金属学报, 2019, 55(5): 585-592 DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00319

低温回火对超大形变冷拔珠光体钢丝显微组织和力学性能的影响

冯汉臣1, 闵学刚2, 魏大圣1, 周立初1, 崔世云2, 方峰,1

1. 东南大学材料科学与工程学院 南京 211189

2. 江苏省宝钢精密钢丝有限公司 南通 226114

Effect of Low Temperature Annealing on Microstructure and Mechanical Properties of Ultra-Heavy Cold-DrawnPearlitic Steel Wires

FENG Hanchen1, MIN Xuegang2, WEI Dasheng1, ZHOU Lichu1, CUI Shiyun2, FANG Feng,1

1. School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China

2. Jiangsu Bao Steel Precision Steel Wire Co., Ltd., Nantong 226114, China

通讯作者: 方 峰,fangfeng@seu.edu.cn,主要从事高性能金属材料的研究

收稿日期: 2018-07-09   修回日期: 2018-12-25   网络出版日期: 2019-04-22

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51371050
江苏省333工程资助项目.  BRA2018045
江苏省科技成果转化资金专项项目.  BA2017112
江苏省六大人才高峰计划项目.  2015-XCL-004

Received: 2018-07-09   Revised: 2018-12-25   Online: 2019-04-22

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  51371050
Jiangsu Province 333 Project.  BRA2018045
Industry-University Strategic Research Fund of Jiangsu Province.  BA2017112
"Six Talent Peaks" Project of Jiangsu Province.  2015-XCL-004

作者简介 About authors

冯汉臣,男,1991年生,博士生

摘要

采用力学分析、SEM、TEM、3DAP和DSC技术研究了低温回火对超大应变冷拔珠光体钢丝微观组织和力学性能的影响。结果表明:应变ε≤4的钢丝,在120~170 ℃范围内进行低温回火能有效提高钢丝的强度,同时塑性略有下降;ε=3.0的钢丝,在150 ℃回火8 min后,钢丝强度提高约150 MPa;ε=4.5的钢丝,在170 ℃回火后,钢丝强度和塑性同时下降。钢丝经超大应变(ε=4.5)变形后,渗碳体发生分解。冷拔钢丝在150~170 ℃之间存在明显的放热峰,TEM衍射斑分析发现了衍射斑点拖尾的现象,这主要是由于在150 ℃热处理后,C原子在位错处偏聚引起的;而HRTEM分析表明,在170 ℃处理后,渗碳体由非晶转变为纳米晶,有效地钉扎和阻碍位错运动,这2种现象共同导致了钢丝的低温回火强化。

关键词: 珠光体钢丝 ; 冷拔 ; 低温回火处理 ; 抗拉强度 ; 渗碳体

Abstract

Ultra-heavy cold-drawn pearlite wires provide an excellent combination of ductility and strength. Therefore, they have been widely used in engineering applications, such as suspension bridge cables, automotive tyre cords and cutting wires. In this work, the effects of low temperature annealing on the microstructure and mechanical properties of ultra-heavy cold-drawn pearlitic steel wires were investigated. The mechanical properties have been determined by tensile testing and the structures analyzed by TEM and HRTEM. The overall carbon contents in the detected volumes as well as the carbon concentrations in ferrite and cementite were measured by 3DAP. Experimental results show that, for the steel wires with strain (ε) less than 4, annealing in the range of 120~170 ℃ could effectively increase the strength of steel wires and remain most of the plastic performance. The tensile strength of wire with a strain of 3.0 can be increased about 150 MPa after annealing at 150 ℃ for 8 min. However, both of strength and toughness of steel wires with a strain 4.5 decreased after annealed at 170 ℃. After the steel wire is deformed by excessive strain (ε=4.5), the cementite decomposed obviously. DSC analysis showed that there is an obviously exothermic peak between 150 ℃ and 170 ℃ in the DSC curve. The TEM diffraction pattern analysis reveal the phenomenon of tailing at diffraction pattern, which is mainly caused by segregation of carbon atom at the dislocation after annealed at 150 ℃. However, HRTEM images show that annealing temperature as low as 170 ℃ could result in the transformation of partial cementite from amorphous state to nano-crystalline state. It could effectively pin and hinder the movement of dislocations. The underlying mechanism responsible for changes in microstructure and mechanical properties after annealing at low temperature are closely related to C-segregation and "crystal-amorphous" cementite transformation in heavy cold-drawn pearlitic steel wires.

Keywords: pearlitic steel wire ; cold-drawn ; low temperature annealing ; tensile strength ; cementite

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本文引用格式

冯汉臣, 闵学刚, 魏大圣, 周立初, 崔世云, 方峰. 低温回火对超大形变冷拔珠光体钢丝显微组织和力学性能的影响. 金属学报[J], 2019, 55(5): 585-592 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00319

FENG Hanchen, MIN Xuegang, WEI Dasheng, ZHOU Lichu, CUI Shiyun, FANG Feng. Effect of Low Temperature Annealing on Microstructure and Mechanical Properties of Ultra-Heavy Cold-DrawnPearlitic Steel Wires. Acta Metallurgica Sinica[J], 2019, 55(5): 585-592 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00319

冷拔珠光体钢丝因其具有超高强度的同时仍保持一定韧性,广泛应用于汽车轮胎子午钢帘线、桥梁缆索、弹簧钢和切割钢丝等重要工程领域[1,2,3,4,5,6]。目前,国内外致力于新一代超高强度钢丝(桥梁缆索2100 MPa级镀锌钢丝、5000 MPa级切割钢丝等)的研发与应用。因此,进一步提升冷拔钢丝的综合性能,特别是研发超高强度钢丝,已成为这一领域的新热点[7,8,9,10]

近年来,超大形变珠光体钢丝的显微组织影响其性能的机制一直是研究的焦点,已发现钢丝冷拔过程中,珠光体片层逐渐转向拉拔方向形成<110>织构[11,12]、珠光体片层间距不断细化减薄[13,14]、铁素体中位错密度增加[9,13]、渗碳体发生分解[15,16,17,18]等对冷拔后钢丝的性能有重要的影响。然而,由于超大形变冷拔钢丝中存在高密度的晶体缺陷,形变过程中渗碳体发生分解及珠光体片层减薄导致界面自由能增加[13],使冷拔后珠光体钢丝对热变化敏感。冷拔钢丝经高温热处理后由于渗碳体发生球化[19,20,21]、渗碳体析出[22]、铁素体回复再结晶[23,24]等显微组织变化会导致钢丝强度下降,塑性提升。为了进一步提高冷拔钢丝的强度,获得热力学较为稳定的钢丝,对超大形变冷拔钢丝进行低温热处理,由于渗碳体分解[23]、溶解的C重新分配[25,26,27,28,29,30]、非晶渗碳体晶化[21]等能使冷拔钢丝强度提高。然而,由于超大形变冷拔钢丝显微结构与性能的复杂性,相关工作并没有详细研究低温热处理后钢丝显微结构演变的特点及其与性能之间的关系;再者,过去的研究主要集中于对单一的形变量进行热处理研究,并没有考虑应变的影响。目前,关于超大形变冷拔钢丝超低温回火处理的研究较少,尤其是针对不同应变的超大形变冷拔珠光体钢丝,即使在相同参数下进行热处理,热处理也会对显微组织和力学性能产生不同的影响,但其力学性能和微观组织演变的机理目前尚没有深入的研究。

为了弄清楚应变和回火工艺对超大形变冷拔钢丝显微组织和力学性能的影响,本工作以超大应变冷拔珠光体钢丝为研究对象,研究应变和回火处理工艺对其显微组织和力学性能的影响,并对其机制进行探讨。

1 实验方法

实验所用的钢丝化学成分(质量分数,%)为:C 0.92,Mn 0.3,Si 0.17,Cr 0.196,Ni 0.13,S 0.008,P 0.008,Fe余量。热轧盘条(直径5.5 mm)酸洗磷化后,连续拉拔获得应变(ε)为3.0、3.5、4.0和4.5的超大应变冷拔钢丝,压缩率为98.9%,道次平均压缩率约为16%。将冷拔后的钢丝在120~170 ℃范围内进行超低温回火,回火处理时间分别为2、4、8、16和32 min。

拉伸测试在INSTRON 2344型万能试验机上进行,拉伸速率为2 mm/min。利用Sirion 200场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察回火前后钢丝纵截面显微组织的变化,采用JEM 2100F型场发射透射电子显微镜(FE-TEM)观察回火前后钢丝微观结构的演变,加速电压200 kV。利用STA 449 F1型差示扫描量热仪(DSC)对不同应变的冷拔钢丝进行分析,升温速率20 ℃/min,保护气为Ar气。利用LEAP 4000X HR三维原子探针(3DAP)对冷拔后钢丝的C分布进行重构,残余压强为3×10-9 Pa,脉冲频率200 kHz。

2 实验结果

2.1 力学性能

1是不同回火温度下不同应变(ε=3.0、3.5、4.0、4.5)冷拔钢丝的抗拉强度与回火时间的关系曲线。从图1a中可以看出,冷拔钢丝经120 ℃回火处理后,不同应变冷拔钢丝的抗拉强度均有所提升,随回火时间延长,钢丝强度最终达到平稳状态;应变越大,回火处理后钢丝的抗拉强度提高的幅度越小。冷拔钢丝经150 ℃较短时间(4 min)回火处理后,钢丝强度就达到平稳状态,见图1b。钢丝经更高温度(170 ℃)回火处理后,对于ε≤4.0的钢丝,回火处理后强度有所提升,而ε=4.5的钢丝,回火处理后强度明显下降,如图1c所示,当回火时间为32 min时,抗拉强度比回火前下降约200 MPa,且随回火时间的延长,钢丝强度仍有继续下降的趋势,此时,应变增加带来了不同的影响。

图1

图1   不同回火温度下不同应变(ε)冷拔钢丝的抗拉强度随回火时间的变化曲线

Fig.1   Evolutions of tensile strength with annealing time (t) under different strains (ε) of cold-drawn pearlitic steel wires at 120 ℃ (a), 150 ℃ (b) and 170 ℃ (c)


2是不同应变下冷拔钢丝经不同温度回火32 min前后的工程应力-应变关系曲线。可以看到,ε=3.0的钢丝在120、150和170 ℃回火32 min后,钢丝强度提升,但塑性略有下降。ε=4.5的钢丝在170 ℃回火32 min后,钢丝的强度与塑性同时下降(图2b),在120 ℃回火32 min后,钢丝的强度比回火前只提高了20 MPa。

图2

图2   不同应变下冷拔钢丝经不同温度回火32 min前后的工程应力-应变曲线

Fig.2   Engineering stress-strain curves of cold-drawn pearlitic steel wires before and after annealing at different temperatures for 32 min under ε=3.0 (a) and ε=4.5 (b)


结合图1和2可知,对于ε≤4的钢丝,在150 ℃回火8 min后,钢丝抗拉强度提高约150 MPa,此时钢丝塑性虽略有下降,但仍具有一定的塑性,可满足某些工程应用的要求;而对于ε=4.5的钢丝,可考虑在更低的温度进行回火热处理,以获得预期性能的钢丝。

2.2 组织分析

3是热轧盘条和冷拔钢丝(ε=3.0)经170 ℃回火处理32 min前后纵截面的显微组织。从图3a可以看到,原始盘条珠光体组织是由铁素体相和渗碳体相组成的片层组织,珠光体团中珠光体片层随机分布,没有明显的择优取向。钢丝经超大应变变形后,珠光体组织平行于拉拔方向,如图3b中箭头所示,组织高度纤维化,由于珠光体承受剧烈的塑性变形,形貌上虽呈现层片状,但其微结构已遭到破坏,如图3b所示;170 ℃回火32 min后高度纤维化的显微组织与冷拔钢丝的显微组织并没有明显的区别,如图3c所示。

图3

图3   盘条及冷拔钢丝(ε=3.0)经170 ℃回火处理32 min前后的显微组织

Fig.3   Microstructures of wire rod (a) and cold-drawn pearlitic steel wires before (b) and after (c) annealing at 170 ℃ for 32 min under ε=3.0


4是冷拔钢丝(ε=3.0)经170 ℃回火处理32 min前后纵截面显微组织的TEM明场像和暗场像。可以看出,超大应变的冷拔钢丝珠光体片层平行于拉拔方向,珠光体片层间距约为35 nm,铁素体的片层厚度约30 nm,铁素体片层内有大量的晶体缺陷,如图4a中白色箭头所示;从图4b可以看到,冷拔钢丝中渗碳体片层与拉拔方向平行,渗碳体片层厚度约为5 nm,此时只能观察到较少的渗碳体颗粒,不再是连续的晶态片层结构,说明钢丝经剧烈塑性变形后,渗碳体的片层结构遭到了严重的破坏,渗碳体发生了碎化。经170 ℃回火处理32 min后(图4c),钢丝的片状珠光体组织依然平行于拉拔方向,珠光体片层间距约35 nm,可以观察到渗碳体片层中形成了许多纳米尺寸的渗碳体小颗粒,如图4d所示,渗碳体颗粒的尺寸为2~4 nm,数量明显比未回火处理的钢丝中多,说明冷拔钢丝在170 ℃回火32 min后形成了纳米尺寸的小颗粒渗碳体。

图4

图4   ε=3.0冷拔钢丝经170 ℃回火处理32 min前后纵截面显微组织的TEM明场像和暗场像

Fig.4   Bright field (a, c) and dark field (b, d) TEM images of cold-drawn pearlitic steel wires on the longitudinal section before (a, b) and after (c, d) annealing at 170 ℃ for 32 min under ε=3.0 (White arrows in Fig.4a show crystal defects)


5是冷拔钢丝(ε=3.5)经170 ℃回火32 min前后的HRTEM像。通过HRTEM对回火前冷拔钢丝的渗碳体微结构进行观察,对渗碳体片层的A2选区进行Fourier变换后渗碳体衍射花样是一个离散的亮斑,反Fourier变换后的区域是一个原子无序排列的结构,说明经超大应变的钢丝中渗碳体晶体结构被严重破坏,转变为部分非晶态。而对铁素体片层中A1区域经过反Fourier变换后有明显的晶格条纹,晶面间距约为0.196 nm,同时也注意到该晶面上有2个刃型位错。冷拔钢丝经回火处理后,对渗碳体片层中形成的纳米颗粒渗碳体进行HRTEM观察,图5b中方框选区中的渗碳体经反Fourier变换后有明显的晶格条纹,晶面间距约为0.206 nm,结合渗碳体Fourier变换的衍射花样,说明冷拔钢丝回火后,非晶渗碳体发生原位再结晶转变为纳米晶渗碳体。

图5

图5   冷拔钢丝(ε=3.5)经170 ℃回火32 min前后的HRTEM分析

Fig.5   HRTEM analyses of cold-drawn pearlitic steel wires before (a) and after (b) annealing at 170 ℃ for 32 min under ε=3.5 (The ferrite exhibits distinguishable lattice fringes of inset A1, inverse fast Fourier transformation (IFFT) images of the A2 region area shows a disordered structure of cementite, discrete bright spots do not appear from the diffraction of cementite using the fast Fourier transformation (FFT) method. Fig.5b shows the selected area FFT and IFFT images obtained inside the boxed region. d—lattice spacing)


2.3 微区成分分析

6ε=4.5的钢丝中C的三维空间分布(3DAP)和垂直方向及水平方向的C浓度分布图。其中图6a重构体积为55 nm×52 nm×120 nm,图6b是垂直方向的C浓度分布(自上而下),图6c是水平方向C浓度分布(从左到右)。钢丝经超大应变变形后,部分渗碳体片层中的C浓度约为12.3% (原子分数),甚至更低,如图6c所示,远小于珠光体组织平衡浓度25% (原子分数),说明钢丝经超大应变变形后,珠光体组织中的渗碳体发生分解,同时结合垂直方向C浓度的分布(图6b),可知渗碳体分解后,C可能扩散到铁素体中,导致铁素体内的C含量增加,而铁素体中C的溶解度是有限的,C的扩散可能会形成过饱和的铁素体固溶体。

图6

图6   ε=4.5时冷拔钢丝C原子三维空间分布图及垂直方向和水平方向的C浓度分布

Fig.6   3D atom maps of C of cold-drawn pearlitic steel wires under ε=4.5 (a), C atom concentration distributions along vertical direction (b) and horizontal direction (c)

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7是冷拔钢丝(ε=4.0)经150 ℃回火32 min后纵截面组织的TEM明场像和对应的电子衍射花样。可以看到,衍射花样有明显的尾翼和拖拽效应,可能是由于C原子在位错处偏析引起的[31]。大应变钢丝中渗碳体发生分解,钢丝中C原子弥散分布(图6),而经170 ℃回火处理后,非晶渗碳体发生原位再结晶转变为纳米渗碳体颗粒(图4d、5b),在低于150 ℃回火处理后,C原子偏析到位错或界面处(图7),纳米晶渗碳体和偏析的C原子会阻碍和钉扎位错运动[21,22,25,26,27],使得钢丝的变形抗力增加,进而提高钢丝强度。

图7

图7   ε=4.0时冷拔钢丝经150 ℃回火32 min后纵截面TEM明场像及电子衍射花样

Fig.7   Bright field TEM image on the longitudinal section and electron diffraction pattern (inset) of cold-drawn peearlitic steel wire after annealing at 150 ℃ for 32 min under ε=4.0


2.4 DSC分析

8是不同应变冷拔珠光体钢丝的DSC曲线。可以看到,不同应变的冷拔钢丝有不同的放热曲线,ε≤3.5的钢丝只有2个放热峰,分别是放热峰1和放热峰3,随着应变的增加,当钢丝ε=4.5时,有3个放热峰,分别在150~170 ℃、310~350 ℃和440~480 ℃范围内,第一个放热峰可能是C原子偏聚或析出碳化物引起的放热峰[23,24],第二个放热峰可能是中间碳化物析出引起的[22],第三个放热峰是由于渗碳体发生球化而引起的放热峰[22,23,24,25]。同时从图中还可以看到,随着应变的增加,冷拔钢丝DSC曲线斜率增大,表明形变储存能增大。

图8

图8   不同应变冷拔珠光体钢丝的DSC曲线

Fig.8   DSC curves of cold-drawn pearlitic steel wires with different strains


3 讨论

超大形变珠光体钢丝显微组织影响力学性能的机制一直是研究的热点,然而,由于超大形变后其显微组织与力学性能的复杂性,尤其是其中渗碳体的微结构演变众说纷纭,相关研究[1,15,16,17,18,22]指出,渗碳体在超大形变过程中发生分解,溶解的C原子由渗碳体进入铁素体中;也有研究[5,21]报道,渗碳体经超大形变后由晶态转变为部分非晶态渗碳体。冷拔钢丝在较高温度热处理后,由于发生渗碳体球化[22,23,24,25]、位错回复[29]等导致钢丝强度下降,塑性部分提升。关于超大应变冷拔钢丝低温回火处理的研究相对较少,回火后冷拔钢丝显微组织与力学性能的演变规律及其机制缺乏深入的研究,针对不同应变冷拔钢丝的回火处理研究发现,钢丝ε=4.5时,在170 ℃回火处理后,钢丝强度出现下降,这与ε≤4.0的钢丝回火处理后强度变化规律不同(图1c)。ε≤4.0冷拔钢丝在170 ℃回火,即使回火时间超过32 min,其强度仍高于未回火之前;而对于ε=4.5的钢丝回火处理后,钢丝强度下降,这是由于当应变足够大时,形变储存能越高,在相同的热处理条件下,容易发生回复或再结晶过程,使强度下降。这说明对超大应变的冷拔钢丝进行热处理时,冷拔钢丝的应变是值得重视的一个影响因素;同时也应注意到回火时间能有效影响钢丝强度提升或下降的幅度。

超大应变钢丝低温回火后力学性能的演变规律与回火处理过程中显微组织变化有着密切关系,特别是珠光体钢丝独特的“晶体-非晶”渗碳体相变,钢丝形变过程中渗碳体转变为非晶态[5,21,32],本工作发现冷拔钢丝(ε≤4.0)在170 ℃回火处理后渗碳体片层内形成纳米尺寸的渗碳体小颗粒(图4d),结合HRTEM对纳米颗粒进行观察,通过对纳米颗粒的渗碳体进行反Fourier变换,变换后的区域有明显的晶格条纹(图5c),结合电子衍射花样分析,说明非晶渗碳体发生原位再结晶转变为纳米晶渗碳体[21]。低温回火过程中形成的纳米晶渗碳体会阻碍位错运动,使得钢丝的变形抗力增加,若钢丝发生塑性变形,需更大的外力作用才能使位错越过纳米晶渗碳体继续运动,进而导致钢丝强度提高。钢丝强度提升的另一个原因是经过回火处理后溶解的C原子在位错处偏析,3DAP和TEM结果也佐证了这一点,钢丝经超大应变后,渗碳体发生分解,钢丝中C原子弥散分布(图6a),结合ε=4.0的冷拔钢丝经150 ℃回火处理32 min后的TEM明场像(图7),铁素体电子衍射花样有明显的尾部和拖拽效果,这是由于C原子在位错处偏聚[31]引起的,这些C原子钉扎和阻碍位错运动,使得钢丝的变形抗力增大,进而提高钢丝的强度。而不同应变的冷拔钢丝DSC曲线(图8)在150~170 ℃有一个放热峰,而这个放热峰是由于C原子的偏聚和析出引起的[22,23,24,25],也佐证了在该温度回火后有C原子的偏聚现象。

冷拔钢丝(ε≤4.0)在170 ℃热处理后,非晶渗碳体发生原位再结晶转变为纳米晶渗碳体,在温度≤150 ℃进行热处理,溶解的C原子在位错处偏聚,它们有效地钉扎或阻碍位错运动,这2种现象共同导致了钢丝的低温回火强化。目前关于冷拔钢丝回火处理后强度降低的原因,一方面可能是回火过程中C原子从铁素体中析出,使得铁素体中C浓度降低,导致固溶强化减弱[11]引起钢丝强度下降;另一方面则可能是低温回火引起部分晶体缺陷发生回复[23,24,25,26]及渗碳体球化[24,25,27]等引起钢丝强度下降。

4 结论

(1) 应变ε≤4.0时,在120~170 ℃范围内进行回火处理,冷拔珠光体钢丝的抗拉强度提升,塑性略有下降,ε=4.5 时,在170 ℃进行回火处理,冷拔钢丝抗拉强度和塑性均下降。

(2) 经超大应变变形的冷拔珠光体钢丝中,渗碳体发生碎化,同时渗碳体晶体结构遭到严重破坏转变为部分非晶或纳米晶。

(3) 冷拔钢丝的DSC曲线在150~170 ℃有明显的放热峰。在150 ℃回火处理后,C原子在位错处偏聚。在170 ℃回火处理后,非晶渗碳体发生原位再结晶转变为纳米晶渗碳体。

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