金属学报 2014 , 50 (6): 667-673 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00799

拉拔过程中珠光体钢丝心部的织构演化规律及其对力学性能的影响^*

赵天章¹, 宋鸿武¹, 张光亮², 程明¹, 张士宏¹^,

1 中国科学院金属研究所, 沈阳 110016
2 台州学院, 台州 318000

THE TEXTURE EVOLUTION AT THE CENTER OF PEARLITIC STEEL WIRE DURING DRAWING AND ITS INFLUENCE ON THE MECHANICAL PROPERTIES

ZHAO Tianzhang¹, SONG Hongwu¹, ZHANG Guangliang², CHENG Ming¹, ZHANG Shihong¹^,

1 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016
2 Taizhou University, Taizhou 318000

中图分类号: TG111

通讯作者: Correspondent: ZHANG Shihong, professor, Tel: (024)83978266, E-mail: shzhang@imr.ac.cn

收稿日期: 2013-12-9

修回日期: 2014-02-27

网络出版日期: 2014-06-

基金资助: * 贝卡尔特(亚洲)研发中心合作项目, 国家自然科学基金项目51034009和广东省中国科学院全面战略合作项目2012B091100251资助

作者简介:

赵天章, 男, 1987年生, 博士生

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摘要

采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了拉拔过程中珠光体钢丝心部织构演变规律. 结果表明, 经过多道次干拉和淬火处理的钢丝存在强度较小的<110>丝织构, 经过湿拉拔后, <110>丝织构强度明显增加. 应用黏塑性自洽模型(VPSC), 建立了拉拔过程中钢丝心部织构计算模型, 预测了织构的演化规律, 并用虚拟的单向拉伸实验研究了初始织构对力学行为的影响. 预测结果与EBSD测试结果相符, 随着拉拔应变的增加, 晶粒的<110>取向逐渐转向拉拔方向. 在拉拔方向上的反极图中, 存在<113>和<012>连线上稳定的取向, 靠近<001>和<111>连线上的取向先转向到稳定取向再转向<110>取向, 其它取向直接转向<110>取向. 随着拉拔应变增加<110>丝织构的体积分数逐渐增加, 增加速率逐渐减小. 随着初始<110>丝织构体积分数的增加钢丝心部的屈服应力逐渐增加.

关键词： 珠光体钢丝 ; 晶体学织构 ; 黏塑性自洽模型 ; 力学性能

Abstract

The cold drawing pearlitic steel wires are widely used in industry such as the automobile tire and ropes. And it possesses an ultra high strength, almost the highest in all the steel products. So many investigations are focused on the hardening mechanisms of pearlitic steel wire during cold drawing, including the microstructure fining, texture evolution and cementite dissolution. In this study, the electron backscatter diffraction (EBSD) and the visco-plastic self-consistent (VPSC) model are used to investigate the texture evolution law at the center of wire during the drawing, as well as its influences on the mechanical behaviors. The EBSD results show that the as-received wires after dry drawing and quenching have a little <110> fiber texture along the drawing direction. And with wet drawing strain increasing, the intense of <110> fiber texture increases apparently. The calculations using VPSC have a good agreement with the EBSD results, which indicate that VPSC can successfully predict the texture category and its evolution law in pearlitic steel wire during drawing. The predictions show that the <110> fiber texture is gradually generated at the center of wire with strain increasing and exhibit the path of individual orientation in the inverse pole figures during the drawing. The orientations at the line linking <113> and <012> seem stable. The orientations located at the line linking <001> and <111> prefer to turn to the stable orientations and then turn to <110>. The other orientations turn to <110> directly. The volume of <110> orientations within 15 degrees of drawing direction increases with strain increasing and get saturation finally. The tensile yield stress of the wire center increases with the initial volume of <110> fiber texture increasing.

Keywords： pearlitic steel wire ; crystallographic texture ; visco-plastic self-consistent model ; mechanical property

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赵天章, 宋鸿武, 张光亮, 程明, 张士宏. 拉拔过程中珠光体钢丝心部的织构演化规律及其对力学性能的影响^*[J]. , 2014, 50(6): 667-673 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00799

ZHAO Tianzhang, SONG Hongwu, ZHANG Guangliang, CHENG Ming, ZHANG Shihong. THE TEXTURE EVOLUTION AT THE CENTER OF PEARLITIC STEEL WIRE DURING DRAWING AND ITS INFLUENCE ON THE MECHANICAL PROPERTIES[J]. 金属学报, 2014, 50(6): 667-673 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00799

冷拉拔珠光体钢丝被广泛地应用在汽车轮胎子午线、钢丝绳等行业, 在所有钢铁产品中强度最高, 现在已经超过6 GPa^[1]. 如此高的强度首先来源于微观组织的变化, 如珠光体片层间距的减小^[2-5]、铁素体内位错与纳米尺度的片层相界面的作用^[6]、珠光体片层形态的变化^[7,8]和渗碳体的破碎与溶解^[1]^[9]. 其次与宏观残余应力有关^[10,11], 最后受到晶体学织构的影响. Zelin^[12]发现, 冷拉拔钢丝中存在着明显的晶体学织构, 并导致了强烈的各向异性. Yang等^[13]利用X射线衍射(XRD)测得取向分布函数, 分析了累积应变对冷拉拔共析钢丝织构成分的影响. 刘沿东等^[14,15]利用XRD研究了织构随着拉拔应变的演变规律, 发现钢丝心部存在强烈的平行于拉拔方向的<110>丝织构, 表面却存在(110)<110>周向织构. Li等^[16]同样发现钢丝中心与表面存在织构差异, 并利用XRD测试和晶体塑性有限元计算发现钢丝表面存在着(112)<110>周向织构.

但是, XRD所获得的信息是一个宏观的平均结果, 难于精确定位地获得钢丝局部区域的织构信息. 因此, 电子背散射衍射(EBSD)逐步被用来研究钢丝微区取向信息^[17,18]. 但依然存在着2个问题: 因无法开展原位观察, 不能确定具体取向的演变规律; 无法直接测试钢丝心部的力学性能, 难于把织构强度和力学性能直接联系起来. 基于晶体塑性力学的数值模拟可以解决上述问题, 结合实验结果, 可以加深对冷拉拔珠光体钢丝心部织构的认识. 已有不少学者研究了钢丝织构, Li等^[16]利用有限元方法(FEM)结合多晶Taylor模型^[19]计算了低碳钢拉拔过程中的织构. 刘沿东等^[14]用Taylor模型解释钢丝表层周向织构是由剪切应变导致的. 然而, Taylor模型是以均匀形变为基础的, 不符合实际多晶体变形的情况. Molinari等^[20]提出了一种新型的考虑多晶体内晶粒间相互作用的模型—自适应模型. 由Lebensohn和Tomé^[21]提出的黏塑性自洽(VPSC)模型成为一种常用的用来计算晶体学织构的模型, 例如, 花福安等^[22]利用这个模型研究了fcc结构金属中典型织构对板材宏观各向异性的影响. Li等^[23,24]把VPSC应用到了等转角通道挤压中.

本工作利用EBSD测试和VPSC模拟相结合的方法研究拉拔过程中珠光体钢丝心部织构的演变规律以及对力学性能的影响. 利用EBSD实验测试冷拉拔钢丝心部的晶体学信息, 实现研究区域的准确定位, 又通过增加测试的步长、增加观测范围沿着拉拔方向上的长度使得测试结果具有统计意义; 采用VPSC模型详细研究拉拔过程中珠光体钢丝心部的取向在反极图中的运动轨迹, 可以加深对<110>丝织构形成过程的认识; 通过计算拉拔过程中钢丝心部屈服圆的演变和虚拟单向拉伸测试, 研究丝织构对钢丝心部力学性能的影响.

1 实验及模拟方法

1.1 实验方法

实验材料为珠光体钢丝, 化学成分(质量分数, %)为: C 0.9, Mn 0.4, Si 0.16, Fe余量. 初始坯料经历了干拉拔和淬火处理, 微观组织为典型的珠光体组织. 坯料经过多道次湿拉拔后得到钢丝产品, 累积等效应变约为3.7. 然而钢丝塑性较差, 单向拉伸中的真应变只有0.08, 本工作通过对每道次的钢丝进行单向拉伸测试, 得到不同应变下的屈服强度, 并绘制出应变-屈服强度曲线, 得到钢丝在大应变范围的应变硬化曲线. 观测用试样分别取自初始坯料、经过3道次和5道次拉拔的钢丝, 如表1所示. 用砂纸将钢丝样品磨至中心面, 经过机械抛光后, 使用8%高氯酸酒精溶液(体积分数)进行电解抛光, 温度为-20 ℃, 电压为15 V, 抛光时间约45 s. 利用Nova NanoSEM430场发射扫描电镜(SEM)中的HKL Channel 5 EBSD测试钢丝心部区域铁素体的取向信息. 观测区域为钢丝中心平面轴线上宽度为钢丝直径的10%的区域, 如图1a所示. 尽可能的增加观测区域沿轴向的长度, 增大EBSD扫描的步长, 得到的测试结果虽然不能给出确切的珠光体形貌, 但是其取向信息却具有更好的统计意义. 如图1b所示, 直径为0.83 mm的未变形钢丝上的观测区域的尺寸为0.86 mm×0.09 mm.

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图1 EBSD测试位置的示意图和初始坯料的实际测试区域

Fig.1 Sketch of the position for EBSD (a) and the real measurement area for as-received wire (b)

表1 实验用钢丝样品的信息

Table 1 Steel wire samples in experiment

Condition	Diameter / mm	Area reduction / %	Strain
As-received	0.82	-	-
3 passes	0.61	45	0.59
5 passes	0.52	60	0.91

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1.2 VPSC模型

在VPSC模型中, 弹性变形与塑性变形相比太小而被忽略, 那么材料在边界条件作用下表现出来的应力和应变关系均能通过滑移计算得到. 从经典的晶体塑性理论出发^[25], 建立速度梯度与滑移的关系.

实际上, 多晶体被看做有许多个不同的具有一定权重的取向组成的集合体, 这种权重即晶粒的体积分数. 在模型中, 把每个晶粒简化成一个包含在等效黏塑性基体的同样具有黏塑性力学性质的椭球体, 而基体的性质是由所有晶粒性质平均化得到的. 对于局部每个晶粒来说, 采用率相关本构关系来表达其力学性能:

ε_{i j} (\overset{̅}{x}) = \sum_{s}^{} m_{i j}^{s} γ^{s} (\overset{̅}{x}) = γ_{0} \sum_{s}^{} m_{i j}^{s} {(\frac{m_{k l}^{s} σ_{k l} (\overset{̅}{x})}{τ_{0}^{s}})}^{n}

(1)

式中, $ε_{i j} (\overset{̅}{x})$ 和 $σ_{i j} (\overset{̅}{x})$ 是偏应变率张量和偏应力张量; $m_{i j}^{s}$ 表示S滑移系上的Schmid因子张量, 由滑移系的法向和Burgers矢量计算得到; $γ^{s} (\overset{̅}{x})$ 是S滑移系上的剪切率; $τ_{0}^{s}$ 是初始S滑移系上的临界剪切应力; g_o是归一化因数, n是应变速率敏感指数.

变形过程中, 滑移系的临界剪切应力往往随着应变变化, 这里应用Voce硬化模型. S滑移系的临界应力随着累积剪切应变增加的变化规律为:

τ^{s} = τ_{0}^{s} + (τ_{1}^{s} + θ_{1}^{s} Γ) (1 - e x p (- Γ | \frac{θ_{0}^{s}}{τ_{1}^{s}} |))

(2)

式中, $Γ$ 是累积剪切应变; $τ_{0}^{s}$ , $θ_{0}^{s}$ , $τ_{1}^{s}$ 和 $θ_{1}^{s}$ 分别为S滑移系上的初始临界剪切应力、初始硬化速率、外推临界剪切应力和渐进硬化速率, 通过拟合钢丝的应变硬化曲线得到. 曲线由前面描述方法所得, 再通过拟合计算得到各个材料参数, 如图2所示, 材料参数为: $τ_{0}^{s}$ =405 MPa, $θ_{0}^{s}$ =1800 MPa, $τ_{1}^{s}$ =150 MPa, $θ_{1}^{s}$ =33 MPa. 模型中计算bcc结构的铁素体的晶体学织构的演变, 主要有3个滑移系: {110}<111>, {112}<111>和{123}<111>. 拉拔过程中, 与模具间的摩擦力会导致钢丝表面经历额外的剪切变形, 而处在钢丝心部的材料因为远离表面, 而被视为经历了近似单向拉伸的变形过程. 在VPSC模型中就采用了单向拉伸的边界条件.

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图2 钢丝的力学曲线与黏塑性自洽(VPSC)模型中的拟合曲线

Fig.2 Strain-stress curve of the steel wire and the micro-hardening curve used in visco-plastic self-consistent (VPSC) model

2 结果和讨论

2.1 EBSD测试结果

图3为经不同道次拉拔前后珠光体钢丝心部沿着拉拔方向的反极图. 可见, 在初始坯料的心部已经存在强度较小的平行于拉拔方向的<110>丝织构. 随着拉拔应变的增加, <110>丝织构的强度明显增加.

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图3 经不同道次拉拔前后钢丝心部沿拉拔方向的反极图

Fig.3 Inverse pole figures of steel wire center before (a) and after 3 passes (b) and 5 passes (c) drawings

2.2 VPSC模型计算结果

图4a~e为VPSC模型预测的不同等效应变下沿着拉拔方向的反极图. 模型所采用的初始取向为随机的,如图4a所示, 图中每一个点代表一个取向,它们随机分布在反极图中. 图4b~e为应变分别为0.3, 0.6, 0.9和1.2的反极图, 图中的点表示每个取向在反极图中的位置. 可见, 随着拉拔应变的增加, 钢丝心部逐渐形成平行拉拔方向的<110>丝织构. 对比图3, VPSC模型预测的结果中无论织构类型还是织构强度都与EBSD实际测试结果相符, 说明了所用VPSC模型的可靠性, 可以用来分析织构的演变规律.

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图4 VPSC预测的不同等效应变下沿着拉拔方向的反极图和取向的运动路径

Fig.4 Inverse pole figures predicted by VPSC under equivalent strains of 0 (a), 0.3 (b), 0.6 (c), 0.9 (d), 1.2 (e), and movement path of the individual orientation (f)

虽然已有很多研究^[13-16]表明, 在拉拔过程中钢丝心部逐渐形成平行拉拔方向的<110>丝织构, 但<110>丝织构的形成过程并不清楚. 主要归因于无法通过实验的方法实现在拉拔过程中对钢丝心部晶体学取向详细的原位观测. 但通过VPSC模拟的方法可以追踪单个取向的演变历程, 进而探究<110>丝织构的形成过程.

细致分析图4a~e中每个取向点随应变的“运动”轨迹, 不难发现它们并不是直接转向为<110>取向, 而是通过如图4f中所示意的路径. <113>和<012>取向的连线是相对比较稳定的, 靠近<001>和<111>取向连线的取向倾向于先向上述稳定取向靠近, 再沿着<113>和<012>的连线转向<110>取向. 而其它取向则直接转向<110>取向.

2.3 <110>丝织构体积分数的演变规律

用与宏观拉拔方向角度偏差在15°范围内的<110>取向的体积分数来定量描述<110>丝织构的强度. VPSC模型计算结果如图5所示, 拉拔应变为0时(随机取向), 平行于拉拔方向的<110>丝织构体积分数约为22.8%. 随着应变的增加, 其强度逐渐增加. 应变为1.6的时候, <110>丝织构的体积分数达到了73%. 在EBSD的实验测试结果中, 湿拉拔前钢丝心部的<110>丝织构体积分数约为36%, 明显高于随机取向的情况, 这与2.1节中反极图的分析结果类似, 都说明初始坯料的心部已经存在了强度较小的<110>丝织构, 随着拉拔应变的增加<110>丝织构体积分数逐渐增加, 与VPSC模型计算结果相近. 图5也给出了<110>丝织构体积分数增长率的计算结果, 可见, 随着应变的增加, 增长速率逐渐减小, 两者近似呈直线关系.

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图5 拉拔方向<110>丝织构体积分数及其增长速率随应变的演变规律

Fig.5 Evolution of the volume fraction of <110> fiber texture in drawing direction and its increasing rate with strain increasing

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图6 <110>丝织构对钢丝力学性能的影响

Fig.6 Fig.6 Influence of the <110> fiber texture on mechanical properties of steel wire(a) evolution of yield locus in π plane with strain(b) tensile curves with different volume of the initial <110> fiber textures

在多道次拉拔过程中, 最终的等效应变可以达到4, 远大于1.6, <110>丝织构体积分数会一直增加, 但增长率逐渐降低, 而最终趋于饱和. 从图5中<110>丝织构增长速率的变化规律来推测, 当拉拔等效应变达到1.8时, <110>丝织构体积分数可达到饱和. 也就是说, 在拉拔过程中决定织构形成的主要是拉拔前期. <110>丝织构的存在既影响后期的拉拔又影响钢丝最终产品的强度, 所以为了提高钢丝在拉拔过程中的变形能力, 降低拉拔能耗, 并且提高最终钢丝产品的强度, 需要调整拉拔前期几个道次的工艺参数, 控制拉拔变形量, 从而优化<110>丝织构的强度.

2.4 <110>丝织构对钢丝心部力学性能的影响

随着拉拔应变的增加, <110>丝织构体积分数逐渐增加, 利用VPSC模型计算了不同拉拔应变下钢丝心部在各个方向上的屈服强度, 并绘制了应力空间中π平面上的屈服圆, 如图6a所示, 其中S_x方向为钢丝的拉拔方向, 从里到外的屈服圆依次对应应变为0.4, 0.8, 1.2和1.6. 可以看出, 随着应变的增加, 屈服圆不断扩大, 说明随着拉拔应变的增加, 钢丝在各个方向上都产生了硬化. 另外, 随着应变的增加原来在π平面上是圆形的屈服圆逐渐变成椭圆, 在拉拔方向上被拉长, 即产生明显的各向异性. 在拉拔方向上, 屈服圆的拉长速度明显快于其它方向, 因此具有更高的强度.

为了明确<110>丝织构对力学性能的影响, 在其它材料参数固定的情况下, 将具有不同<110>丝织构体积分数的取向作为初始取向, 在VPSC模型中进行虚拟的单向拉伸测试, 得到仅是初始丝织构体积分数不同的钢丝心部的拉伸应力-应变曲线, 如图6b所示. 因VPSC模型中没有涉及弹性变形, 所以图中只给出了拉伸曲线的塑性阶段. 从总体上来看, 随着<110>丝织构体积分数的增加, 钢丝心部屈服强度增加, 而且拉伸应力-应变曲线整体上升. 当拉伸应变为0.08时, 初始<110>丝织构体积分数从23%升高到73%, 钢丝的屈服强度则提高了约60 MPa.

采用VPSC计算的方法, 可以单独考虑织构的影响. 目前, 还很难采用实验的方法直接测试钢丝心部的力学性能, 而且不能排除其它因素的影响, 如珠光体片层间距、片层择优取向和残余应力, 因此无法明确<110>丝织构对钢丝强度的贡献.

3 结论

(1) EBSD测试结果显示, 经过干拉和热处理的珠光体钢丝心部存在一定的平行于拉拔方向的<110>丝织构. 在后续的湿拉拔过程中, 随着拉拔应变的增加, 沿着拉拔方向的<110>丝织构强度逐步增大.

(2) 利用VPSC模型可以很好地计算bcc金属的织构的类型和强度. 在拉拔过程中, 拉拔方向上存在<113>和<012>连线上较为稳定的取向, 靠近<001>和<111>连线上的取向先转向到稳定取向再转向<110>取向, 其它取向直接转向<110>取向. 随着拉拔应变的增加, <110>丝织构体积分数逐渐增加, 因增加速率逐渐减小, 而逐渐趋于饱和.

(3) 随着初始<110>丝织构体积分数的增加, 钢丝拉伸屈服应力明显增加.

感谢Los Alamos National Laboratory的 C N教授提供VPSC程序.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

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... 虽然已有很多研究^[13-16]表明, 在拉拔过程中钢丝心部逐渐形成平行拉拔方向的<110>丝织构, 但<110>丝织构的形成过程并不清楚. 主要归因于无法通过实验的方法实现在拉拔过程中对钢丝心部晶体学取向详细的原位观测. 但通过VPSC模拟的方法可以追踪单个取向的演变历程, 进而探究<110>丝织构的形成过程. ...

2002

... 但是, XRD所获得的信息是一个宏观的平均结果, 难于精确定位地获得钢丝局部区域的织构信息. 因此, 电子背散射衍射(EBSD)逐步被用来研究钢丝微区取向信息^[17,18]. 但依然存在着2个问题: 因无法开展原位观察, 不能确定具体取向的演变规律; 无法直接测试钢丝心部的力学性能, 难于把织构强度和力学性能直接联系起来. 基于晶体塑性力学的数值模拟可以解决上述问题, 结合实验结果, 可以加深对冷拉拔珠光体钢丝心部织构的认识. 已有不少学者研究了钢丝织构, Li等^[16]利用有限元方法(FEM)结合多晶Taylor模型^[19]计算了低碳钢拉拔过程中的织构. 刘沿东等^[14]用Taylor模型解释钢丝表层周向织构是由剪切应变导致的. 然而, Taylor模型是以均匀形变为基础的, 不符合实际多晶体变形的情况. Molinari等^[20]提出了一种新型的考虑多晶体内晶粒间相互作用的模型—自适应模型. 由Lebensohn和Tomé^[21]提出的黏塑性自洽(VPSC)模型成为一种常用的用来计算晶体学织构的模型, 例如, 花福安等^[22]利用这个模型研究了fcc结构金属中典型织构对板材宏观各向异性的影响. Li等^[23,24]把VPSC应用到了等转角通道挤压中. ...

2002

2012

2002

2010

1938

1987

1993

2009

2007

2013

2006

... 在VPSC模型中, 弹性变形与塑性变形相比太小而被忽略, 那么材料在边界条件作用下表现出来的应力和应变关系均能通过滑移计算得到. 从经典的晶体塑性理论出发^[25], 建立速度梯度与滑移的关系. ...

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拉拔过程中珠光体钢丝心部的织构演化规律及其对力学性能的影响*

THE TEXTURE EVOLUTION AT THE CENTER OF PEARLITIC STEEL WIRE DURING DRAWING AND ITS INFLUENCE ON THE MECHANICAL PROPERTIES

1 实验及模拟方法

1.1 实验方法

1.2 VPSC模型

2 结果和讨论

2.1 EBSD测试结果

2.2 VPSC模型计算结果

2.3 <110>丝织构体积分数的演变规律

2.4 <110>丝织构对钢丝心部力学性能的影响

3 结论

参考文献 文献选项 原文顺序 文献年度倒序 文中引用次数倒序 被引期刊影响因子

拉拔过程中珠光体钢丝心部的织构演化规律及其对力学性能的影响^*

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子