高速大应变冷拔钢丝的组织和力学性能

论文摘要

现代化工业应用的背景下,对钢丝制品高性能低成本化要求越来越高。而钢丝生产技术的快速发展,通过增大拉丝变形应变量的方法实现了钢丝的高强度化,并且随着钢丝拉拔技术的进步,拉丝速度越来越快,生产效率也日益升高。因此,现代钢丝生产主要是一个高速大应变的塑性变形问题。由于对这一客观的问题缺乏深度的理解与系统研究,故长期以来我国钢丝制品业的技术进步主要靠经验的摸索,缺乏有力的理论支撑。鉴于此,本文较为系统地研究了高速大应变工业生产条件下高碳（珠光体钢）钢丝拉拔形变过程,通过大量的形貌分析、微观分析、力学分析、统计分析和综合分析,发现了大应变量变形条件下高碳钢丝高强度的组织源泉,并根据这一认识开发制定了高强度中碳钢丝生产工艺。主要创新成果如下:研究了高碳钢（SWRH72A）从Φ5.5mm冷拉拔至Φ1.5mm左右的变形过程,综合分析了钢丝的组织和力学性能的变化情况。结果表明,形变后的钢丝,横截面上晶粒显著细化,而在纵截面上晶粒逐渐被拉长呈纤维状;其抗拉强度则随着形变量的增加而不断增加;形变前的珠光体团为随机取向,Fe3C片很平直;随着形变量的增加,Fe3C片逐渐转到与拉丝轴平行的方向上,基本与拉丝轴方向一致。珠光体片层间距随着拉丝应变量的增大而减小,应变量较大时（>1.5）,珠光体片层间距变化正比于exp （-ε/2）。SWRH72A钢丝强度随拉拔变形应变量增大而增大,并且应变量较大时,强度增长速度明显快于应变量较小阶段。初步分析珠光体钢丝强化机制得知,变形初期由于珠光体片层间距较大,其加工硬化符合Hall-Petch关系;应变量增大,珠光体片层间距随之减小,片层基本沿丝轴方向排列,铁素体片层厚度<100nm,类似于细片层叠层材料,其强化机制符合奥罗万（Orowan）机制,加工硬化率明显比变形初期高。珠光体钢（SWRH72A）大应变量拉拔变形形成的珠光体片层定向排列（沿丝轴）,片层间距极为细小（<100nm）的叠层结构,在塑性变形过程中表现极高的加工硬化率,为珠光体钢丝实现高强度化提供了组织保证。研究了经大应变量拉拔变形后SWRH72A钢丝的微观结构特点,在本文的实验条件下X射线光电子能谱（XPS）、磁学性能（VSM）、X-射线衍射分析（XRD）、差热扫描分析（DSC）的结果协同说明了SWRH72A钢丝经ε=2.60冷拉拔变形后约有20%的渗碳体分解了,并有部分碳原子进入于铁素体中形成过饱和铁素体。大应变量变形后钢丝在300℃以下回火30min,其高强度保持稳定。但回火温度进一步升高,钢丝叠层组织结构被破坏,钢丝强度迅速下降,这进一步说明珠光体钢单向薄片叠层结构是其获得高强度的组织保证。

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钢丝、钢丝绳制品业的现状及展望
• 1.1.1 钢丝制品行业的现状
• 1.1.2 钢丝制品行业的发展方向
• 1.2 钢丝、钢丝绳生产工艺
• 1.2.1 钢丝绳生产工艺流程
• 1.2.2 钢丝拉拔预处理
• 1.2.3 钢丝的拉拔
• 1.2.4 钢丝的热处理
• 1.3 钢丝拉拔变形研究
• 1.3.1 钢丝拉拔变形受力分析
• 1.3.2 钢丝拉拔组织变形研究
• 1.3.3 钢丝拉拔变形加工硬化现象研究
• 1.4 强塑性变形过程中第二相回溶现象的研究现状
• 1.4.1 强塑性变形中第二相的回溶现象
• 1.4.2 珠光体钢强塑性变形引起渗碳体分解现象研究
• 1.5 本章小结及本文研究内容
• 参考文献
• 第二章 试验材料与方法
• 2.1 研究路线
• 2.2 试验材料
• 2.3 钢丝力学性能测试
• 2.3.1 抗拉强度和面缩率
• 2.3.2 钢丝扭转性能测试
• 2.3.3 钢丝弯曲性能测试
• 2.4 断口分析
• 2.5 材料微观组织分析
• 2.5.1 组织观察
• 2.5.2 X 衍射分析
• 2.5.3 X 射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.6 差热扫描分析（DSC）
• 2.7 饱和磁化强度测试
• 参考文献
• 第三章 钢丝高速拉拔组织形变特征及力学性能演变规律
• 3.1 钢丝高速拉拔组织形变特征
• 3.1.1 金相分析
• 3.1.2 珠光体片层形态变化
• 3.1.3 TEM 分析
• 丝织构形成过程'>3.1.4 钢丝<110>丝织构形成过程
• 3.1.5 珠光体片层间距变化
• 3.2 钢丝高速拉拔力学性能演变规律
• 3.2.1 拉伸性能
• 3.2.2 冷拔珠光体钢丝强化机制分析
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 高速大应变拉拔变形珠光体钢丝组织稳定性研究
• 4.1 回火工艺对SWRH72A 钢丝组织性能的影响
• 4.1.1 回火温度对钢丝力学性能的影响
• 4.1.2 回火温度对钢丝微观组织的影响
• 4.2 大应变量变形引起珠光体钢中渗碳体分解问题研究
• 4.2.1 大应变量变形对SWRH72A 钢丝元素化学态的影响
• 4.2.2 大应变量变形钢丝VSM 分析
• 4.2.3 大应变量变形钢丝XRD 分析
• 4.2.4 差热扫描分析
• 4.3 渗碳体分解对钢丝力学性能的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 珠光体钢强塑性冷变形中渗碳体分解热动力学分析
• 5.1 强塑性变形引起渗碳体自由能变化
• 5.2 铁素体中平衡碳含量的增加
• 5.3 拉丝过程中钢丝温度的变化
• 5.4 碳原子在珠光体中的扩散
• 5.5 计算结果与讨论
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 高强度中碳钢丝绳生产工艺研究
• 6.1 中碳钢丝拉拔组织变形和力学性能变化规律
• 6.2 中碳钢组织优化设计
• 6.3 中碳钢拉丝模具设计的优化
• 6.3.1 J 积分与模具顶角的关系
• 6.3.2 J 积分与摩擦系数的关系
• 6.3.3 拉丝模具设计改进措施
• 6.4 高性能中碳钢丝绳产业化情况
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 发表论文和取得的科研成果