预扭转变形对冷拔珠光体钢丝组织和性能的影响

1、预扭转变形对冷拔珠光体钢丝组织和性能的影响 摘要：本研究通过不同转数扭曲的钢丝，对预扭转变形对冷拔珠光体钢丝的显微组织、拉伸强度和显微硬度进行了研究。结果表明，预扭转后，拉伸强度对扭转变形非常敏感且强度明显下降。随着预扭转数量的增加，显微硬度在中间层和表面层显示不同演化过程。通过预扭转，渗碳体片层边界增强减少和由应变梯度诱导加工硬化增强进行了讨论，揭示了拉伸强度和显微硬度的变化。关键词： 珠光体；冷拔； 扭转； 拉伸强度； 显微硬度。1.介绍具有较高的强度和合理延展性结合弹性极限的冷拔珠光体钢丝在电缆电线悬索桥，结构加固混凝土和轮胎，绳索和结构弹簧的得到广泛应用。用于电缆的电线，它们通常是由热

2、轧钢的共析或过共析组合物具有一定直径、拉丝退火以产生完全珠光体组织细珠光体片层间距，然后冷拔钢丝经几次，并最终在锌浴镀锌。微观结构演化和在拉拔过程中珠光体钢丝机制的加强已经由恩伯里和费舍尔系统地研究了，并首先通过他们提出了一种边界强化机制，这是由兰福德证实。从那时起，冷拔珠光体钢丝的强度和层间距之间存在Hall-Petch关系已经被广泛报道。托里比奥和Ovejero和张某等人也提出了珠光体形貌的演变机制，这是基于不同的配置的珠光体不同的变形行为的分析。同时，利用实验性或理论性的方法损伤演化和优化在多道拉丝工艺图纸参数已被广泛研究。珠光体钢丝，发生在冷拉伸过程中，从而导致强度的增加既减少了珠光体

3、片层间距和渗碳体的层状厚度变薄。冷拉伸变形时的强度增加可以归因于位错的减少的平均自由程与纳米结构的作为阻碍位错滑移的渗碳体片。破坏强度和韧性的冷拉珠光体钢丝检查通过执行单向和反向扭转测试。悬索桥的电缆线在卷曲过程中主要承受拉应力而不是扭转变形的过程，但卷取过程中的运输和加工开卷电缆中的导线可能会遭受一定的扭转变形准备。就我们所知，目前，扭转主要用于检查失效强度和钢丝的韧性的试验方法;扭转变形对微观结构的影响，冷拔珠光体钢钢丝的拉伸强度和硬度的影响还未见报道。这里描述的研究的目的是研究扭转变形对冷拔珠光体钢丝的影响，用于超高强度拉拔钢丝的发展，以表征微结构的变化，并阐明扭转变形如何影响机械性能的

4、机制发展。目前的工作重点是微观方面，而扭转变形对织构演变的影响将是下一个即将发表的论文的主题。2材料和实验程序2.1材料在本研究中商业钢丝选用的原始材料其化学百分比为Fe-0.84C-0.19Si-0.72Mn-0.04Cr。经过八个冷拔步骤发生拉伸应变，将直径7.0 mm接收钢丝与直径为13.5 mm的钢杆，相应拉伸到的1.31mm，然后在450于锌浴中镀锌，以改善抗腐蚀性（镀锌锌层厚度约为40 um），最后在一定的温度（<400）进行稳定化处理。这些具有高强度的钢丝，通常用于制造吊桥的钢索。 如图1a和b所示（引自文献12），原丝平均表观珠光体片层间距为约70 nm具有完全珠光体组织

5、。横截面的形貌是波浪状的珠光体晶粒（图1a），并观察到在纵截面纤维珠光体形态与渗碳板主要是平行或几乎与钢丝轴线平行 。图.1C表明，作为接收的钢丝与铁素体基体平行的钢丝轴（拉伸方向）<110>具有很强的纤维织构<110> 。 收线的工程应力 - 应变曲线示于图 1d所示。在这个实验中，钢丝是由法尔胜集团公司（江阴，中国）提供的。图2.扭转变形：（a）示意图; （b）扭转之前的钢丝线; (c)扭转之后的钢丝。2.2扭转变形扭转变形的草图如图2所示，扭转是固定在一个末端和可以旋转的中心轴的单向扭转机另一端进行。扭转之前，沿轴线被画上了电线，为了计算扭转的实际数量和计算实际应

6、变。由于确定在绕线或解卷的实际过程扭转应变的难度，导线被设计成经受不同扭转数，如1，3，9，和20转数（分别命名wire1，wire3，wire9和wire20，通常在断裂前收线可以减少25圈），获得丝样品具有不同的扭应变。图1.微结构，纹理和所接收的钢丝的应力 - 应变曲线：（a和b）分别是作为接收的g钢丝分别在纵截面和横截面观察到的微观结构的显微照片8; (C) 通过X-射线衍射法测的铁素体基体的反极图; （d）应力 - 应变曲线。旋转速度为30 rpm和钢丝扭转变形的标距长度为70 mm。由式（1）计算出剪切应变，这为研究高压扭转做参考。 =2pRN/L (1)其中R是到轴中心

7、的距离（在这项工作中的表面层样品，R等于3.25毫米），N是扭转数，L是预先扭转变形钢丝的长度。等效应变 vm，从下面的公式计算: vm=/3 (2)扭丝样品的拉伸试验以应变速率为3.0×10-4s-1与ISO标准 6892:1998在室温下进行15。一般来说对两个样品进行反复 ''扭转+拉伸''扭转的方法，并在此研究中获得了良好的拉伸试验的应力 - 应变曲线的重现性。作为接收和扭转钢丝中心层（实际是靠近中心）和表面层进行了两个（其实近中心）层 进行了显微硬度和显微结构特征测试（如图3所示）。样品从线轴的中心到表面层的距离约为3.25 mm，对应于0到

8、1.02的剪切应变或0至0.60的等效应变。（见表1）。根据ISO6507-1:2005标准在钢丝的表面层和中心层上进行进行了在200克力的负荷10秒的维氏显微硬度试验。被置于沿导线轴线方向保持上的平均值的每个显微硬度值为10压痕（两个相邻压痕之间的距离为0.1mm）。表1 预扭转变形钢丝试样的信息试样接收线钢丝1钢丝3钢丝9钢丝20预设转数013920实际转数00.82.57.517.5剪切应变 00.050.150.441.02等效应变 vm 00.030.080.250.602.3 样品制备试样的维氏硬度试验和扫描电子显微镜（SEM）分析从钢丝被切断，然后在填充有铜导电胶木热固定（在16

9、0下8分钟）。标本用金刚砂纸表格120800打磨与9和3LM对绒衣服的水基金刚石悬浮液研磨。试样用金刚砂纸按120800打磨与在9和3 um的绒布的水基金刚砂悬浮液中研磨。最后通过使用振动研磨机与0.06LM胶体二氧化硅悬浮液抛光约1.5小时，以有效地去除形变表面层，同时尽量减少表面附近的结晶的破坏进行。在某些区域高厚度或高度残余应力的渗碳体片层在蚀刻过程中很容易被破坏。因此，试样的微观结构表征主要由背散射电子成像（BSEI）方法，无需腐蚀。更多的细节被显示在侧重于比较参考 BSEI方法和二次电子成像技术（SEM）技术用于表征未变形和变形珠光体钢。 用于进行透射电镜表征的薄切片标本通过分别从钢

10、丝的中心层和表面切断（见图3）。 然后，将试样研磨至约40LM厚，然后通过使用在室温下的5高氯酸和95乙醇中的溶液用双喷射研磨设备的薄型化。在200千伏的透射电镜观察。TEM观察在一个ZEISSLIBRA200有限元透射电子显微镜电压200千伏下进行。3结果3.1拉伸强度扭转金属丝的应力 - 应变曲线示于图4，和屈服强度（应力在0.2残余应变，R0.2）和极限抗拉强度（UTS）被选择并且放置在图5。扭转金属丝的应力 - 应变曲线示于图4，和屈服强度（应力在0.2残余应变，R0.2）和极限抗拉强度（UTS）被选择并且放置在图5。 该结果表明，冷拉拔珍珠中信钢丝的抗拉强度是预扭转变形非常敏感。 屈

11、服强度显着相后0.8革命前的扭转变形减小到所接收的电线（参见图5）。 作为公转的增加为2.517.5的数，两者的屈服应力和抗拉强度下降缓慢，然后于不动。 图.3试样维氏显微硬度测试和显微分析示意图。 图.4预扭转变形钢丝的工程应力-应变曲线。图5 屈服强度（R0.2）和预扭转变形丝随着转数的极限拉伸强度（UTS）图.6预扭转变形钢丝表面层和中心层丝随着转数变化的显微硬度值此外，作为接收到的线的应力 - 应变曲线具有明显的屈服点和屈服平台的一定的宽度。与所收到的电线相反，既不屈服点也没有屈服平台，观察屈服应变的周期预扭转变形丝的应力 - 应变曲线上。3.2 显微硬度图6绘出了的显微硬度是表面层和

12、中间层的两个试样扭转数的函数。有趣的是，在预扭转变形所施加之后观察到不同层中的试样的硬度有显着差异。这说明硬化行为发生在表层，而软化行为发生在中心层随预扭应变。此外，硬度的转化速度，是否表面层硬化或中心层软化，是随预扭转应变增加而发生改变。值得一提的是，硬度的变化，无论是在表面层硬化和中心层软化都主要发生在低应变阶段。硬度在低应变阶段急剧改变（从0到2.5圈），无论是在中心层和中间层。作为扭转应变增加（从2.5到17.5圈），硬度增加或减少缓慢，或接近不动。上面的结果表明，预扭转不仅导致了显微硬度的变化，而且由于在表面层和中间层之间的硬度特性差异导致不均匀的微观组织。3.3微观结构图7显示出随

13、着扭转变形的增加，预扭转变形钢丝的珠光体形态的表面层的显微结构的变化，在纵截面和横截面之间表现出明显差异。纵切面：随着扭转应变增加，珠光体片层主要是平行于钢丝轴（W）的原纤维结构（f）正逐渐向旋转剪切方向（h）和珠光体片层出现越来越多的障碍。横切面：随扭转应变，结构似乎不变，并维持波浪形态。纵截面和横截面之间的不同珠光体形态是由扭转的特征导致。在纯扭转下，每个钢丝样品的横截面保持平面和失真，因为该圆轴是轴对称的。集中于高压扭转几个研究这种现象也被报道过。冷拔珠光体钢丝的强度和硬度是由珠光体片层间距的支配，它对珠光体片层的形貌的表征是必要，并确定通过透射显微镜的使用确定的层间距。实际扭转变形17

14、.5转的导线20的特点是ZEISS LIBRA200 FE TEM，并且结果在图8.显示。由于钢丝预扭转变形渐变层的存在，线20的显微结构，不仅从中心层，而且从表面层进行了表征。珠光体片层间距（ILS）的平均表观通过TEM测定结果显示于表2。此外，对于每个试样的数据推断出10个不同区域的显微照片。图8a说明了从线20的中心层观察到典型的TEM明场显微照片，显示作为收线的显微组织一个显著特点作为比较：在珠光体片层间距没有显著变化（见表2）但相当大的碎片渗碳体片层可能会发生滑移发生在渗碳体（参见图8A中的白色箭头）在一些地方的结果。显然，一旦渗碳体滑移和断裂成片段，在滑动位置的珠光体片层间距，只要

15、该原来的1，位错两次的等效平均自由程在铁素体基体的两倍。相应的选区电子衍射（SAED）模式显示扩散的衍射斑点，表明预扭转变形，铁素体片层/基体在后 同样的珠光体团变形为子结构，并表现出小的取向差。不幸的是，渗碳体层片纳米级的厚度，可能与铁素体的斑点，这导致在暗场成像不成功重叠。 一些补充说明这里应该考虑到中心层标本在本次调查是从实际接近中间层，而不是真正的中心（不扭转）切割，从而预扭转变形也发生在这些标本。 图8b显示出从wire20的表面层观察到典型的TEM明场显微照片。相较于作为接收线的显微组织，珠光体的层状形态在表面层样品已经显著改变，并且相当大的弯曲和渗碳体薄片的碎片可以很容易地找到。

16、 更纠结的位错也观察到了铁素体片层/基质比中心层的样品中（参见图8a）。除了疑惑，在铁素体片层/基体的存在更多的位错，增加位错强化（或称为加工硬化强化）的更明显的效果。相应的电子衍射图案示出了珠光体片层/基体的取向是更加随机的，这表明该薄片/矩阵具有大取向差遭受更严重的变形比较来那的在中心层。图.7 BSEI显微图中的纵向部分wire1的（A-D）和横向部分（E-H）（a和e）中，钢丝3（b和f）中，钢丝9（C和G）和钢丝20（d和h）。4讨论4.1 应力 - 应变曲线 至于强度和硬度的变化以后讨论的基础上，我们将首先总结了我们对所收到导线的应力 - 应变曲线和预扭转变形丝的看法。对于高碳钢，

17、一般地，在应力-应变曲线上既没有屈服点，也没有屈服平台，因为填隙碳原子之间的相互作用是太大而形成的气氛能钉扎位错。然而，对于具有完全珠光体组织的珠光体钢，所有的碳原子是由渗碳体的形式存在，只有一小部分的氮原子的铁素体层/基体间隙原子的形式存在。此外，作为接收线在一定温度下发生热镀锌过程和稳定化处理，这会导致位错铁素体片层/基质的适当密度。当氮的间隙原子扩散到位错科特雷尔气氛或Snoek气氛可能作为接收线，其中位错钉扎溶质有效氮的间隙。其中位错被溶质氮原子有效钉扎。此外，许多研究报道，位错在一端或两端可以被固定，以一个一般的晶界，这是合理的认为位错也可以通过渗碳薄片具有纳米尺度的厚度，该厚度比晶

18、界更稳定的锁定。一旦钉扎位错或锁定的气氛或渗碳体片状结晶，一个小的额外的力是必需的，以取消锁定或解除锁定之前的屈服错位，然后在屈服点伸长出现在所收到的金属丝的应力 - 应变曲线上。结果表明，通过能够影响应力-应变曲线或者显微硬度的预扭转应变的引入不是非常大。实际上，对于软化行为，如图5和6中，尽管屈服强度或显微硬度，转变仅限于小应变。可能的原因是，这样一个小的应变是能够移动的钉扎或位于位错，这导致软化行为。 然而，根据固定或锁定位错是恒定的在所收到的电线总量的情况下，有预扭应变的增加在预扭转变形的电线没有多余的软化作用。（见图5和6）. 4.2 拉伸强度在完全珠光体钢的纳米结构薄层渗碳，就像在

19、多晶金属晶界，可以作为阻碍位错滑移。冷拉拔钢丝的强度和硬度都主要依赖于它被认为是相等的铁素体薄片的宽度的两倍的平均位错滑移距离。因此，根据本界强化机制，关于铁素体片层的屈服强度（sy）的Hall-Petch方程可表示为： sy=s0+k1(2d)-1/2 (3)其中s0表示铁素体的摩擦应力，d为铁素体的厚度和k1为可从Hall-Petch的斜率得出的常数。它已测得的铁素体薄片和珠光体片层间距的两个厚度都在冷拉伸过程中按照变化钢丝直径减少了。因而，方程（3）也可以写为：sy=so+k2(2ILS)-1/2 (4)其中ILS是珠光体片层间距和k2是常数。根据公式（4）在珠光体钢的屈服强度与珠光体片

20、层间距变化，其中已在许多作品报道过。据报道，发生在渗碳体薄片在与平行于纸面方向发生相当大的滑移，渗碳体的均质细化和伸长将发生;在珠光体中的渗碳体片层不利于取向（不平行于拉伸方向）大量弯曲和薄片的碎片可能会发生在珠光体中的渗碳体片层不利于取向（不平行于拉伸方向），相当大的弯曲和片状晶体碎裂可能出现。换句话说，不均匀的弯曲和破碎时的渗碳体片层不平行于变形应变可能会发生。【1,4,5】换句话说，不均匀的弯曲和破碎时的渗碳体片层不平行于变形应变可能会发生。由于通过预扭引入剪应变，渗碳体片层的弯曲和碎裂时有发生，这并不奇怪（参见图8a和b）。显而易见，无论是位错滑移距离和层间距由渗碳体的形态的影响.扭转

21、应变() 形态为正,和再用未定义功能增加了层间距（DILS）的变化：DILS=f() (5)sy =so+k2ILS+f()-1/2 (6)由于渗碳体片层碎裂造成完全层状形态的偏差将拓宽位错滑移距离或珠光体片层间距，因而负责边界强化效应减少，导致强度和硬度的下降。因此，在图所示。如图4和5所示，预扭转导致冷拉珠光体钢丝的抗拉强度降低。然而，由预扭转在这项工作中引入的应变不够大（见表1），以完全破坏珠光体的层状结构，并且预扭转变形丝的抗拉强度仍主要由原始的片层间距确定。另外，比较图8a和b，它也可以推断，在表面层样品的边界强化应该有更大的降低，因为试样在渗碳薄片比在中心层更严重的碎裂。4.3 显

22、微硬度层状珠光体钢的显微硬度，像抗拉强度，也主要依赖于珠光体片层间距。实际上，线性关系通常是报道给材料的显微硬度和拉伸强度拉伸性能可以用理论或经验公式从显微硬度测量得到。边界强化的减小在预扭转变形钢丝由于渗碳体碎裂的还原片层肯定会引起硬度下降。在这种情况下，在表面层中的硬度应该减少更多，因为与在中心层相比有更多的渗碳体薄片已破碎成片段。然而，这与实验观察冲突。加工硬化效应在这要应考虑到，因为预扭转所引起的错位倍增会导致在位错密度的铁素体片层/基质的增加。因为加载的几何形状扭转试样半径内应变和应变率的增加呈线性。也就是说，有一个从丝轴钢丝表面线性应变梯度。两种位错在预扭转变形中存在：剪切梯度引起几何必需位错; 统计学存储位错任意相互限制。这两种位错的位错密度是应变函数，以及材料的加工硬化是由位错的总密度控制和应变的梯度成正比。由于统计存储位错的积累或几何必需位错积导致显微硬度的变化在这里不讨论。重点是证明随着越来越多的扭转转速每个预扭转变形钢丝半径内加工硬化效应线性增加 并且在样品表面层的硬化强化的增加更加迅速。因此，预扭转变形钢丝的显微硬度的变化涉及两个因素：一是晶界强化的减少，而另一个是加工硬化的增加。根据公式（4）和参考方程32给出示意图图9，应当指出，在草图中心层也意味着那些靠近中心层，而不是真正的中心的。在试样表面层，边界增强效果迅速减小，但是