。2：重庆大学拥有先进的实验设备，如：透射电子显微镜、场发射扫描电镜、钨灯丝扫描电镜和X射线衍射仪等一系列分析仪器，为本课题的研究提供了有力的支持。3：通过与国内大型线材生产企业的合作，配合合作企业的帘线钢线材开发；结合现场取样条件，对轧制过程中及轧后的控制冷却组织结构进行分析，将其与国外先进线材生产企业生产的同规格盘条及钢丝的组织结构进行对比分析，探讨控轧控冷过程中涉及的多种工艺因素对性能的影响，寻找及

51、掌握影响帘线钢线材性能优化的重要和敏感的控轧控冷工艺参数，正是校企合作为本研究的进行提供了丰富的实践基础。4：高速大应变变形属于强烈塑性变形方法，珠光体钢丝经过强烈塑性变形，有利于珠光体片间距减小，从而提高珠光体钢丝的强度。通过控制片层间距、渗碳体厚度、晶界上渗碳体含量、织构类型、取向因子等因素，从而控制珠光体钢丝的强度塑性。因此本研究在理论和技术上是可行的。参考文献：1 戴宝昌世界线材生产现状与发展J河南冶金，13（2），3-6.2 wernick.Iddo K.Consuming Materials：The American Way.Technological forecasting an

52、d social change.1996,23(1):111-1223 中国钢铁工业协会.2005年钢铁工业统计年度报告EB/OL.2006.07.10.4 殷瑞钰.钢的质量现代进展M.北京：冶金工业出版社.19955 杨金善.世界钢铁工业发展简介J.冶金信息导刊.1999(1):20-22.6 Hitoshi Tashiro.高拉伸强度钢帘线的先进生产技术J.鞍钢技术，2006，342（6）：53-567 林秀山，蒋永康.加速预应力钢丝钢绞线用盘条的国产化进程J，上海金属，2000，22(1)：53-58.8 白木轮胎用钢帘线的性能、技术及市场J橡胶参考资料，2005，35(1)：6-79

53、黄天雄我国低松弛预应力钢丝钢绞线发展现状和展望J金属制品，1995，21(3)：5-810 谈玉坤“十五”轮胎胎圈钢丝和钢丝帘线需求预测J决策参考，2002，17(21)：15-1711 张剑钢丝帘线在轻型载重子午线轮胎中的应用J轮胎工业，2003，23:672-67312 Aoki K，Kimura Y Properties of Annealed High Strength Steels Deformed by Repealing Side Extrusion Process J.Mater，Sci，Forum，2003，426-432：2705-271013 俞德宗全钢子午线轮胎用钢丝帘

54、线的生产现状及发展趋势J轮胎工业，2002，22(10) 579-58114 尚伟国内外钢丝帘线生产简介J中国橡胶，2000，22：30-3115 Wernick. Iddo KConsuming Materials： The American Way.，Technological forecasting and social change1996，23(l)：111-12216 丁大钧，单炳梓工程塑性力学M南京：南京工学院出版社，1986219231；17 Langford GA Study of the Deformation of Patented Steel Wire JMetallu

55、rgicalTransactions1970，1（2）：465-477.18 Langford G.Deformation of PearliteJMetallurgical Transactions A.1977，A（6）：861-875.19 Toshimi T，Naoki M，Jun T，etal Microstructure Control and Strengthening of High-carbon Steel wiresJNippon Steel Technical Report，2005，91（1）：56-6120 黄新民共析渗碳体结构与变形行为的透射电镜研究J钢铁研究学报，2000，12（2）：60-62.21 朱晓东，李承基，章守华等高坛低合金钢中共析渗碳体微观结构的TEM研究J金属学报，1998，34（1）：31-38.22 Tagashira S，Sakai