2000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線組織性能調(diào)控研究現(xiàn)狀

王海賓 傅超 狄增文 王建忠 李娜 蔣波

關(guān)鍵詞：鋼絞線；超高強度；組織性能；控軋控冷；拉拔；穩(wěn)定化處理

0 引言

預應(yīng)力鋼絞線是由2、3、7或19根高強度鋼絲構(gòu)成的絞合鋼纜，并經(jīng)消除應(yīng)力處理（穩(wěn)定化處理），是預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中重要的鋼鐵結(jié)構(gòu)材料，也是中國金屬制品行業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵產(chǎn)品，具有高強度、高韌性、良好的抗疲勞性能、低松弛性能等特點，廣泛應(yīng)用于高層建筑、公路橋梁、城市高架、鐵道工程、礦山坑道等工程建設(shè)項目。隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展和對基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的大量投資，高速公路、鐵路等公共設(shè)施逐漸向偏遠山區(qū)不斷擴展，部分地區(qū)因地質(zhì)條件復雜急需架設(shè)更大跨度的橋梁，因此對橋梁高強度、輕量化提出了更高要求，對應(yīng)用于橋梁纜索的鋼絞線的力學性能（抗拉強度、伸長率、應(yīng)力松弛性能等）、應(yīng)力腐蝕性能等方面的要求也在不斷提高。

通常認為抗拉強度在1470～1860 MPa為高強度級別，抗拉強度在1860 MPa以上為超高強度級別。使用超高強度鋼絞線能夠縮短工期、節(jié)約鋼材用量與混凝土保護層厚度，減輕結(jié)構(gòu)自重，最大限度地減少工作量，具有高效、節(jié)能、經(jīng)濟、低碳等優(yōu)勢。目前中國應(yīng)用普遍的預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品強度級別均局限在1860 MPa，其強度和綜合性能逐漸無法滿足使用要求，急需開發(fā)更高強度、綜合性能更好的超高強鋼絞線產(chǎn)品。近年來，國內(nèi)諸多鋼廠正在嘗試開發(fā)2000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線，但由于超高強度鋼絲盤條強度高，造成拉拔困難，且拉拔時會產(chǎn)生大量的加工硬化，內(nèi)部容易產(chǎn)生拉拔損傷，使其服役過程中表面易出現(xiàn)微裂紋，產(chǎn)生應(yīng)力集中、裂紋擴展而造成斷線；此外，強度的提高往往帶來塑性及綜合性能的降低，增大了2000 MPa級以上超高強鋼絞線的研發(fā)難度。同時，由于缺乏對鋼絞線生產(chǎn)用盤條組織性能明確的控制目標，以及對鋼絞線生產(chǎn)工藝及組織性能調(diào)控手段不清楚，無法同時兼顧鋼絞線的強韌性、應(yīng)力松弛性能和應(yīng)力腐蝕性能等性能，尚未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，筆者總結(jié)了國內(nèi)外超高強鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀，從成分設(shè)計、顯微組織和力學性能方面闡明其調(diào)控范圍與目標，提出了超高強鋼絞線原料盤條的成分設(shè)計優(yōu)化、組織調(diào)控和控軋控冷工藝參數(shù)控制關(guān)鍵，為保證鋼絞線最終組織性能的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。此外，針對盤條后續(xù)冷拉拔和穩(wěn)定化處理過程中的組織性能影響規(guī)律及工藝參數(shù)（拉拔模具半角、面縮率分配、回火溫度等）調(diào)控關(guān)鍵進行討論，為進一步提高其綜合性能提供方向，實現(xiàn)超高強度預應(yīng)力鋼絞線的開發(fā)。最后對國內(nèi)超高強預應(yīng)力鋼絞線研究及生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵問題進行總結(jié)，提出超高強鋼絞線開發(fā)的發(fā)展趨勢，旨在為2000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線的產(chǎn)業(yè)化提供方向。

1 國內(nèi)外超高強預應(yīng)力鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外超高強預應(yīng)力鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀

國外鋼絞線應(yīng)用較早，20世紀中期，一些生產(chǎn)鋼絲繩的歐美企業(yè)開發(fā)了預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品，德國于1953年發(fā)布了預應(yīng)力鋼材的標準，隨后英國、瑞士、美國等國家也相繼出臺相關(guān)標準。

20世紀60年代，日本開發(fā)出預應(yīng)力鋼棒，1980年左右美國開發(fā)出環(huán)氧樹脂涂層預應(yīng)力鋼絞線。20世紀末，隨著高速公路、橋梁、港口碼頭及高層建筑等建設(shè)項目的高速推進，預應(yīng)力混凝土用鋼絞線行業(yè)得到了快速的發(fā)展，鋼絞線的強度級別主要有1 770、1 860、1 960 MPa級別，并逐漸向2 000 MPa及以上級別發(fā)展。20世紀90年代，日本新日鐵公司通過Si、Cr等合金化手段生產(chǎn)了92A和97A盤條，并成功試制2 300 MPa級預應(yīng)力鋼絞線。進入21世紀以來，國外預應(yīng)力鋼絞線向高性能多功能方向發(fā)展，歐美、日、韓等地區(qū)和國家相繼研制成功2 160、2 230、2 360 MPa級鋼絞線并統(tǒng)稱為“超高強鋼絞線”，除強度高外，其彎曲、松弛、疲勞及抗腐蝕性能均滿足預應(yīng)力鋼絞線標準要求。到目前，日本住友電工已經(jīng)生產(chǎn)出強度級別高達2 300 MPa的超高強度填充型環(huán)氧涂層鋼絞線，并已應(yīng)用于東京的橋梁工程建設(shè)；韓國高麗制鋼也已研發(fā)成功2 360 MPa級預應(yīng)力鋼絞線并率先將其納入韓國標準KSD7002中，進一步推動了該級別鋼絞線在橋梁和儲罐結(jié)構(gòu)建設(shè)的工程應(yīng)用。國際上2 300 MPa級預應(yīng)力鋼絞線也得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)超高強預應(yīng)力鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀

中國預應(yīng)力混凝土鋼絞線技術(shù)發(fā)展于20世紀50年代，當時國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備及工藝水平較落后，自動化程度較低，為解決現(xiàn)代化建設(shè)與基礎(chǔ)建筑材料匱乏的矛盾，自主研發(fā)出強度1 500～1 600 MPa級的預應(yīng)力鋼絲，標志著中國預應(yīng)力混凝土產(chǎn)品的正式誕生。20世紀70年代是中國預應(yīng)力鋼材生產(chǎn)的起步階段，生產(chǎn)工藝水平較低，盤條采用鉛淬火熱處理，使用單個模具進行多次拉拔，之后進行矯直回火熱處理，獲得普通松弛預應(yīng)力鋼絞線等產(chǎn)品。20世紀80年代，中國引進了低松弛預應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)線，利用穩(wěn)定化處理工藝代替鉛浴淬火熱處理工藝；經(jīng)穩(wěn)定化處理后鋼材松弛值降低到2.5%以下，制造出了抗拉強度高、輕質(zhì)化、安全性高的低松弛預應(yīng)力鋼絞線，標志著中國預應(yīng)力鋼絞線行業(yè)的重大產(chǎn)業(yè)升級。1996年起，國內(nèi)通過引進先進的生產(chǎn)設(shè)備和熱軋高碳鋼絲材料進行試生產(chǎn)，對1 860 MPa級預應(yīng)力鋼絞線用熱軋鋼絲坯材冶煉過程、冷拉拔過程中出現(xiàn)的拉絲斷裂過程又進行了失效分析和組織分析，基本實現(xiàn)了1 860 MPa級預應(yīng)力鋼絞線的國產(chǎn)化。

近年來，隨著中國經(jīng)濟水平提高和基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對鋼絞線的強度及其他綜合性能都提出了更高的要求，1 860 MPa級鋼絞線已經(jīng)無法滿足使用需要，開發(fā)更高強度的鋼絞線刻不容緩。同時，新國標GB/T 5224—2023中對不同規(guī)格的2 000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線的抗拉強度、伸長率、應(yīng)力松弛率和應(yīng)力腐蝕斷裂時間等性能指標都做出了規(guī)定，具體見表1。國內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)嘗試開發(fā)2 000 MPa級以上預應(yīng)力鋼絞線。根據(jù)文獻報導，鞍鋼通過在熱鍍鋅時添加Si、Cr等元素，并用在線水浴冷卻和出水緩冷工藝取代了目前常用的離線鹽浴或鉛浴工藝，成功開發(fā)出了2 300 MPa級PC（預應(yīng)力混凝土）鋼絞線。包鋼在合理優(yōu)化合金成分基礎(chǔ)上，通過調(diào)整盤條冶煉和控軋控冷工藝參數(shù)生產(chǎn)出抗拉強度為1 406～1 436 MPa的BG87盤條，后續(xù)經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理后成功生產(chǎn)出抗拉強度為2 347～2 367 MPa的成品鋼絞線，實現(xiàn)了2 300 MPa級別高強鋼絞線的突破；江蘇法爾勝公司也已進行了2 360 MPa級預應(yīng)力鋼絞線的試制工作。然而，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的超高強鋼絞線仍存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，無法同時兼顧鋼絞線的強韌性、應(yīng)力松弛性能和應(yīng)力腐蝕性能等綜合性能，尚未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)和應(yīng)用。

2 超高強預應(yīng)力鋼絞線成分設(shè)計關(guān)鍵

2.1 超高強預應(yīng)力鋼絞線成分設(shè)計思路

預應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)所用原料為高碳鋼盤條，調(diào)控合金元素是提高高碳鋼盤條性能的主要途徑，利用合金元素可以實現(xiàn)固溶強化、析出強化、細晶強化以及細化珠光體片層結(jié)構(gòu)的作用，達到提高盤條強度和塑性的目的。

根據(jù)文獻調(diào)研，諸多元素均可以影響超高強鋼絞線的綜合性能。提高超高強鋼絞線中C含量可以增加C對固溶體的強化作用、增加滲碳體比例，從而提高強度；但是C含量的增加會使材料成分更加偏離共析點，后續(xù)索氏體化組織控制更加困難。Mn能固溶于鐵素體中起到固溶強化作用，還可以降低珠光體相變溫度，使珠光體相變在較低的溫度下進行，細化盤條的組織和片層結(jié)構(gòu)，從而提高強度和塑性；但Mn元素容易在鋼中產(chǎn)生偏析，增大貝氏體、馬氏體等低溫組織形成傾向，降低盤條拉拔性能。Si在鋼中以固溶形態(tài)存在，可在鐵素體上形成置換固溶體，具有極強的強化作用；同時Si在鐵素體/滲碳體界面的富集有助于防止?jié)B碳體在熱處理過程中的溶解碎化及球化，抑制網(wǎng)狀滲碳體的形成；但Si含量過高則容易造成脫碳，降低盤條的韌性及塑性，也會形成更多的硅酸鹽化合物造成拉拔時更易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象；此外，Si元素的加入還會使得珠光體相變溫度升高，不利于獲得均勻細小的片層組織，影響鋼絞線產(chǎn)品的強度與韌性，所以要合理控制Si元素的含量。Cr可以使鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線右移，使珠光體相變溫度降低，細化珠光體片層間距，提高索氏體化率，從而提高鋼材的強度和拉拔時的加工硬化率，減少盤條在拉拔過程中斷絲現(xiàn)象的出現(xiàn)；但Cr含量過高易造成成分偏析，在鋼材芯部產(chǎn)生貝氏體、馬氏體等異常組織，降低盤條拉拔性能。V可以在鑄坯加熱過程中固溶到鋼中，在軋制冷卻相變時以更細小的碳氮化物析出，對鋼有顯著的強化效果；其次，V元素能抑制高碳鋼晶界網(wǎng)狀滲碳體析出，降低鋼絲拉拔時的應(yīng)變時效，提高鋼絞線抗應(yīng)力腐蝕性能。B在鋼中主要以固溶形態(tài)存在，可以提高鋼的淬透性，增大珠光體形成傾向，細化珠光體片層間距，從而提高盤條強度；同時，B與鋼中N元素結(jié)合，能夠降低鋼絲拉拔時的應(yīng)變時效，提高鋼絞線抗應(yīng)力腐蝕性能。綜上，C、Si、Mn、Cr、V、B等元素均對超高強鋼絞線的綜合性能有著重要的影響，提高元素含量可以獲得理想的顯微組織與性能，但元素含量過高則會導致偏析和異常組織的出現(xiàn)，對性能造成不利影響。因此，應(yīng)通過合理調(diào)控以上合金元素的含量來獲得組織性能符合要求的超高強預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品。

2.2 超高強預應(yīng)力鋼絞線成分設(shè)計現(xiàn)狀與目標

國內(nèi)外眾多廠家及學者通過合金元素的優(yōu)化來提高盤條性能，從而得到了綜合性能優(yōu)良的超高強預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品，國內(nèi)外典型鋼絞線用鋼化學成分對比見表2。

包鋼自主設(shè)計的2 300 MPa級超高強鋼絞線用鋼主要采用Cr、V強化，并調(diào)整了后續(xù)盤條生產(chǎn)過程中的控軋控冷工藝參數(shù)，成功制得抗拉強度為1 406～1 436 MPa的?14 mm規(guī)格BG87超高強鋼絞線原料盤條。該盤條經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理后制得的鋼絞線產(chǎn)品抗拉強度為2 347～2 367 MPa，實現(xiàn)了2 300 MPa級別超高強鋼絞線的突破。中國重型機械研究院在SWRS82B盤條成分的基礎(chǔ)上提高C、Si元素質(zhì)量分數(shù)，并控制Cr元素質(zhì)量分數(shù)在0.30%以下，成功開發(fā)出SWRS92Si盤條。后續(xù)對SWRS92Si盤條采用鹽浴熱處理工藝進行強度和韌性的進一步提升，使盤條抗拉強度超過1 500 MPa，最終制得的鋼絞線抗拉強度普遍在2 168 MPa以上，平均斷后伸長率為5.4%，滿足2 160 MPa級橋梁纜索用鋼絲要求。甘肅產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院的侯杰文等選用新型87Si材料制造的熱軋圓盤條為原料，該盤條在傳統(tǒng)SWRH82B盤條基礎(chǔ)上提高盤條中的C、Mn、Si元素含量并加入適量Cr和V，同時優(yōu)化了鋼絲拉拔和穩(wěn)定化處理工藝，制得規(guī)格為? 5.08 mm邊絲+?5.25 mm芯絲的超高強鋼絞線，其平均抗拉強度超過2 300 MPa，1 000 h應(yīng)力松弛率也減小到了1.51%，其他各項指標均高于國家標準對2 260 MPa級鋼絞線產(chǎn)品的技術(shù)要求。沙鋼在SWRH82B盤條基礎(chǔ)上設(shè)計和研究了2種超高強度預應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用盤條87A和90A，90A盤條的C、Si元素含量均高于87A盤條，Mn、Cr、V等元素含量相差不大；87A和90A盤條的平均抗拉強度分別達到1 417 MPa和1 475 MPa，平均面縮率分別達到39%和32%，經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理后制得的鋼絞線產(chǎn)品抗拉強度分別達到2 271 MPa和2 338 MPa，可滿足2 200及2 300 MPa級預應(yīng)力鋼絞線的使用要求。鞍鋼通過提高盤條中C、Mn、Si、Cr、V等元素含量并添加適量B元素，同時采用水浴韌化處理替代風冷，成功生產(chǎn)出抗拉強度為2 300～2 400 MPa的超高強抗應(yīng)力腐蝕鋼絞線產(chǎn)品。HAN K等研究了合金元素的添加對超高強鋼絞線力學性能的影響，在原來高碳鋼盤條成分基礎(chǔ)上提高C、Si、V等元素的含量制得95Si盤條。結(jié)果表明Si和V的添加可抑制連續(xù)晶界滲碳體網(wǎng)絡(luò)形成，提高盤條強度和冷拔延展性，最終成功制得強度為2 540 MPa的超高強預應(yīng)力鋼絞線。

從國內(nèi)外2 000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線的成分設(shè)計思路來看，一般通過提高原料盤條中的C、Si、Mn元素含量，并適量添加Cr、V、B元素來實現(xiàn)鋼絞線產(chǎn)品強度、塑性及抗應(yīng)力腐蝕性能的提高，各元素的控制范圍總結(jié)見表3。

3 超高強預應(yīng)力鋼絞線組織性能研究現(xiàn)狀

3.1 超高強預應(yīng)力鋼絞線盤條組織性能控制目標

獲得各性能符合要求的2 000 MPa級以上的超高強預應(yīng)力鋼絞線，控制生產(chǎn)鋼絞線用盤條的顯微組織是關(guān)鍵。不同冷卻方式盤條的顯微組織如圖1所示，其中，中國重型機械研究院的馬海寬等將盤條控制冷卻的風冷替換為鹽浴處理，在SWRS82B盤條的基礎(chǔ)上設(shè)計研發(fā)出了SWRS92Si盤條，其顯微組織對比如圖1（a）和（b）所示。該盤條組織為索氏體與珠光體組織，珠光體團尺寸細小、片層均勻，索氏體化率達到了95%～98%以上，盤條強度達到了1 500 MPa以上。以該盤條為原料生產(chǎn)的鋼絲抗拉強度普遍在2 160 MPa以上，平均斷后伸長率為5.4%，滿足國家標準要求。沙鋼的胡磊等在82B盤條的基礎(chǔ)上開發(fā)了規(guī)格為?13 mm的90A高碳鋼盤條，盤條組織為珠光體與索氏體組織，索氏體組織比例達到了90%以上，且無明顯的馬氏體和網(wǎng)狀滲碳體等有害組織，盤條的平均珠光體片層間距為79 μm，明顯小于82B盤條的珠光體片層間距（約120 μm），盤條的抗拉強度也達到了1 475 MPa。盤條經(jīng)過8個道次拉拔后，得到規(guī)格為?5.1 mm的鋼絲產(chǎn)品，其抗拉強度達2 338 MPa，滿足

2 300 MPa級預應(yīng)力鋼絞線的使用要求。江陰興澄特鋼公司自主研發(fā)出盤條在線水浴韌化處理技術(shù)，實現(xiàn)了盤條在相變溫度前快速冷卻。斯特爾摩風冷與在線水浴冷卻后盤條的顯微組織對比如圖1（c）和（d）所示。經(jīng)在線水浴處理的盤條索氏體片層排列整齊，間距極小，在100～150 nm之間，且索氏體組織體積分數(shù)超過90%。該廠家通過上述技術(shù)已批量生產(chǎn)2 100 MPa級橋梁纜索用盤條，并成功研制出2 300 MPa級鋼絞線用盤條。另外，對鋼絞線生產(chǎn)企業(yè)來說，除了保證鋼絞線產(chǎn)品的力學性能，優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能與低的拉拔斷絲率也是至關(guān)重要的。鞍鋼在合理優(yōu)化成分設(shè)計的基礎(chǔ)上改進了超高強鋼絞線原料盤條的生產(chǎn)工藝，用鹽浴處理代替風冷，消除了風冷速不均帶來的不良組織和通條性能差異過大問題，實現(xiàn)了盤條的快速冷卻和等溫轉(zhuǎn)變。索氏體為生產(chǎn)盤條的主要組織且體積分數(shù)大于90%，片層間距小于120 nm，無網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等低溫組織，經(jīng)試驗測得該盤條的抗拉強度達到了1 400～1 450 MPa。規(guī)格為?13 mm的盤條經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理獲得的?15.2 mm成品鋼絞線產(chǎn)品的抗拉強度達到了2 300～2 400 MPa，斷后伸長率為4.0%～5.5%，且應(yīng)力腐蝕試驗中值時間為5.5～6.0 h，各性能均達到了國家2 000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線的標準要求。

綜上可知，超高強預應(yīng)力鋼絞線原料盤條的顯微組織一般為索氏體和珠光體的混合組織，不含網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等低溫組織，且索氏體組織所占比例極高、片層間距較小，使其具備了極高的抗拉強度、良好的塑性和出色的抗應(yīng)力腐蝕性能。因此，要想獲得目標性能的超高強鋼絞線產(chǎn)品，控制其生產(chǎn)原料盤條的高索氏體化率與細小的珠光體片層間距是關(guān)鍵，還要保證盤條晶粒均勻、潔凈度高、不含網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等有害組織。

3.2 超高強預應(yīng)力鋼絞線冷拉拔過程組織演變及性能影響機理

3.2.1 超高強預應(yīng)力鋼絞線冷拉拔過程組織演變

高碳鋼原料盤條生產(chǎn)后會進行多道次的冷拉拔過程來提高其強度，該過程中產(chǎn)生的加工硬化會使鋼絲的內(nèi)部組織與力學性能發(fā)生巨大的變化。在鋼絲的冷拉拔過程中會發(fā)生一系列的顯微組織演變，包括滲碳體分解、織構(gòu)形成和珠光體片層間距減小等，均會使鋼絲的強度顯著增加。

諸多學者對高碳鋼盤條多道次冷拉拔過程中的組織演變進行了研究。陶建春研究了高碳鋼珠光體盤條8道次冷拉拔過程中的組織演變，不同拉伸應(yīng)變下高碳鋼絲的顯微組織如圖2所示（圖中箭頭為鋼絲拉拔方向）。可以看出，鋼絲冷拉拔前（拉伸應(yīng)變量ε=0），珠光體團邊界和晶界清晰，珠光體片層隨機生長，如圖2（a）所示；拉拔變形初期（ε<1.0），取向各異的珠光體團開始發(fā)生旋轉(zhuǎn)，取向與拉拔方向開始趨于一致，組織開始出現(xiàn)方向性，珠光體片層間距隨著應(yīng)變量的增大而不斷減小，如圖2（b）所示；拉拔變形中期（1.0≤ε≤1.5），組織方向性明顯，平行于拉拔方向的滲碳體片層進一步細化，垂直于鋼絲拉拔方向的滲碳體片層發(fā)生彎曲和扭折，如圖2（c）和（d）所示；拉拔變形后期（ε>1.5），珠光體團基本已沿一個方向排列，片層間距進一步減?。徊煌幌虻臐B碳體片層與拉拔方向呈一定角度排列，部分片層已經(jīng)扭曲甚至斷裂，如圖2（e）和（f）所示，最終形成典型的纖維狀拉拔組織。

FANG F等研究了珠光體鋼絲冷拉拔過程中的織構(gòu)演變，不同拉伸應(yīng)變量下珠光體鋼絲的反極圖如圖3所示。拉拔前原始盤條中存在較弱的鐵素體相〈110〉織構(gòu)，隨著拉拔應(yīng)變量的增大，〈110〉取向強化并占據(jù)主導地位。珠光體鋼絲拉拔過程組織演變與鐵素體相〈110〉織構(gòu)強度變化如圖4所示，可明顯分為3個階段：拉拔初期〈110〉織構(gòu)強度增加較為緩慢，此階段主要是與拉拔方向相交角度較小的珠光體團簇向拉拔方向傾斜；拉拔中期〈110〉織構(gòu)強度隨著拉拔變形量增大而迅速增加，此階段與拉拔方向相交角度較大的珠光體團簇向拉拔方向發(fā)生彎曲；拉拔后期〈110〉織構(gòu)強度增加極為緩慢，此階段彎曲的滲碳體平行于拉拔方向排列，〈110〉織構(gòu)發(fā)生飽和。

此外，F(xiàn)ANG F等還研究了珠光體鋼絲拉拔過程中滲碳體的變形機制，如圖5所示。拉拔前（ε=0）高碳鋼原料盤條內(nèi)組織形貌如圖5（a）和（b）所示，滲碳體具有高度有序的晶格結(jié)構(gòu)，且滲碳體衍射圖表明此時的片層狀滲碳體為單晶結(jié)構(gòu)，滲碳體與鐵素體界面具有明顯的相干性，鐵素體中的位錯能夠以很小的阻力通過界面滑動進入滲碳體；低應(yīng)變量（ε=0.5）下珠光體鋼絲中片層狀鐵素體/滲碳體結(jié)構(gòu)如圖5（c）和（d）所示，衍射圖譜中多組衍射斑的出現(xiàn)表明單晶滲碳體已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)，此時滲碳體的原子排列高度有序，只發(fā)生少量的晶格錯配；中等應(yīng)變量（ε=1.6）拉拔后滲碳體片層形貌如圖5（e）所示，此時嚴重變形的滲碳體片層中出現(xiàn)了高角度邊界的亞晶，鐵素體/滲碳體界面的相干性顯著降低，通過鐵素體移動的位錯被堵塞并堆積在滲碳體邊界上；高應(yīng)變量（ε=2.6）拉拔后滲碳體片層形貌如圖5（f）所示，此時滲碳體內(nèi)形成了3個不同的亞層，且其最外層沒有衍射斑，說明此時滲碳體的外層區(qū)域已轉(zhuǎn)變成了非晶態(tài)。

3.2.2 超高強預應(yīng)力鋼絞線盤條冷拉拔過程性能影響機理

為了使超高強鋼絞線用鋼絲具有優(yōu)異的強塑性，以保證在捻股過程中有良好的扭轉(zhuǎn)性能，且使生產(chǎn)出的鋼絞線滿足國標對超高強鋼絞線綜合力學性能的要求，鋼絲在拉拔過程中組織的強化、損傷控制以及變形的均勻性十分重要。陳煥友等研究指出，鋼絲拉拔過程的強化機制主要有3種：珠光體的片層邊界強化、鐵素體內(nèi)的位錯強化和滲碳體溶解的固溶強化。GEORGE L修正了前人的結(jié)論，證實了屈服強度與珠光體平均片層間距存在Hall-Petch關(guān)系。ZHANG X D等在前人研究基礎(chǔ)上提出了精確的邊界強化應(yīng)力（σb）計算公式，如式（1）所示。

σb = Kd-0.5（1）

式中：K為修正系數(shù)，一般取值為0.31 MPa·m0.5；d為珠光體平均片層間距。

位錯強化應(yīng)力（σρ）可由式（2）表示。

（2）

式中：α為常數(shù)，一般取值0.24；M為平均泰勒常數(shù)，一般取值為2；G為鐵素體的剪切模量，一般取77.5 GPa； b為柏氏矢量，一般取0.248 nm； ρ為位錯密度。

陳煥友等研究指出，在拉拔前期對總強度的貢獻占主導作用的是邊界強化，結(jié)合式（1）可知，邊界強化對總強度的貢獻隨拉拔過程的進行而逐漸增大。隨著拉拔總應(yīng)變量的增大，鐵素體內(nèi)部的位錯逐漸從單滑移階段轉(zhuǎn)變到多滑移階段，位錯密度顯著增加并且位錯之間發(fā)生互相纏結(jié)，最終發(fā)展為位錯胞等不易滑移的組態(tài)。結(jié)合式（2）可知，拉拔中期位錯強化對鋼絲總強度的貢獻顯著增大。根據(jù)藍鵬等的研究，滲碳體的片層間距隨著拉拔應(yīng)變量的不斷增大而逐漸減小，使得總的界面能增加，導致組織處于一種亞穩(wěn)定的狀態(tài)，促進了碳原子擴散到鐵素體中，固溶強化作用增強；同時碳原子會聚集到位錯周圍形成柯氏氣團，從而釘扎位錯的運動。

圖6所示為高碳鋼絲拉拔過程的組織演變示意圖。結(jié)合拉拔過程組織演變分析可知，高碳鋼絲多道次拉拔過程力學性能演變大致可分為3個階段：第1階段為拉拔初期，隨著應(yīng)變量的增加，取向各異的珠光體團發(fā)生協(xié)調(diào)變形并向拉拔方向運動，珠光體片層間距隨著應(yīng)變量的加大而不斷減小，邊界強化效果不斷增強，如圖6中b所示。此階段拉拔應(yīng)變量較低，鋼絲內(nèi)部位錯密度較小，且此時滲碳體為單晶結(jié)構(gòu)，鐵素體與滲碳體界面的相干性較高，鐵素體中的位錯可以輕易地通過界面滑動進入滲碳體，位錯強化效果輕微，邊界強化對拉拔總強度的貢獻占據(jù)主導作用。第2階段為拉拔中期，隨著拉拔應(yīng)變量的進一步增大，組織方向性更加明顯，部分珠光體片層發(fā)生扭折、彎曲甚至斷裂，滲碳體片層進一步細化。此階段鐵素體內(nèi)位錯密度顯著增加，位錯之間互相纏結(jié)并發(fā)展為位錯胞。此外，隨著珠光體片層減薄，滲碳體逐漸發(fā)展為多晶形態(tài)，鐵素體與滲碳體界面的相干性降低，使得位錯運動的阻力顯著增大，大量位錯堆積在鐵素體界面處，位錯強化對拉拔總強度的貢獻明顯增大，如圖6中c所示。第3階段為拉拔后期，珠光體團基本上已沿一個方向排列，片層間距進一步減小，不同位向的滲碳體片層與拉拔方向呈一定角度排列，由于此時鋼絲的應(yīng)變量相對較大，部分片層已經(jīng)扭曲甚至斷裂。此階段滲碳體由多晶結(jié)構(gòu)向非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，鐵素體與滲碳體界面的相干性再次降低，對位錯運動的阻力進一步增大，位錯強化進一步增強。此外，滲碳體片層間距的減小導致總的界面能不斷增加，使組織處于亞穩(wěn)定的狀態(tài)從而促進碳原子的擴散，碳原子聚集到位錯周圍形成柯氏氣團，釘扎位錯的運動，進一步提升鋼絲的強度，如圖6中d所示。

拉拔過程中，隨著拉拔過程的進行，珠光體片層間距逐漸減小，對于提高珠光體組織鋼絲的塑性有利。而根據(jù)李本寧的研究可知，由于盤條內(nèi)部不可避免地存在著一些組織微損傷（微孔洞、偏析、夾雜物等），其在變形過程中會隨著拉拔的進行而逐漸拉長、聚集長大，從而嚴重影響鋼絲的塑性，進而對盤條扭轉(zhuǎn)性能產(chǎn)生不利影響。周立初等通過研究珠光體鋼絲多道次冷拉拔過程，發(fā)現(xiàn)拉拔過程中鐵素體內(nèi)部會存在高密度的位錯，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得滲碳體發(fā)生斷裂與碎化，產(chǎn)生大量的空位等缺陷，從而使得鋼絲的塑性與扭轉(zhuǎn)性能降低。凌必超，發(fā)現(xiàn)鋼絲拉拔后內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力也會影響其扭轉(zhuǎn)性能，過大的壓縮率以及不合理的變形量分配會導致鋼絲內(nèi)部與表面變形不均勻，影響組織的均勻性，內(nèi)部還會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使得鋼絲塑性下降，捻股時的分層傾向更為嚴重，扭轉(zhuǎn)值顯著降低。綜上，保證拉拔過程組織的均勻性和精細化，并減少拉拔過程中內(nèi)部組織的損傷，是實現(xiàn)鋼絲塑性提高的關(guān)鍵。

4 超高強預應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)工藝控制關(guān)鍵

4.1 超高強預應(yīng)力鋼絞線用盤條顯微組織性能調(diào)控的工藝關(guān)鍵

高碳鋼盤條普遍通過控軋控冷工藝的調(diào)控來獲得理想的顯微組織和性能。盤條的開軋、終軋溫度，吐絲溫度以及最后的冷卻方式和冷卻速度直接影響著成品盤條的組織結(jié)構(gòu)及其性能。包鋼在合理設(shè)計成分的基礎(chǔ)上，改進了原有的盤條控制軋制工藝，將盤條軋制后的吐絲溫度由870～910 ℃提高到了920 ℃±10 ℃，從而增大了相變前的奧氏體晶粒尺寸，增強了相變過程的淬透性。高碳鋼盤條不同控制冷卻工藝如圖7所示，后續(xù)控制冷卻采用斯特爾摩風冷線，如圖7（a）所示。在傳統(tǒng)斯特爾摩冷卻工藝的基礎(chǔ)上將風機數(shù)量增加到了10架，增大了盤條的冷卻速度，獲得了片層間距細小的索氏體組織，從而提高了盤條的抗拉強度，成功生產(chǎn)出抗拉強度為1 350～1 430 MPa、斷面收縮率為25%～35%的超高強鋼絞線用盤條。李敏娜等通過試驗?zāi)M與實際工藝的配合研究發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速率的增大，高碳鋼盤條組織的片層間距逐漸減小；而當高碳鋼盤條的冷卻速率小于5 ℃/s時，鋼材內(nèi)部的索氏體組織體積分數(shù)可以達到95%以上，珠光體的片層間距細小，在97～115 nm之間；冷卻速率低于1 ℃/s時會產(chǎn)生網(wǎng)狀碳化物，使材料脆性增加；當冷卻速率高于5 ℃/s時，又會產(chǎn)生馬氏體組織。

然而，斯特爾摩冷卻由于采用空氣為冷卻介質(zhì)，受外界環(huán)境影響較大，線材在進入珠光體相變區(qū)域內(nèi)后無法做到恒溫，導致得到的珠光體組織層片厚度不均，尺寸較粗大，珠光體層片較寬，且寬度分布不均勻，索氏體化率較低，盤條通條抗拉強度極差波動較大，最大超過100 MPa， 不利于超高強預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此很多廠家采用等溫鹽浴處理來替代，如圖7（b）所示。馬海寬等通過合理的成分設(shè)計研發(fā)出了SWRS92Si盤條，用鹽浴處理替換原先的風冷，消除了風冷冷速不均帶來的不良組織和通條性能差異過大問題，實現(xiàn)了盤條的快速冷卻和等溫轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)的92Si盤條珠光體團尺寸細小，珠光體片層更加細化，片層更加均勻，索氏體化率達到了95%～98%以上，盤條強度達到了1 500 MPa以上。以該盤條為原料生產(chǎn)的鋼絲抗拉強度普遍在2 160 MPa以上，滿足了2 160 MPa級橋梁纜索用鋼絲的要求。另外，還有的企業(yè)針對風冷、鉛浴、鹽浴生產(chǎn)存在的不足，開發(fā)了在線水浴處理技術(shù)（EDC工藝）。鞍鋼在合理調(diào)整合金元素的基礎(chǔ)上改進了盤條熱軋控冷生產(chǎn)工藝，采用了在線水浴冷卻和出水緩冷技術(shù)。制得盤條的顯微組織主要為索氏體組織且體積分數(shù)大于90%，片層間距小于120 nm， 無網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等低溫組織，抗拉強度1 400～1 450 MPa， 保證鋼絞線抗拉強度能夠達到2 300～2 400 MPa。江陰興澄特鋼公司也自主研發(fā)出盤條在線水浴處理技術(shù)，在水中添加環(huán)保材料RX溶劑，提高水溶液黏度，降低熱傳導系數(shù)，實現(xiàn)了盤條在相變溫度前快速冷卻，形成蒸汽膜腔后緩慢冷卻以維持索氏體化所需要的時間和溫度，轉(zhuǎn)變完成后再快速冷卻或出水緩冷。經(jīng)水浴韌化處理的盤索氏體片層排列整齊，間距在100～150 nm之間，索氏體化率超過90%。

綜上所述，對于超高強預應(yīng)力鋼絞線用盤條的生產(chǎn)過程，其控制軋制和控制冷卻工藝參數(shù)均會影響原料盤條的顯微組織與性能，控制冷卻工藝的影響尤為顯著。應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)情況合理選擇盤條的開軋、終軋和吐絲溫度，并采用鉛浴處理或鹽浴處理代替斯特爾摩冷卻處理，以獲得索氏體比例高、片層間距細小的顯微組織，最終生產(chǎn)出綜合性能符合要求的預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品。

4.2 超高強預應(yīng)力鋼絞線拉拔及穩(wěn)定化處理工藝控制關(guān)鍵

4.2.1 超高強預應(yīng)力鋼絞線拉拔工藝控制關(guān)鍵

超高強預應(yīng)力鋼絞線具體的生產(chǎn)工藝流程一般如圖8所示，高碳鋼原料盤條經(jīng)表面處理、冷拉拔、絞直、捻股及穩(wěn)定化處理等過程后獲得超高強預應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品。其中，普遍通過調(diào)控鋼絞線拉拔及穩(wěn)定化處理過程的工藝參數(shù)來獲得理想的顯微組織與性能。高碳鋼盤條經(jīng)過表面預處理后進行多道次的冷拉拔過程，該過程中產(chǎn)生的加工硬化會使鋼絲的內(nèi)部組織與力學性能發(fā)生巨大的變化，同時拉拔過程中工藝參數(shù)的改變也會對拉拔后鋼絲的性能產(chǎn)生重要的影響。SULIGA M研究了不同拉拔速度對高碳鋼絲抗拉強度、伸長率等力學性能的影響，并利用有限元模擬手段確定了拉拔速度對有效應(yīng)變的影響。研究表明，高的拉拔速度下鋼絲強度的提高與其有效應(yīng)變的增大有關(guān)。隨著拉拔速度的增大，鋼絲的屈服強度及抗拉強度略有增大，但鋼絲的塑性顯著降低。侯杰文等研究了在鋼絲拉拔總壓縮比不變的情況下不同壓縮比分配方式對鋼絲力學性能的影響，并得到結(jié)論：按照逐級遞減的壓縮比分配模式，即將大變形量分配到前面的道次中更有利于獲得強度更高的鋼絞線產(chǎn)品。

此外，由盤條內(nèi)部存在的固有缺陷（微裂紋、微孔洞等）造成的內(nèi)部損傷會在拉拔過程中逐漸累積，嚴重影響拉拔質(zhì)量，甚至會導致拉拔斷絲現(xiàn)象的產(chǎn)生，研究拉拔工藝參數(shù)對鋼絲內(nèi)部損傷值的影響至關(guān)重要。王珺等利用有限元軟件建立了含缺陷熱軋盤條多道次拉拔的分析模型，研究了不同道次壓縮率、模具半角對拉絲性能的影響。結(jié)果顯示，當?shù)来螇嚎s率參數(shù)取值范圍小于20%時，最佳拉拔模具半角為4°；當?shù)来螇嚎s率參數(shù)取值范圍大于20%時，最佳拉拔模具半角為8°。FANG F等利用損傷力學理論分析了鋼絲拉拔成形過程，并建立了鋼絲拉拔成形過程的材料損傷有限元模型，計算分析了拉拔過程的損傷演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，對于模具半角為8°的鋼絲，拉拔過程單道次壓縮率為16%～18%時其內(nèi)部的損傷分布最為均勻，最大損傷值也較小。在前人的基礎(chǔ)上，本研究團隊利用有限元模擬軟件實現(xiàn)了高碳鋼盤條9道次冷拉拔過程的仿真，有限元模擬結(jié)果對比如圖9所示。設(shè)置了一系列正交試驗研究了各拉拔工藝參數(shù)對拉拔后鋼絲內(nèi)部組織微損傷的影響，結(jié)果如圖9（a）所示，顯然，拉拔模具半角對鋼絲內(nèi)部損傷的影響最大。后對拉拔模具半角這一參數(shù)單獨研究，不同拉拔模具半角拉拔后鋼絲的損傷值對比如圖9（b）所示，損傷云圖對比如圖9（c）和（d）所示，可以看出，隨著拉拔模具半角的減小，生產(chǎn)的鋼絲內(nèi)部組織微損傷也越小。所以使用較小的拉拔模具半角更易生產(chǎn)出組織微損傷小的鋼絲產(chǎn)品。

因此，拉拔速度、拉拔模具半角及各道次面縮率分配等拉拔參數(shù)均會對成品鋼絲的力學性能產(chǎn)生影響，要想獲得強度與塑性優(yōu)良的超高強預應(yīng)力鋼絞線，減小拉拔過程中內(nèi)部損傷以提高拉拔性能，應(yīng)選擇較小的拉拔速度和拉拔半角，并盡可能將每道次的拉拔變形量控制在一定的范圍內(nèi)且合理分配道次變形量。

4.2.2 超高強預應(yīng)力鋼絞線穩(wěn)定化處理工藝關(guān)鍵

超高強鋼絞線產(chǎn)品在實際服役時承受預應(yīng)力的過程中會產(chǎn)生彈性變形，但微觀區(qū)域薄弱部分有可能出現(xiàn)塑性變形，最終會導致應(yīng)力隨時間推移而緩慢降低，形成“應(yīng)力松弛”，造成構(gòu)件斷裂和整個建筑物的損壞。為了使鋼絞線達到低松弛目的，需要對鋼絞線捻股后實行穩(wěn)定化處理，即將預應(yīng)力鋼絞線在一定溫度下進行預張拉并在張力作用下冷卻，消除鋼絞線的內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而使得鋼絞線的結(jié)構(gòu)和性能都更加穩(wěn)定。

經(jīng)調(diào)研，經(jīng)穩(wěn)定化處理的鋼絞線1 000 h

的松弛率比未處理鋼絞線的松弛率會降低70%～85%。KORCHUNOV A等研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定化處理基本不影響拉拔后鋼絲的顯微組織及相組成，但會影響鋼中的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，如溶質(zhì)原子分布、位錯密度與組態(tài)等。前人對鋼絞線穩(wěn)定化過程的強塑性機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著穩(wěn)定化處理過程的進行，鋼絲軸向拉伸殘余應(yīng)力降低，鋼中已形成碳化物的溶質(zhì)原子發(fā)生回溶，起到進一步強化作用；鋼絲中一些可動位錯逐漸沿軸向排列并發(fā)生交互作用，從而趨于穩(wěn)定，而高溫下的塑性變形使得位錯密度增大，并且促進了溶質(zhì)原子回溶，形成氣團釘扎位錯，顯著降低了可動位錯的數(shù)量，從而提高鋼絞線的應(yīng)力松弛性能。于衛(wèi)國研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定化處理工藝參數(shù)主要包括加熱溫度和張力，過高的加熱溫度會導致位錯密度減少，松弛性能變差；而加熱溫度過低則會造成位錯的移動與組合減少、原子的躍遷程度降低，應(yīng)力松弛性能提高較輕微。根據(jù)此研究，加熱溫度范圍一般設(shè)定為360～390 ℃，張力范圍一般設(shè)定為公稱破斷力的0.42～0.45倍。趙學鋼等提出，穩(wěn)定化處理后冷卻介質(zhì)溫度的設(shè)定尤為重要，溫度過低會導致鋼絞線表面容易銹蝕；溫度過高則會影響鋼絞線的松弛性能，根據(jù)此研究，最佳穩(wěn)定化溫度為40～55 ℃。王福新等研究了超高強鋼絞線在穩(wěn)定化處理（中溫回火）溫度下的力學性能變化，結(jié)果顯示，溫度升高有利于回復過程的發(fā)展，鋼絞線的抗拉強度、屈服強度等隨溫度的升高均呈下降趨勢，研究得出當加熱溫度為380 ℃、張應(yīng)力為48%時獲得綜合性能最佳的鋼絞線產(chǎn)品。另外，穩(wěn)定化處理工藝對超高強鋼絞線的抗應(yīng)力腐蝕性能也會產(chǎn)生影響。鞍鋼通過合理增加鋼絞線內(nèi)Si元素的含量，降低了鋼絞線穩(wěn)定化處理過程中滲碳體球化的速度，減小了強度損失，使得鋼絞線穩(wěn)定化處理時可以提高加熱溫度到430～440 ℃，使殘余應(yīng)力得到更充分的釋放，提高了超高強鋼絞線的抗應(yīng)力腐蝕性能。該方法制得的超高強鋼絞線應(yīng)力腐蝕試驗斷裂時間中值不小于5.5 h， 遠超國家標準要求。

5 總結(jié)與展望

隨著國家高速公路、鐵路等公共設(shè)施逐漸擴展，對用于橋梁纜索的鋼絞線的力學性能（抗拉強度、伸長率、應(yīng)力松弛性能等）、應(yīng)力腐蝕性能等方面的要求也在不斷提高，中國目前應(yīng)用普遍的1 860 MPa級預應(yīng)力鋼絞線已無法滿足使用要求。雖然國內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)正在嘗試開發(fā)2 000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線，但由于缺乏對鋼絞線產(chǎn)品明確的組織性能控制目標，無法同時兼顧鋼絞線的強韌性、應(yīng)力松弛性能和應(yīng)力腐蝕性能等，2 000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線還無法進行批量生產(chǎn)和投入使用。因此，筆者認為以下方面將成為2 000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)和研究的工作重點：

1） 對高碳鋼原料盤條進行成分設(shè)計優(yōu)化，獲得理想的顯微組織，提高強韌性的同時兼顧應(yīng)力松弛和應(yīng)力腐蝕性能。合金元素的添加使鋼的成分復雜化，應(yīng)針對其復合作用機理進行深入研究。盤條的表面質(zhì)量及內(nèi)部夾雜物分布情況對盤條拉拔性能影響很大，而目前對于超高強鋼絞線原料盤條的脫碳、氧化情況、夾雜物數(shù)量及尺寸等還沒有明確的控制目標。因此分析夾雜物形成機理、完善盤條表面質(zhì)量和夾雜物的調(diào)控手段十分必要。優(yōu)化盤條控軋控冷工藝，減小盤條脫碳層和氧化層厚度及表面缺陷的深度，為超高強鋼絞線深加工提供高品質(zhì)原料。

2）超高強鋼絞線拉拔和穩(wěn)定化處理過程中，通過研究成品鋼絞線的性能指標，對拉拔速度、各道次變形量分配方案、拉拔模具半角、穩(wěn)定化處理溫度和張力進行精準調(diào)控，以實現(xiàn)產(chǎn)品組織性能的精確生產(chǎn)，減少鋼絲中的組織微損傷，避免拉拔斷絲現(xiàn)象的出現(xiàn)，實現(xiàn)鋼絞線強韌性、應(yīng)力松弛性能和抗應(yīng)力腐蝕性能的提高。

3）圍繞未來2 000 MPa級以上超高強預應(yīng)力鋼絞線綜合性能提高的迫切需求，通過上游鋼鐵企業(yè)、科研院所與下游超高強預應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)企業(yè)的合作，可解決國內(nèi)超高強鋼絞線研究及產(chǎn)業(yè)化過程中的瓶頸問題，實現(xiàn)全流程精確調(diào)控超高強預應(yīng)力鋼絞線的顯微組織和性能。

本文摘自《中國冶金》2024年第4期