冷拔珠光体钢丝渗碳体微观结构

第31卷 第5期 2 0 1 0 年 5 月 材 料 热 处 理 学 报 TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT Vol . 3 1 No . 5 May 2 0 1 0 冷拔珠光体钢丝渗碳体微观结构 王 燕1， 方 峰1， 王 雷1， 蒋建清1， 杨 恒2 (1. 东南大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211189;2. 法尔胜集团公司，江苏 江阴 214433) 摘 要:采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HREM)观察了拉拔前后 SWRH82B 钢丝的显微组织，并采用 振动样品磁强计(VSM)研究了渗碳体含量随应变量的变化规律。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，钢丝经拉拔变形后，铁素体中形成竹节状位错亚结 构;渗碳体片层内部碎化，并出现非晶。VSM 测量显示，随着应变量的增加，钢丝比饱和磁化强度不断升高，渗碳体含量逐渐减 少。变形前，钢丝的比饱和磁化强度为 198. 84 emu / g。经过应变量为 1. 90 拉拔变形后，钢丝的比饱和磁化强度升高到 210. 9 emu / g。相应的渗碳体含量则由变形前的 14. 1%降至变形后的 8. 9%。这表明 SWRH82B 钢丝经过应变量为 1. 90 的拉拔后，渗 碳体发生了部分溶解。 关键词:冷拉拔钢丝; 渗碳体; 饱和磁化强度; 非晶 中图分类号:TG142. 21 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2010)05-0092-04 Microstructure evolution of cementite in cold drawn pearlitic steel wires WANG Yan1， FANG Feng1， WANG Lei1， JIANG Jian-qing1， YANG Heng2 (1. Department of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China; 2. Fasten Group，Jiangyin 214433，China) Abstract:The microstructure of SWRH82B steel wires before and after cold drawn deformation was studied by means of SEM，TEM and HREM. The changes of cementite volume fraction with increasing drawing strain were investigated using vibrating sample magnetometer (VSM). The results show that bamboo-like dislocation substructure forms in lamellar ferrite，and fragment and amorphous structure are developed in lamellar cementite after cold drawn deformation. Specific saturation magnetization of the steel wire increases while the cementite volume fraction decreases with increasing drawing strain. The saturation magnetization is 198. 84 emu / g of the steel wire before drawing，and it increases to 210. 9 emu / g for the steel wire after deformation with the strain of 1. 90. The corresponding cementite volume fraction decreases from 14. 1% to 8. 9%，indicating that part of cementite decomposes in SWRH82B steel wires cold drawn to ε = 1. 90. Key words:cold drawn steel wires;cementite;saturation magnetization;amorphous 收稿日期: 2009-05-11; 修订日期: 2009-09-07 基金项目: 国家“973” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目(2007CB616903);国家科技支 撑计划(2007BAE51B09) 作者简介: 王 燕(1985—)，女，主要研究方向为珠光体钢强塑性冷 变形机制。 通讯作者: 蒋建清，男，教授，博士生导师，E-mail:jqjiang@ seu. edu. cn。 大应变冷拔珠光体钢丝由于其强度高、韧性好而 被广泛应用于高应力的环境，如桥梁缆索、高层建筑 和轮胎加强钢帘线等。珠光体在冷拉拔变形过程中 微观组织结构，特别是渗碳体相的微观结构的演变一 直是人们研究的热点。文献［1-4］分别采用高分辨高 分辨透射电镜(HREM)、原子探针(APFIM、3DAP)等 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 手段对钢丝拉拔变形过程中渗碳体的溶解现象 进行了观察。本文采用扫描电镜(SEM)和透射电镜 (TEM、HREM)观察分析了渗碳体片层结构随应变量 增大的演变，并采用振动样品磁强计(VSM)测量了 渗碳体含量的变化。根据上述结果讨论分析了钢丝 在拉拔变形过程中的组织变化尤其是渗碳体片层变 化对钢丝力学性能的影响。 1 试验材料及 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 试验材料为斯太尔摩高速轧制线控轧控冷生产 的 SWRH82B 钢盘条，13 mm，其化学成分如表 1 所 示。盘条经冷拉拔得到直径分别为 11. 40 mm (ε = 0. 26)，7. 00 mm (ε = 1. 24)和 5. 02 mm (ε = 1. 90)的钢丝。 表 1 SWRH82B 钢的化学成分(wt%) Table 1 Chemical composition of SWRH82B steel (wt%) C Si Mn S P Cr Ni Fe 0. 82 0. 23 0. 76 0. 007 0. 01 0. 2 0. 03 Bal. 第 5 期 王 燕等:冷拔珠光体钢丝渗碳体微观结构 采用 Sirion 场发射扫描电镜、JEM2000EX 型透射 电镜和 Tecnai G2 F20 场发射透射电镜对不同应变量 下的钢丝纵截面组织进行观察，并采用截线法测量了 不同应变量下的片层间距。在 CMT5105 拉伸试验机 上测量了盘条和钢丝的抗拉强度。采用 Lake Shore 7410 VSM 分析了渗碳体含量随应变量的变化［5-6］。 2 试验结果及分析 2. 1 不同应变量下钢丝微观组织 图 1 为 13 mm 的 SWRH82B 原始盘条和应变量 为 1. 90 的钢丝纵截面组织的 SEM 图片。从图 1 中 可以看出，在原始盘条中，珠光体团呈随机取向分布， 片层间距较大。而经过 ε = 1. 90 的拉拔后，钢丝纵截 面上片层基本沿拉拔方向排列，即形成典型的纤维状 结构，而且珠光体片层间距显著减小。 图 1 纵截面组织 SEM 图片 (a)热轧盘条; (b)钢丝 Fig. 1 SEM micrographs of the steel wire in longitudinal direction (a)hot rolled wire; (b)cold drawn steel wire (ε = 1. 90) 图 2 是 13 mm 的 SWRH82B 原始盘条组织的 TEM 图片。可以看出，在热轧盘条中，渗碳体片层连 续且较为平直，珠光体片层间距约为 200 nm。 图 3 为应变量为 ε = 1. 90 时，钢丝纵截面微观组 织的 TEM 图片。如图 3(a)所示，经过冷拉拔后，铁 素体片层中的位错密度明显增加，出现典型的竹节状 或胞状的位错亚结构。从图 3(b)的暗场像可以看 出，经过冷拉拔后，珠光体的片层间距明显细化(～ 100 nm)。渗碳体片层变薄，在片层内部，存在大量 的白色亮斑，这表明，渗碳体虽然仍保持片层的形态， 图 2 热轧盘条纵截面 TEM 像 (a)明场像; (b)暗场像 Fig. 2 TEM micrographs showing microstructure of the hot rolled rod (a)bright field; (b)dark field 图 3 ε =1. 90钢丝纵截面 TEM 像 (a)明场像; (b)暗场像 Fig. 3 TEM micrographs showing microstructure of the cold drawn steel wire with ε = 1. 90 (a)bright field; (b)dark field 39 材 料 热 处 理 学 报 第 31 卷 但内部已经碎化。 为进一步观察冷拉拔钢丝中渗碳体的形貌，采用 Tecnai G2 F20 场发射透射电镜对原始热轧盘条和 ε = 1. 9 时钢丝中渗碳体的片层的形貌进行了比较，如 图 4 所示。如图 4(a)中所示，热轧盘条渗碳体片层 中原子排列呈现明显周期性，即渗碳体是单晶体。从 图 4(b)中可以看出，经过 ε = 1. 90 冷拉拔变形后，渗 碳体片层内部已经碎化，产生了团状结构，并且团状 结构中的原子排布不完全相同。此外，在渗碳体中还 出现了一些非晶带。 由此可知，经过强塑性冷拉拔变形后，渗碳体片 层虽然仍保持片层形态，但在内部生成了大量界面， 将渗碳体分割成许多细小的晶粒。渗碳体远远偏离 平衡态，原子排列混乱度增加，部分区域形成非晶带。 这种组织的形成可以由铁素体和渗碳体柏氏矢量的 不匹配来解释。随着应变量的不断增加，渗碳体片层 不断减薄，渗碳体片层的变形能力增加，当达到一定 应变量时，渗碳体中的滑移系开动。渗碳体在室温下 的滑移系主要有(001)［010］，(010)［001］和(100) ［010］，而渗碳体［010］和［001］方向的柏氏矢量分别 为 0. 509 nm 和 0. 647 nm，与铁素体柏氏矢量的 0. 2485 nm 相差太多［7］。因此，塑性变形从铁素体向 渗碳体扩展的过程中必须产生一定量的堆垛层错、位 错等缺陷。随着应变量的增加，在铁素体 /渗碳体界 面处的滑移也愈加强烈，最终导致渗碳体的晶体结构 混乱，形成大量的界面将渗碳体单晶分割成许多细小 的晶粒，甚至在部分区域形成非晶。 2. 2 不同应变量下渗碳体含量 表 2 给出了不同拉拔应变量下 SWRH82B 钢丝 的饱和磁化强度值和渗碳体含量的变化。从表 2 中 可以看出，随着应变量的增加，渗碳体的含量逐渐减 小，渗碳体发生了溶解。初始盘条中渗碳体分数约为 13%，接近于平衡态 SWRH82B 中对应的渗碳体体积 分数，但当应变量增加至 1. 9 时，渗碳体含量只有 8. 9%，溶解了大约 30%。 钢丝经过一定量的冷拉拔变形后，渗碳体含量减 小，发生溶解。表 2 与文献［1-4］采用其它研究手段 得到的结果一致。但目前对于渗碳体溶解的热力学 及动力学机制还不是很清楚。Gavriljuk 等［8］认为渗 碳体溶解的驱动力是碳与位错之间的结合能。随着 应变量的增加，渗碳体片层减薄，并具有一定的变形 能力。位错在渗碳体中运动，切割渗碳体，并将其中 的原子拖出。不同合金元素对相同应变量下钢丝中 图 4 纵截面 HREM 像 (a)热轧盘条; (b)钢丝(ε = 1. 90) Fig. 4 HREM micrographs of the steel wire in longitudinal direction (a)hot rolled wire;(b)cold drawn steel wire (ε =1. 90) 渗碳体的溶解量的影响［8］，证实了位错结合机制的 合理性。Languillaume［1］则从界面能方面提出了渗碳 体溶解的界面能机制，即 Gibbs-Thomson 效应在渗碳 渗碳体的溶解中起主要作用。在本文实验中，既观察 到了位错对渗碳体片层的切割作用，同时渗碳体片层 也发生了明显的减薄，因此可以认为这两种机制的共 同作用导致了渗碳体的溶解。 表 2 不同应变量 SWRH82B 钢丝的比饱和磁化强度 Table 2 Specific saturation magnetization (M s)of SWRH82B steel wires with different strains Diameter /mm 13 11. 4 7 5. 02 Strain 0 0. 26 1. 24 1. 9 M s /(emu·g － 1) 198. 84 201. 84 205. 4 210. 9 Amount of Fe3 C /(vol%) 14. 1 12. 8 11. 3 8. 9 2. 3 不同应变量下钢丝的力学性能 图 5(a)、5(b)分别为 SWRH82B 钢丝的抗拉强 度随珠光体片层间距和应变量的变化。经过冷拉拔 变形后，钢丝的强度高达 1800 MPa。从图 5 中可以 看出在 ε < 1. 5 时，σ b∝λ － 1 /2，σ b∝exp(ε /4)，即符合 Hall-Petch［9］强化机制。片层减薄引起铁素体 /渗碳 体相界面增多，对位错运动的阻碍增加。ε > 1. 5 时， 钢丝的加工硬化率明显高于应变量较小的阶段。这 可以从以下两个方面来解释:一是此时的强化机制发 49 第 5 期 王 燕等:冷拔珠光体钢丝渗碳体微观结构 图 5 (a)抗拉强度与片层间距入的关系; (b)抗拉强度与应变量的关系 Fig. 5 Relationship between σ b and λ － 1 /2(a) and dependence of σ b on exp(ε /4) (b) 生了变化，由原来的 Hall-Petch 机制变为位错弓出机 制［10］。由于片层减薄使得位错难以在片层中塞积， 塑性变形不再通过位错塞积造成的应力集中引发，位 错不再穿过铁素体 /渗碳体界面，而仅仅限制在铁素 体片层中，并通过一个个单个位错的弓出滑动实现; 二是非晶对钢丝的强化作用。Christine 等［11］则认为 非晶带由于难以变形，强度高，对裂纹的横向扩展具 有阻碍作用，从而对钢丝的强度有着重要的贡献。 此外渗碳体的溶解对钢丝强度也有重要影响。 渗碳体分解后碳原子进入铁素体片层，一部分碳原子 被位错俘获，形成柯氏气团，对位错具有钉扎作用，阻 碍位错运动，强化珠光体组织。而另一部分碳原子则 进入铁素体晶格中，使铁素体过饱和，对铁素体产生 固溶强化。虽然渗碳体分解可以对钢丝起到多方面 的强化作用，但是渗碳体的分解使钢丝组织远远偏离 了平衡态，导致在后续的加工过程中(如热浸镀锌) 渗碳体片层球化，钢丝强度下降。 3 结论 1)SEM 观察结果表明:经过应变量 ε = 1. 90 的 冷拉拔变形后，钢丝在纵截面上形成典型的纤维状组 织。与拉拔前的组织相比，钢丝的珠光体片层间距明 显减小; 2)TEM 和 HREM 观察结果显示:经过应变量 ε = 1. 90 的冷拉拔变形后，钢丝中的铁素体中出现典 型的竹节状位错亚结构。渗碳体片层内部发生碎化， 并且在部分区域形成非晶; 3)VSM 研究结果表明，随着应变量的增加，钢 丝的比饱和磁化强度不断上升，而渗碳体含量则不断 下降。变形前，钢丝的比饱和磁化强度为 198. 84 emu / g。经过应变量为 1. 90 拉拔变形后，钢丝的比饱 和磁化强度升高到 210. 9 emu / g。相应的渗碳体含 量则由变形前的 14. 1%降至变形后的 8. 9%，渗碳体 溶解了约 30%; 4)钢丝的抗拉强度随着应变量的增加及珠光体 片层间距的减小而不断升高。当 ε < 1. 5 时，钢丝的 强化机制主要是 Hall-Petch 强化机制，而当 ε > 1. 5 时，位错弓出机制和非晶带的作用使钢丝的应变硬化 率大大增加。 参 考 文 献 ［1 ］ Languillaume J，Kapelski G，Baudelet B. 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