金属学报(中文版)  2018 , 54 (4): 494-500 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00274

Orginal Article

冷拉拔珠光体钢丝的力学性能各向异性研究

季培蓓, 周立初, 周雪峰, 方峰, 蒋建清

东南大学材料与科学工程学院 南京 211189

Study on Anisotropic Mechanical Properties of Cold Drawn Pearlitic Steel Wire

JI Peibei, ZHOU Lichu, ZHOU Xuefeng, FANG Feng, JIANG Jianqing

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

中图分类号:  TG142

文章编号:  0412-1961(2018)04-0494-07

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

责任编辑:  JI PeibeiZHOU LichuZHOU XuefengFANG FengJIANG Jianqing

收稿日期: 2017-07-5

网络出版日期:  2018-04-10

版权声明:  2018 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  国家自然科学基金项目No.51371050,江苏省六大人才高峰项目No.2015-XCL-004,江苏省产学研前瞻性研究项目No.BY2016076-08,江苏省重点研发计划项目No.BE2015097

作者简介:

作者简介 季培蓓,女,1993年生,硕士生

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摘要

利用拉伸试验机、SEM和TEM研究了冷拉拔珠光体钢丝力学性能的各向异性。结果表明,原始盘条(应变ε=0)中,各向抗拉强度相近;随着钢丝应变的增加,钢丝各向抗拉强度的差异逐渐明显。其中,平行于拉伸轴方向(P样品)和与拉伸轴呈45°方向(I样品)符合应变强化规律;垂直于拉伸轴方向(V样品)抗拉强度稳定在1320 MPa左右。形变钢丝中,平行方向抗拉强度最高,45°方向次之,垂直方向抗拉强度最低。原始盘条中,各向均发生穿晶断裂;形变钢丝中,平行方向的断裂机制为微孔聚集型,45°方向和垂直方向发生穿晶断裂或沿晶断裂。拉伸断口纵截面TEM像表明,平行方向上,位错均匀分布在铁素体片层中,各片层协调形变;垂直方向上,位错在铁素体/渗碳体界面处塞积缠结,产生应力集中直至断裂。表现出明显的各向异性。

关键词: 珠光体钢丝 ; 冷拉拔 ; 各向异性 ; 抗拉强度

Abstract

Cold drawn pearlitic steel wires with ultra-high strength are widely applied in industrial fields such as bridge cables, automobile tire and springs rope. In recent years, the strengthening mechanism and microstructure evolution have been profoundly studied. In order to investigate the influence of microstructure evolution on mechanical properties, the anisotropic mechanical properties of cold drawn pearlitic steel wires were investigated by tensile test, SEM and TEM. Results indicated that the distinctions of tensile strength between three directions (parallel to the tensile axis, inclined to the tensile axis (45°), vertical to the tensile axis) were amplified with increasing strain. The effect of strain strengthening was observed in parallel and inclined directions while the vertical direction remained strength stability in 1320 MPa. The wire rod was isotropic and the fracture mode was transgranular fracture; After cold drawing, the tensile strength reached peaks in parallel direction and valleys in vertical direction. The fracture mechanism of inclined and vertical directions remained transgranular or intergranular fracture while the fracture mechanism of parallel direction was converted into microvoid accumulation fracture. In TEM, the phenomenon was discovered that due to non-homogeneous distribution in vertical direction, dislocations piled up at the boundaries resulting in stress concentration. On the contrary, the dislocations were uniformly distributed which led to homogeneous transformation in parallel direction.

Keywords: pearlitic steel wire ; cold drawing ; anisotropy ; tensile strength

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季培蓓, 周立初, 周雪峰, 方峰, 蒋建清. 冷拉拔珠光体钢丝的力学性能各向异性研究[J]. 金属学报(中文版), 2018, 54(4): 494-500 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00274

JI Peibei, ZHOU Lichu, ZHOU Xuefeng, FANG Feng, JIANG Jianqing. Study on Anisotropic Mechanical Properties of Cold Drawn Pearlitic Steel Wire[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2018, 54(4): 494-500 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00274

超高强度钢丝一般是由热轧高碳钢盘条经过多道次连续冷拉拔制得的,因其兼有高强度和一定的韧性,被广泛应用于大桥缆索、子午线轮胎、航空航天等重要领域[1,2,3]。冷拉拔形变过程中,珠光体片层间距随应变量的变化、钢丝抗拉强度与应变的关系、珠光体团的结构演变等已被广泛研究。当拉拔应变小于1.5时,随着应变的增加,珠光体片层间距逐渐减小[4],钢丝抗拉强度上升[5,6],珠光体组织由初始的等轴状逐渐转变为平行于拉拔方向的纤维状[1,7]。当拉拔应变超过1.5后,可出现渗碳体分解现象,在铁素体片层间产生富C区[8,9,10,11]。研究[12]表明,大形变量钢丝经过低温退火后,非晶渗碳体再次晶化使强度进一步提高。目前,实验室已经得到抗拉强度为7 GPa的珠光体钢丝,这一强度已经接近Fe单晶强度的1/2[13]

冷拉拔过程中,铁素体中位错密度增加并形成强的<110>丝织构[14,15,16,17],珠光体片层逐渐平行于拉拔轴向。大形变钢丝中,珠光体片层高度择优取向,当应变ε≥1.5时,珠光体片层已基本平行于拉拔轴向[4]。珠光体片层取向的改变会对钢丝的变形机制产生显著的影响[18,19,20],珠光体片层的高度择优取向导致钢丝力学性能产生明显的各向异性[21,22,23],这对钢丝的力学性能应用产生较大影响。之前的研究主要针对的是裂纹不同的萌生与扩展方式,缺少对冷拉拔珠光体钢丝各向力学性能的具体研究。本工作以冷拉拔珠光体钢丝为研究对象,研究钢丝各向力学性能随应变的变化,并探讨了铁素体/渗碳体界面对钢丝力学性能各向异性的影响。

1 实验方法

研究所用材料为DLP97高碳钢盘条,其化学成分(质量分数,%)为:C 0.97,Si 1.20, Mn 0.20, Cr 0.40,P 0.005,Fe余量。盘条初始直径为14 mm,经过多道次冷拉拔之后制成直径7 mm的钢丝,钢丝总应变ε=1.4 (ε=ln(A0/A),其中,A0为原始盘条横截面面积,A为最终应变钢丝的横截面面积),总压缩率约为75%,平均道次压缩率约为18%。在各道次钢丝上截取3种方向的样品进行力学性能测试,分别为平行于拉伸轴方向(P)、与拉伸轴呈45°方向(I)、垂直于拉伸轴方向(V),如图1所示。力学性能测试在CMT4503微机控制电子万能试验机上进行,拉伸温度为25 ℃,拉伸速率为0.5 mm/min。由于拉伸样品尺寸有限,拉伸实验过程中需使用与拉伸机配套的夹具。拉伸实验后,在Sirion-400场发射扫描电子显微镜(SEM)下观察拉伸断口形貌、断口附近的微观组织及二次裂纹。在钢丝(ε=1.4)平行方向、垂直方向拉伸断口附近,截取约300 μm厚的纵截面薄片,磨至50 μm,并经过电解双喷得到透射电镜分析用样品。采用JEM 2100F型透射电子显微镜(TEM)进行分析。

图1   平行于拉伸轴方向、与拉伸轴呈45°方向和垂直于拉伸轴方向的拉伸样品示意图

Fig.1   Schematics of samples which is parallel to the tensile axis (P), 45°-inclined to the tensile axis (I) and vertical to the tensile axis (V)

2 实验结果

2.1 力学性能

不同方向冷拉拔珠光体钢丝样品的力学性能与应变的关系曲线如图2所示。可以看到,未经形变样品中,力学性能呈现各向同性,3个方向抗拉强度均约为1350 MPa。随着应变的增加,样品力学性能出现明显的各向异性。P样品抗拉强度由1350 MPa (ε=0)增加至1995 MPa (ε=1.4),符合应变强化规律。I样品的抗拉强度由1328 MPa (ε=0)增加至1650 MPa (ε=1.4),应变强化效果不及平行方向。V样品的抗拉强度一直维持在1320 MPa左右,没有明显的强化作用。

图2   样品各向力学性能与应变的关系曲线

Fig.2   Tensile strengths of the three directions (P, I and V) at different strains

图3为原始盘条(ε=0)和形变样品(ε=0.6、1.4)的各向工程应力-应变曲线(受初始预紧力影响,应力-应变曲线起点处存在误差)。当ε=0时,P试样在经过弹性变形阶段后有一定的屈服,屈服阶段样品发生不均匀塑性变形直至断裂;I和V试样的应力-应变曲线均出现较为明显的屈服平台,断裂前试样发生明显塑性变形。当ε=0.6时,P试样中,应力在到达抗拉强度之后开始下降,下降至下屈服点时试样断裂;I和V试样稍有屈服。当ε=1.4时,P试样在拉伸过程中仍有明显屈服;I试样稍有屈服;V试样基本无屈服,在弹性变形阶段发生断裂。随着应变的增大,P试样的应力-应变曲线一直有较明显的屈服;I和V试样的屈服现象逐渐消失,塑性不断下降。

图3   不同应变样品的各向工程应力-应变曲线

Fig.3   Engineering stress-strain curves of three directions (P, I and V) at the strains of 0 (a), 0.6 (b) and 1.4 (c)

2.2 珠光体微观组织演变

冷拉拔使样品中的珠光体由等轴状逐渐转变为平行于拉拔方向的纤维状,当应变达到1.5时,约97%的渗碳体片层已平行于拉拔轴向[4]。冷拉拔过程中,还伴随着珠光体片层间距的减小和强度的提高,渗碳体片层间距随着钢丝直径的减小而成比例地减小[5]图4是不同应变珠光体钢丝(ε=0、0.2、0.6和1.4)的纵截面SEM像。由图可知,当ε=0时,珠光体团呈等轴状,渗碳体片层方向各异。随着应变增加,珠光体片层逐渐转向拉拔轴向,片层间距也明显减薄。当ε=1.4时,珠光体片层已基本平行于拉拔轴向。经过大形变的冷拉拔形变后,珠光体组织形貌已经呈现了明显的各向异性。沿拉拔轴向,珠光体片层平行排列。垂直于拉拔轴向,铁素体与渗碳体交替排列。

图4   不同应变珠光体钢丝的纵截面SEM像

Fig.4   SEM images of cross-sections in pearlitic steel wire at the strains of 0 (a), 0.2 (b), 0.6 (c) and 1.4 (d)

图5是不同应变(ε=0、0.6和1.4)珠光体钢丝的纵截面TEM像。ε=0时,层片间距约为90 nm,铁素体内有少量位错(图5a)。当拉拔形变为0.6时,层片间距约70 nm,位错密度明显上升,形成一些位错胞,铁素体的位错被两侧的渗碳体钉扎(图5b)。形变增加到1.4时,层片已经减薄至约50 nm,此时铁素体中位错密度极高,且位错相互缠结,位错形态复杂(图5c)。随着应变的增加,片层间距减小、铁素体内位错密度提高。当ε=5.4时[24],珠光体的位错密度可达5×1016 m-2

图5   不同应变珠光体钢丝的纵截面TEM像

Fig.5   TEM images of cross-sections in pearlitic steel wire at the strains of 0 (a), 0.6 (b) and 1.4 (c)

2.3 拉伸断口分析

冷拉拔珠光体钢丝中,裂纹分为3种模式[21]:剪切裂纹、相界裂纹、晶界裂纹。这3种裂纹对应着3种断裂方式:微孔聚集型断裂、穿晶断裂、沿晶断裂。图6为不同应变钢丝的各向拉伸断口形貌。当ε=0时,P、I和V样品均发生穿晶断裂,图6a为P样品穿晶断口SEM像,I和V样品拉伸断口特征与图6a相似。穿晶断裂的产生是由于在粗大的珠光体团中,空位在相界面处产生导致结合力下降,故相界裂纹萌生。形变钢丝中,P、I和V样品的拉伸断裂机制出现差异。形变钢丝中,P样品发生微孔聚集型断裂(图6b),断裂过程是通过铁素体与渗碳体的交替开裂进行的,铁素体开裂时,裂纹尖端产生位错塞积,应力集中到一定程度后导致渗碳体开裂。I和V样品既可能发生穿晶断裂(图6c),也可能发生沿晶断裂(图6d),裂纹在铁素体/渗碳体界面处萌生,并沿着渗碳体片层方向扩展。

图6   不同应变钢丝的各向拉伸断口形貌

Fig.6   SEM images of cross-sections in fracture morphologies at different strains (ε)(a) ε=0 (sample P) (b) ε=1.4 (sample P) (c) ε=1.4 (sample I) (d) ε=1.4 (sample V)

拉伸断口的类型和珠光体片层与拉伸轴的位向关系有关。原始盘条中,珠光体团呈等轴状分布(图4a),晶界无明显取向,故裂纹在不利取向(垂直于拉伸应力)的相界处萌生。随应变增加,珠光体片层逐渐平行于拉拔轴向(图4d)。此时,P样品中的珠光体片层平行于拉伸轴方向,故铁素体/渗碳体界面平行于拉伸应力,铁素体/渗碳体界面处的应变不协调性降低,界面上的空位形成被抑制,各片层协调变形,这些因素导致剪切裂纹产生。V样品中,珠光体片层垂直于拉伸轴方向,铁素体/渗碳体界面垂直于拉伸应力,促进界面处空位形成,故裂纹在相界或晶界处萌生。I样品中,珠光体片层与拉伸轴呈45°,在垂直于珠光体片层方向上的分应力作用下,相界裂纹或晶界裂纹萌生,故I样品的抗拉强度高于V样品的抗拉强度。

图7ε=1.4时珠光体钢丝的各向拉伸断口纵截面SEM像。从图中可以看出,P样品中的珠光体片层发生切断,断口附近发生剧烈的局部变形导致渗碳体片层碎化(图7a)。在P样品中的远离拉伸断口处,渗碳体片层仍保持较为完整的片层状(图7b)。I样品中,裂纹在平行于渗碳体片层的方向上萌生并扩展,故样品沿着平行于渗碳体片层的方向发生断裂(图7c~e)。图7c中,I样品断口附近的渗碳体片层也发生碎化;图7e中,远离拉伸断口处的渗碳体仍保持完整的片层状。V样品中,裂纹同样在平行于片层的方向上萌生并扩展(图7f)。

图7   ε=1.4时钢丝的各向拉伸断口纵截面SEM像

Fig.7   SEM images of fracture morphologies at ε=1.4(a) near the fracture of sample P (b) away from the fracture of sample P (c) near the fracture of sample I (d) away from the fracture of sample I (crack propagation path) (e) away from the fracture of sample I (lamellar Fe3C) (f) away from the fracture of sample V

2.4 TEM观察

图8为P和V样品拉伸断裂后的TEM像(ε=1.4),其中,图8a和b分别为P样品拉伸断裂后的TEM明场像和暗场像。从明场和暗场像可以看出,此时铁素体中位错密度极高,且位错相互缠结,位错形态复杂,形成了一些位错胞的结构,铁素体的位错被两侧的渗碳体钉扎。位错均匀分布在各铁素体片层中,各片层沿拉拔方向产生协调形变。

图8   ε=1.4时钢丝的各向拉伸断口纵截面TEM像

Fig.8   TEM images of cross-sections in fractures at ε=1.4(a) bright field image of sample P (b) dark field image of sample P (c) bright field image of sample V

图8c为V样品拉伸断裂后珠光体组织中的位错组态TEM像。在垂直应力作用下,位错集中在少数片层中,位错运动无法穿越至相邻片层,两相界面隔断了应力连接。各向异性键合的界面并无金属键合界面的固有塑性,界面成为潜在的断裂位置。位错在界面处塞积缠结,形成应力集中,从而导致裂纹萌生,最终发生穿晶断裂或沿晶断裂。

3 分析讨论

冷拉拔珠光体钢丝中,珠光体是由片层状铁素体与片层状渗碳体组成的两相组织。冷拉拔过程中,珠光体片层逐渐平行于拉拔轴向。由于珠光体片层结构特点与形变组织的高度择优取向,冷拉拔珠光体钢丝的力学性能必然具有各向异性。单晶体中,其宏观性质受晶粒各向异性的影响。如多层薄膜中,由于不同材料相互交替沉积形成的多层结构特点,多层薄膜具有垂直磁各向异性[25]。多晶体内具有织构时,其宏观性质受到取向分布的影响。如冷轧Cu板中,由于晶体取向分布的影响,板准静态和动态压缩力学性能也呈现明显的各向异性[26]。不同于多层薄膜与冷轧Cu板,冷拉拔珠光体钢丝的宏观性质既与晶粒各向异性有关,也与晶体取向分布有关。

对比P、I和V样品的拉伸断口SEM像可知,P样品的断裂机制与I和V样品不同。拉伸实验中,拉伸应力平行于P样品的拉拔轴向。在此拉伸应力作用下,位错均匀分布在各铁素体片层中,各片层协调变形。断裂过程是通过铁素体与渗碳体的交替开裂而进行的,铁素体开裂时,裂纹尖端产生位错塞积,应力集中到一定程度后导致渗碳体开裂。根据Stroh的位错塞积理论[27]可知,位错塞积群的前方可以产生很大的应力集中,该应力与塞积群的方位角有关,在70.5°方向上最大,剪切裂纹更易萌生。随着应变的增加,渗碳体片层间距随着钢丝直径的减小而成比例的减小,钢丝屈服强度符合应变强化规律σε~kΔε-1/2,其中,σε是应变为ε时的屈服强度,k是Hall­Petch系数,Δε是渗碳体片层间距。

随钢丝应变增加,铁素体/渗碳体界面的体积分数Vi和表面积Ai均增加。当ε=3.6时,铁素体/渗碳体界面的体积分数可达12%[1],与渗碳体相的体积分数相当,故铁素体/渗碳体界面对大形变钢丝力学性能的影响不可忽视。拉伸实验中,拉伸应力垂直于V样品的拉拔轴向,即拉伸应力垂直于铁素体/渗碳体界面。铁素体相作为软韧相,对位错阻碍作用小;渗碳体相为硬脆相,对位错阻碍作用强。在这种软/硬相交替排列的结构中,对于从软相铁素体一侧碰撞界面的位错而言,界面阻碍作用较强。且铁素体/渗碳体界面属于非共格界面,对位错向相邻相运动的阻碍作用较强。垂直应力状态下,位错在铁素体片层中产生,受应力状态影响,位错无法沿铁素体片层运动,故位错在铁素体/渗碳体界面处塞积缠结,产生应力集中。当应力集中值超过铁素体/渗碳体界面结合力时,裂纹萌生并沿着片层方向扩展。形变钢丝中,铁素体/渗碳体界面处的应力集中还可能是造成扭转分层的因素之一。随着钢丝应变量进一步增加[8],渗碳体分解为多层结构:中心较大尺寸的渗碳体晶体,外层相对较小的渗碳体晶体以及最外层非晶态渗碳体层。此时,铁素体、渗碳体之间已无明显的界面,铁素体/渗碳体界面被过渡区取代,有利于减少应力集中。这对钢丝垂直方向上力学性能的影响有待进一步研究。

4 结论

(1) 冷拉拔珠光体钢丝具有力学性能各向异性。平行方向抗拉强度由ε=0时的1350 MPa增加至ε=1.4时的1995 MPa;45°方向抗拉强度由ε=0时的1328 MPa增加至ε=1.4时的1650 MPa;垂直方向无应变强化,抗拉强度值保持在1320 MPa左右。

(2) 各向断裂方式的差异与珠光体片层和拉伸轴的位向关系有关。平行方向上,剪切裂纹更易产生;45°方向与垂直方向上,裂纹在铁素体/渗碳体界面上萌生并沿着片层方向扩展。

(3) TEM观察发现,在平行方向样品中,位错均匀分布在铁素体片层中,各片层协调变形;垂直方向样品中,位错在铁素体/渗碳体界面处塞积缠结产生应力集中,故率先在界面处发生断裂。

(责任编辑:毕淑娟)

The authors have declared that no competing interests exist.


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