快速加熱工藝對冷拔珠光體鋼絲顯微組織與力學性能的影響

彭 滔，張 航，甘文英，周 正

（重慶大學材料科學與工程學院，重慶400040）

0 引 言

冷拔高碳珠光體鋼絲具有高的強度和良好的塑性、韌性，廣泛應用于橋梁纜索、汽車輪胎鋼簾線和彈簧等產品［1］，它一般是以共析點附近成分的高碳鋼為原料，經(jīng)軋制和索氏體化處理后獲得具有片層珠光體組織結構的盤條，然后再經(jīng)多道次連續(xù)冷拔變形得到具有納米尺度的滲碳體和鐵素體片層結構的鋼絲，之后再經(jīng)450℃左右的熱鍍鋅工藝制得［2］。通常認為高強度拉拔鋼絲經(jīng)熱鍍鋅處理后會導致強度下降，影響其使用性能。

在冷拔珠光體鋼絲等溫處理過程的初期，鐵素體片層中會析出細小的滲碳體顆粒，鋼絲強度有所上升，塑性急劇下降；等溫處理后期，滲碳體片層發(fā)生球化，析出相長大，并且鐵素體片層發(fā)生明顯的回復，鋼絲強度下降，塑性提高［2］。拉拔鋼絲在不同溫度退火熱處理的研究表明，在低溫退火階段，滲碳體片層局部溶解導致固溶強化［3］，隨后滲碳體又以顆粒狀在原始位置析出，引起彌散強化，致使鋼絲強度升高；溫度較高時，鋼絲中的承載相滲碳體片層球化程度增加，片層鐵素體發(fā)生明顯的回復，鋼絲強度逐漸降低，伸長率增加［2-5］。分析認為，熱鍍鋅不同于等溫處理和退火處理，而是類似于快速加熱至不同溫度后再冷卻的過程，故而采用快速加熱工藝來評估熱鍍鋅對冷拔珠光體鋼絲顯微組織與力學性能的影響更為合理。然而，從目前所查資料來看尚無此方面的相關報道。

為此，作者借助熱模擬試驗機，將冷拔珠光體鋼絲快速加熱至不同溫度后以相同的冷速冷卻的方法來模擬冷拔珠光體鋼絲的熱鍍鋅過程，研究了快速加熱工藝對冷拔珠光體鋼絲組織與力學性能的影響，以進一步認識熱鍍鋅可能對鋼絲組織及性能產生的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用材料是經(jīng)冷拔變形至φ7 mm 的珠光體鋼絲，其化學成分如表1 所示。采用Gleeble 1500型熱模擬試驗機對其以500 ℃·s-1的速率快速加熱至250，350，450，550，650 ℃，保溫1s后隨設備自然冷卻。

表1 試驗用鋼絲的化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of tested steel wire（mass）%

采用SHIMADZU AG-X 10KN 型拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為0.18mm·min-1，拉伸試樣經(jīng)電火花加工而成，尺寸如圖1所示；采用FEI Nova400型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察熱處理后鋼絲的橫截面形貌及拉伸斷口形貌；采用TECNAI20型透射電子顯微鏡（TEM）觀察拉拔態(tài)鋼絲橫縱截面的組織，工作電壓200kV；采用MH-5L型顯微硬度計測定熱處理后鋼絲的顯微硬度，加載載荷2.94N，保載時間10s。

圖1 拉伸試樣的尺寸Fig.1 Size of tensile sample

2 試驗結果與討論

2.1 力學性能

由圖2可以看出，隨快速加熱溫度的升高，鋼絲的抗拉強度先升后降，并在350 ℃時達到最大，為1 915 MPa，比冷拔態(tài)鋼絲的（1 720 MPa）增 加了11.3%；當溫度高于450 ℃時，抗拉強度急劇下降，到650 ℃時已降至1 300 MPa。顯微硬度的變化規(guī)律與抗拉強度的相似，也是隨快速加熱溫度的升高而先升后降，并在350 ℃時達到最大，為503 HV，在650 ℃時則降至372 HV；隨快速加熱溫度的升高，鋼絲的伸長率亦為先升后降，并在450℃達到最大，為8.36%，至650 ℃時伸長率雖然降低到了7.61%，但仍比冷拔態(tài)鋼絲的（6.3%）高。

圖2 試驗鋼絲力學性能隨快速加熱溫度的變化曲線Fig.2 Mechanical properties vs rapid heating temperature for tested steel wire：（a）tensile strength and microhardness vs temperature and（b）elongation vs temperature

圖2表明，當選擇的加熱溫度低于350℃時，在強度升高的同時，塑性表現(xiàn)為同步增加的趨勢。這種變化規(guī)律與常規(guī)的退火處理完全不同，說明其組織結構的變化與常規(guī)退火處理后的不同。

2.2 顯微組織

由圖3可見，冷拔態(tài)鋼絲的顯微組織為典型的片層狀結構，珠光體片層間距非常細小。

圖3 冷拔態(tài)鋼絲的TEM 形貌Fig.3 TEM images of cold drawned steel wire：（a）transverse section and（b）longitudinal section

由圖4可知，隨著快速加熱溫度的升高，斷續(xù)狀滲碳體顆粒所占比例逐漸增加。冷拔態(tài)鋼絲的顯微組織以片層狀珠光體為主，有極少量的滲碳體顆粒；加熱至350 ℃后，有些部分連續(xù)的片層狀滲碳體已經(jīng)變?yōu)轭w粒狀，如圖中曲線所包圍的區(qū)域，形成了一種片層狀和顆粒狀滲碳體混合的組織形態(tài)，但仍以片層珠光體為主；加熱至650 ℃后，片層狀珠光體組織已完全看不見，珠光體中的片層滲碳體已完全變?yōu)轭w粒狀，但仍能以這些斷續(xù)狀顆粒的排列形貌還原原始片層狀組織的形貌，如圖4中曲線所包圍的區(qū)域。

2.3 斷口形貌

由圖5可以看出，當快速加熱溫度低于450 ℃時，拉伸試樣的斷裂方式為剪切斷裂，高于450 ℃時，斷裂方式為縮頸斷裂。

由圖6可見，不同拉伸試樣的斷口上都有因滲碳體斷裂、聚合形成的舌狀花樣。通過對斷口相同部位的微觀組織進行統(tǒng)計比較，并對舌狀花樣的長度進行統(tǒng)計后可得圖7?？梢姡跀嗫谏贤瑫r呈現(xiàn)出大舌狀花樣和小舌狀花樣的混合狀態(tài)；隨著加熱溫度的升高，小尺寸舌狀花樣所占比例逐漸減小，大尺寸舌狀花樣的尺寸和數(shù)量均逐漸增加。當加熱溫度為350，450 ℃時，大、小舌狀花樣的分布較均勻，所占比例也比較接近。

2.4 討 論

圖4 冷拔態(tài)和快速加熱至不同溫度鋼絲橫截面的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of transverse section of steel wire in cold drawned state（a）and after rapid heating to different temperatures（b-f）

圖5 冷拔態(tài)和快速加熱至不同溫度鋼絲拉伸試樣的斷口宏觀形貌Fig.5 Fracture macrograph of steel wire tensile samples in cold drawned state（a）and after rapid heating to different temperatures（b-f）

圖6 冷拔態(tài)和快速加熱至不同溫度鋼絲的拉伸斷口SEM 形貌Fig.6 Tensile fracture SEM morphology of steel wire in cold drawned state（a）and after rapid heating to different temperatures（b-f）

圖7 冷拔態(tài)和快速加熱至不同溫度鋼絲拉伸斷口上舌狀花樣的尺寸分布Fig.7 Size distribution of ligule pattern on tensile fracture of steel wire in cold drawned state and after rapid heating to different temperatures

眾所周知，冷拔珠光體鋼絲的加工硬化曲線存在典型的指數(shù)行為［6-8］，因此在較大應變量下能得到非常高的強度。當冷拔應變大于1.51時，只有少量滲碳體發(fā)生溶解［9］，而試驗用冷拔鋼絲的應變較低（1.31），未引起滲碳體溶解，所以其強化比較符合Embury和Fisher提出的晶界強化理論［7］。目前，對于小應變冷拔鋼絲，晶界強化是解釋其具有高強度的較合理機理。而對于像具有大應變的鋼簾線，其強化機理為晶界強化、位錯強化和固溶強化三者的共同作用［10］。

已有研究表明，鋼絲在室溫～350 ℃范圍退火后，珠光體片層尺寸和片層內部的顯微內應力幾乎接近一個常數(shù)［11］，顯微組織的演變主要考慮的是滲碳體形態(tài)的演變。冷拔鋼絲在100～300 ℃保溫0.5h后［4，12］，隨溫度升高，強度升高，塑性降低。這是因為退火使溶解的碳原子以彌散的滲碳體形態(tài)在原始位置重新析出，彌散析出的滲碳體和位錯之間的相互作用是強度在這個溫度范圍內增加的主要原因［5］。而作者的試驗結果與之完全不同（隨溫度升高，抗拉強度和伸長率同時增大）。這可能與快速加熱及保溫時間短有關，由于加熱速率很高以及保溫時間極短，滲碳體只溶解不析出，滲碳體中的碳原子固溶到鐵素體中，位錯被碳原子釘扎而使強度升高，而此時片層狀滲碳體已經(jīng)變成了斷續(xù)狀，滲碳體和鐵素體的界面對位錯的釘扎作用開始緩解；位錯開始從斷續(xù)狀滲碳體片層間斷處繼續(xù)滑移，因此塑性也有所增加。這可能是因為試驗條件不同，所以導致了組織結構和性能演變的不同。

當選擇的加熱溫度高于350 ℃時，鋼絲又表現(xiàn)出了不同的力學性能規(guī)律。分析認為，隨著溫度的升高，滲碳體片層的溶解程度逐漸增加，固溶強化作用加強；但此時鐵素體和滲碳體的界面已被大量破壞，界面強化作用顯著減弱；當界面強化對強度的削弱程度超過了固溶強化對強度的貢獻時，強度開始迅速降低。隨著溫度的升高，鐵素體逐漸發(fā)生回復，塑性繼續(xù)增加［3-5］，隨著溫度的的進一步升高，鐵素體再結晶晶粒長大，塑性有所下降，但塑性仍然優(yōu)于冷拔態(tài)的。當加熱溫度為450 ℃時，鋼絲表現(xiàn)出了較好的綜合力學性能，此時斷口上大、小尺寸的舌狀花樣分布得均勻，所占比例也比較接近，這可能是其綜合力學性能優(yōu)良的原因，材料的性能由組織決定，那么這就與片層狀和顆粒狀滲碳體混合的組織形態(tài)有直接聯(lián)系，具體的聯(lián)系還有待進一步研究。

3 結 論

（1）隨快速加熱時溫度的升高，冷卻后鋼絲珠光體組織中的片層滲碳體溶解程度逐漸增大，斷續(xù)狀滲碳體顆粒逐漸增多，呈現(xiàn)出片層狀和顆粒狀滲碳體混合的珠光體組織；鋼絲的抗拉強度、硬度和伸長率均先升后降，最高分別為1 915 MPa，503 HV和8.36%，對應的溫度分別為350，350，450 ℃。

（2）冷拔態(tài)鋼絲快速加熱至450 ℃并冷卻后，組織中的滲碳體為片層狀和顆粒狀；拉伸斷口上呈現(xiàn)出大、小舌狀花樣的混合狀態(tài)；鋼絲具有較高的抗拉強度，同時兼具良好的塑性。

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