大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能

1、涂益友，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能第33卷第5期2009年5月机械工程材料Materials for Mecha nicalEngin eeri ng大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能涂益友1 ,蔡磊2 ,蒋建清1(1.东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室，江苏南京211189;2.法尔胜集团公司，江苏江阴214433)摘 要：采用透射电镜观察了大应变量拉拔变形前后SWR H72A钢丝的显微组织，研究了钢丝的力学性能及珠光体片层间距随应变量的变化关系。结果表明：钢丝的抗拉强度和屈服强度均随着应变量的增大而增大，伸长率则随着应变量的增大先急剧下降，而后基本保

2、持不变；钢丝显微组织中的珠光体片层间距随着应变量增大逐渐减小,基本上符合Langford的指数衰减规律，经过& =2. 6的冷拔变形后，珠光体片层间距由变形前的200 nm减小到50 nm左右；经过大应变量拉拔变形后，铁素体内的位错密度显著升高，形成大量的位错胞，变形后铁素体具有特殊取向。关键词：冷拔钢丝；大应变量变形；显微组织；力学性能中图分类号：TG115. 5; TG156. 2文献标志码：A文章编号：1000 23738 ( 2009 ) 0520048 204Microstructure and Mechanical Properties of Pearlite Steel

3、Wire“ 玄寥"理嚣 p Th l*|'"7咫、柯厂 Z-L »with Large DeformationTU Yi2you1 , CAI Lei2 , JIANG Jian2qing1(1. Southeast University , Nanjing 211189 , China ; 2. Fasten Group , Jiangyin 214433 , China)Abstract : The microstructure of SWR H72A steel wire before and after large drawing deformat

4、ion was analyzed by TEM. Changes of the pearlite interlamellar spacing and mechanical properties with the drawing strain were studied. The results indicate that with the increase of strain , the strength of the steel wire increased , but elongation first decreased sharply and then remained unchanged

5、. The pearlite interlamellar spacing of the steel wire decreased with the increase of strain , and it changed f rom 200 nm to 50 nm when the drawing strain £ = 2. 6 , which was basically followed exponential decay law of Landford. The dislocation density in ferrite lamellar significantly increa

6、sed after large deformation , formed a lot of dislocation cells , and the ferrite changed into a special orientation.Key words : cold2drawn steel wire ; large deformation ; microstructure ; mechanical property? # ?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 涂益友

7、，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能? # ?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 涂益友，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能大应变量冷拔珠光体钢丝由于其强度高、韧性好而一直被广泛用于大桥缆索、高层建筑和轮胎加 强钢帘线等方面。高强度钢丝制品一般采用共析点 附近成分的高碳钢作为生产原料，高碳钢盘条经铅浴等温淬火后获得片层细小的珠光体组织，再进行剧烈的冷拉拔变形，钢丝强度将随着应变量的增大 而急剧增大。已有研究表明，珠光体钢经过室温大收稿日期:2

8、008 204208 ;修订日期:2008209207基金项目“973”前期研究专项资助项目(2007CB616900 );国家科技 支撑计划资助项目(2007BA E15B05);新世纪优秀人才支持计划资助项目(SCET204211471)作者简介:涂益友(1978 - )，男 ,浙江遂昌人，讲师,博士。应变量拉拔变形后，其强度可达5 000 M Pa，是现今 世界强度最高的结构材料之一1。关于冷拔珠光体钢丝的生产工艺过程已有大量 研究2-4，但是对冷拔过程中的组织演化及钢丝强 化机制的研究还很少见。然而，研究珠光体钢丝冷拔变形过程中的加工硬化对于预测后期的变形拉拔 力和变形后钢丝的性能都非

9、常重要。为此作者系统分析了珠光体钢丝在大应变量变形过程中其力学 性能及显微组织的变化规律，并探索了钢丝的强化机制。1试样制备与试验方法试验材料为斯太尔摩高速轧制线控轧控冷生产 的SWR H72A钢盘条，其化学成分(质量分数/ %) 为 0. 68 0. 72C ,0. 30 0. 60Mn ,0. 15 0. 35Si ,< 0. 02S , < 0. 03P。材料规格为 <5. 50 mm ,热轧态供货。在法尔胜集团钢丝绳厂于室温下拉制成钢丝,最终尺寸为<1.50 mm ,拉拔应变量£ =2. 6，拉 拔速度为5 m ? s- 1。使用JEM2000 EX型

10、透射电镜 (TEM )观察钢丝的显微组织，TEM试样先机械减薄至 100 um，再 在5 %高氯酸2酒精溶液中进行双喷电解减薄，电解电压50 V ,液氮冷却，温度253 K。将不同变形量变 形后的钢丝在Instron 25569型电子拉力试验机上进 行力学性测试。珠光体片层间距采用多视场划线法 统计测得。2试验结果和讨论2.1力学性能从图1可以看出，拉拔变形后钢丝的抗拉强度和 屈服强度均随着应变量的增大而增大，屈服强度增大 的速率略大于抗拉强度；经£ = 2.6的拉拔变形后钢 丝的抗拉强度由初始状态的1 100 MPa提高到2 300 MPa，屈服强度由920 MPa提高到2 250

11、 MPa , 而屈强比则由0. 82提高至0. 98。未变形钢丝的伸长 率约为7%,随着拉拔应变量的增大其伸长率出现急 剧下降，在£ = 0.5时降至3 %左右，但随着拉拔应变应变唯量的进一步增大，伸长率基本保持不变。2.2显微组织由图2(a)可以看出，变形前钢丝的珠光体片层 较为平直，珠光体片层间距约200 nm。由图2(b)可见，同一珠光体团中渗碳体片具有相同的晶体取 向，并且每个渗碳体片都是一个整体，片厚度约为20 nm ,渗碳体和铁素体之间界面分明。(a)明场像(b)暗场像图2钢丝变形前珠光体的TEM形貌|.Fig. 2 TEM micrographs of SWRH72A

12、steel wire before drawing(a) Light field image (b) Dark field image由图3(a)可以看出，拉拔变形后钢丝横向显微 组织中的珠光体片层强烈扭曲 ，渗碳体片亦随着铁 素体片的弯曲而变形，表现出良好的塑性变形能力铁素体片被大量位错胞壁隔断，呈现出“竹节”状形 貌，特别是在珠光体片层剧烈扭曲的区域，“竹节”间隔更小；变形后珠光体的电子衍射花样主要由一系 列同心圆弧组成，说明经£ =2. 6拉拔变形后，钢丝 横截面上的组织非常细小，而且从A ,B ,C三处的衍射花样可以看到，最内圈衍射花样的最强方向基本 和珠光体片层排列方向一致

13、。由图3(b)可以看到：钢丝纵向显微组织中的珠光体片层非常平直，且基? 49 ?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 涂益友，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能200 nm减小到50 nm左右，并且渗碳体片厚度也明显JOO HTFl图1钢丝力学性能与拉拔应变量的关系曲线Fig. 1 Mechanical properties of SWRH72A steel wireas a function of cold drawn strain本沿钢丝轴线方向排列。

14、从图中可以看出，经 £ = 2.6的拉拔变形后，珠光体片层间距由变形前的(a)横向明场像及电子衍射花样(b)纵向明场像(c)纵向暗场像图3钢丝变形后珠光体的TEM形貌及其电子衍射花样(£=2.60)Fig. 3 TEM micrographs of SWRH72A steel wire after drawing and electron diffraction pattern (a) Transversal section andelectron diffraction pattern (b) Light field image of longitudinal secti

15、on (c) Dark field image of longitudinal section? # ?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 涂益友，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能减小,说明拉拔变形过程中渗碳体片不但可弯曲，而且还随着变形程度的增大被拉长减薄。假设变形后珠光体中的铁素体、渗碳体比例保持不变(渗碳体占 1/10左右)，则经£ = 2. 6的拉拔变形后,渗碳体片 厚度仅有5 nm左右。由图3还可见，经拉拔变形 后,渗碳体虽然保持片

16、状，但片内形成了大量类似亚 晶界的界面，渗碳体片由大量具有一定位向差的亚 晶粒组成。本试验中的相机常数 L ?入=3. 03 mm ? nm， 根据电子衍射基本公式d = L?入/R(式中d为晶面间距；R为衍射环半径)计算的各衍射环对应的晶面 间距dn见表1。表1各衍射环半径及晶面间距Tab. 1Radius of diffractioncircles and interplanardistance序号12345Rn/ mm15. 021. 025. 730. 033.4dn/ nm0. 2020. 1440. 1180. 1010. 901对照铁素体和渗碳体可产生衍射的低指数晶面 及其晶面间

17、距，可发现各衍射圆环对应的分别是铁素 体的110，200，211，220，310晶面。而渗碳 体片由于其厚度较薄(晶格常数为a = 0. 452 4 nm， b = 0. 508 9 nm，c= 0. 674 3 nm)，导致渗碳体片厚度 方向仅有十多个原子层，因此试样中渗碳体的电子衍射强度较低,从衍射花样中难以找到明显的渗碳 体衍射斑点。将上述衍射斑点指标化后，可以看出图3(a)衍射花样中最内圈的衍射斑点为铁素体的 110衍射 花样,并且铁素体110晶面衍射强度最高的方向基 本与珠光体片层排列方向平行 ，而相应的200晶面 衍射强度最高的方向则与珠光体片层排列方向垂 直。由此可以得出经

18、63; =2. 6的拉拔变形后珠光体 中铁素体的取向示意(图4)。图4拉拔变形后珠光体中铁素体的晶体取向示意Fig. 4 Schematic diagram of ferrite crystal orientationafter cold dra wing2.3珠光体片层间距共析钢组织是由一个个珠光体团组成的，而每个珠光体团都是由铁素体和渗碳体片相间构成，并且相邻珠光体团其片层都有不同的排列方向。在钢丝冷拔变形过程中，钢丝在径向受压、轴向受拉的应 力状态下，使直径变小、强度变大；显微组织上珠光 体片层间距变小，珠光体片层排列方向逐渐调整为 钢丝的轴向。由图5可以看出，钢丝纵截面上珠光体片层间

19、距随应变量的变化基本上符合Langford 5等报道的指数衰减规律：£de = d0 exp (- )(1)式中：de为经不同应变量拉拔变形后的珠光体片层 间距；d0为初始珠光体片层间距;£为变形应变量。_'4 rd I'1, S f| 心0U.51.0t.52.02.5图5珠光体片层间距与拉拔应变量的关系曲线Fig. 5 Pearlite interlamellar spacing in the steel changed withstrain of cold drawing2.4 钢丝的强化机理珠光体组织是由铁素体和渗碳体组成的复合片 层结构，铁素体/渗

20、碳体相界面是位错运动的障碍 。 当铁素体片较厚时，其内部必须塞积足够数量的位 错才能提供必要的应力，驱使相邻片层中的位错源 开动并产生宏观可见的塑性变形，即发生屈服，如图 6(a)所示。而经过大应变量冷拔变形后，珠光体钢丝组织转变为具有特殊取向的铁素体片和渗碳体片 组成的单向复合片层结构，片层沿钢丝轴向排列，并且片层间距极小(约50 nm)。在这种类似铜2铝、铜2 铟、镍2铟、锌2铝等共晶合金的叠层材料的结构中，当片层厚度减小到一定程度(< 100 nm)时，片层中难以形成有效位错塞积，其塑性变形不再是通过位 错塞积造成应力集中引发，而主要通过一个个单个位错的“弓出滑动”实现，如图6(b

21、) 所示,即奥罗万 (Orowan)强化机制6-14。冷拔变形量增大使部分 渗碳体发生分解，释放出大量碳原子固溶于铁素体 片中，形成过饱和铁素体。间隙碳原子倾向于集聚到位错周围，形成柯氏气团，钉扎住位错使位错弓出? 51 ?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 涂益友，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能更为困难，使钢丝强度进一步升高。参考文献? 53 ?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishi

22、ng House. All rights reserved. 涂益友，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能(a)片层间距较大，位错堆积模型(b)Small pearliteinterlamellar(b)片层间距较小，位错弓出模型图6球光体组织屈服过程示意,lh| S " .1'a faFig. 6 Schematic illustration of the yield processesof pearlite(a) Large pearlite interlamellar spacing , dislocation pile up modelspacing , d

23、islocation bending model3结论(1) SWRH72A钢丝的抗拉强度和屈服强度均 随着应变量的增大而增大；伸长率随着应变量的增 大先急剧下降，而后基本保持不变。(2) SWR H72A钢丝显微组织中的珠光体片层 间距随着应变量增大逐渐减小，基本符合Langford 的指数衰减规律，经过& = 2. 6的冷拔变形后，珠光 体片层间距由变形前的200 nm减小到50 nm 左右。(3) 经过大应变量拉拔变形后 ，铁素体片内的 位错密度显著升高，形成大量位错胞，铁素体片具有 特殊取向，使钢丝强度升高至 2 300 M Pa。1 OCHIAI I , NISHIDA S,

24、 TASHIRO H. Effectsof metallurgi 2 cal factors on strengt hening of steel tire codeJ . Wire J ,1993 , 26 : 50255.2 TASHIRO H. Piano wire of t he highest tensile strengt h steel J . Materia Japan ,1996 ,35(11) :117721181.3 俞德宗.全钢子午线轮胎用钢丝帘线的生产现状及发展趋势J .轮胎工业,2002 ,22(10) :5792581.4 LAN GFORD G. A study

25、 of the deformation of patented steel wireJ . Metallurgical Transactions ,1970 ,1 (2) :4652477.5 LAN GFORD G. Deformation of pearlite J . Metallurgical Transactions A ,1977(6) :8612875.6 MOVCHAN B A , L EM KEY F D. Mechanical properties of fine2crystalline two2phase materials J . Materials Scienee a

26、nd Engineering A ,1997 ,224 :1362145.7 HON GS I , HILL M A. Mechanical stability and electrical conductivity of Cu2Ag filamentary microcompositesJ . Materi 2 als Scienee and Engineering A ,1999 ,264 :1512158.8 HON GS I , HILL M A. Microstructural stability and me2 chanical response of Cu2Ag microcom

27、posite wires J . Acta mater ,1998 ,46(12) :411124122.9 SNO ECK E , L ECOU TU RIER F , THILL Y L , et al . Micro 2 structural studies of in situ produced filamentary CuNb wires J . Scripta Materialia ,1998 ,38(11) :164321648.10 BA KER S P. Plastic deformation and strengt h of materials in small dimen

28、sions J . Materials Science and Engineering A , 2001 ,319 :16223.11 MON T HEILL ET F , GILORMINI P. Predicting the me2 chanical behavior of two2phase materials wit h cellular auto2 mataJ . Interinational Journal of Plasticity ,1996 ,12 (4) :5612 574.12 MISRA A , V ERDIER M , L U Y C,et al . Structur

29、e and me2 cha ni cal properties of Cu2x (X = Nb , Cr , Ni) nano layered compositesJ . Scripta Materialia ,1998 ,39 :5552560.13 SIENIAWSKI J , FIL IP R , ZIAJ A W. The effect of micro2 structure on the mechanical properties of two 2phase titanium alloysJ . Materials and Design ,1997 ,18 :361 2363.EMBU R Y J D , SINCL AIR C W. The mechanical properties of fine2scale two2phase materials J . Materials Scienee and Engineering A ,2001 ,319/ 321 :37245.? # ?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 涂益友，等：大应变量变形珠光体钢丝的显微组织和力学性能? # ?1994-2010 C