瞿 熙,鮑思前,趙 剛,黃芳玉,賀 萌,張 帆

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430081)

1 前 言

橋索鋼絲是斜拉橋和懸索橋等大跨徑橋梁的承重件,由過(guò)共析盤(pán)條經(jīng)拉拔、鍍鋅而成,具有耐腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),且保持一定的韌性,故廣泛應(yīng)用于大跨徑橋梁纜索[1]。目前國(guó)內(nèi)外的橋梁纜索鋼絲強(qiáng)度水平已逐漸從1670 MPa逐漸發(fā)展到1960 MPa,如墨西拿海峽大橋采用1860 MPa級(jí)珠光體鋼絲,韓國(guó)的蔚山大橋采用1960 MPa級(jí)鍍鋅鋼絲[2-3]。高強(qiáng)度意味著更安全、更大的跨度、更低的成本。高碳珠光體盤(pán)條具備大應(yīng)變冷拉拔變形中的加工硬化效應(yīng)而形成高強(qiáng)度細(xì)鋼絲,因此對(duì)生產(chǎn)橋梁纜索用冷拔珠光體鋼絲的微觀組織及織構(gòu)機(jī)理研究也日益深入[4]。目前國(guó)內(nèi)最高強(qiáng)度級(jí)——2000 MPa級(jí)橋索鋼絲率先完成工業(yè)生產(chǎn),并首先應(yīng)用于滬通大橋,這是中國(guó)高強(qiáng)度鋼絲發(fā)展過(guò)程中的里程碑。拉拔過(guò)程鋼絲強(qiáng)度的變化受珠光體片層間距減小[5]、滲碳體和鐵素體微觀組織變化、宏觀織構(gòu)等的影響[6-7]。Herbig等[8]的研究表明經(jīng)拉拔后的高碳珠光體鋼絲是強(qiáng)度最高的鋼種,其強(qiáng)度可達(dá)7 GPa；楊林江等[9-10]的研究表明鋼絲冷拉拔變形中微觀組織和織構(gòu)演變對(duì)鋼絲力學(xué)性能有較大的影響；Hono等[11]研究了大應(yīng)變量下滲碳體的溶解現(xiàn)象,周立初等人則分析了珠光體片層取向?qū)︿摻z變形的影響并分析了鋼絲的織構(gòu)。目前學(xué)者對(duì)冷拔鋼絲的織構(gòu)研究較少且對(duì)拉拔過(guò)程中的強(qiáng)化機(jī)理未達(dá)成一致意見(jiàn),故本文對(duì)大應(yīng)變冷拔及鍍鋅過(guò)程中橋索鋼微觀組織、織構(gòu)演變、力學(xué)性能及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究,以此為工業(yè)高強(qiáng)度冷拔鋼絲的生產(chǎn)提供理論依據(jù)和參考。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為直徑14 mm 的某鋼廠橋梁纜索用高碳熱軋盤(pán)條,其主要化學(xué)成分如表1所示。將高碳珠光體盤(pán)條經(jīng)六道次連續(xù)拉拔至7 mm,拉拔鋼絲的變形量如表2所示。將拉拔應(yīng)變?chǔ)艦?.41時(shí)的鋼絲穿過(guò)約450 ℃左右的鋅液,鋼絲表面的鐵和鋅液發(fā)生反應(yīng)生成鋅鐵合金層[12],然后冷卻至室溫制成鍍鋅鋼絲。拉拔應(yīng)變?yōu)?

表1 鋼絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of wire rod(mass/%)

表2 冷拔鋼絲的變形量Table 2 Deformation amount of the cold drawn steel wires

式中:A0、A為拉拔前后鋼絲橫截面的面積,m2；d0、d為拉拔前后鋼絲橫截面的直徑,m。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用線切割技術(shù)分別切取各不同應(yīng)變量鋼絲的縱截面試樣,熱鑲后磨拋,然后使用體積濃度為4%的硝酸酒精腐蝕合適時(shí)間之后,使用NOVA400 Nano型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察不同應(yīng)變量和鍍鋅鋼絲縱截面顯微組織結(jié)構(gòu),并利用Nano Measurer軟件測(cè)量不同應(yīng)變量鋼絲珠光體片層間距。采用線切割技術(shù)切取厚度約300μm 的圓形薄片狀樣品,減薄至50～70 μm,隨后沖成直徑為3 mm 的圓片,最后在Struers Tenupol-5型電解雙噴減薄儀上減薄,電解電壓為40 V,在JSM-2100F 型透射電鏡（TEM）下分析鐵素體中位錯(cuò)分布和珠光體片層間距變化。鋼絲的宏觀織構(gòu)使用ARL9900-811 X 射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試。鋼絲的拉伸實(shí)驗(yàn)在ZWICK-ROLL 拉伸機(jī)上進(jìn)行,對(duì)每個(gè)試樣至少做3～4次測(cè)試,取其平均值。鋼絲橫、縱截面的硬度實(shí)驗(yàn)使用Zeiss Axioplan顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試,載荷500 gf,加載時(shí)間10 s,加載點(diǎn)數(shù)量最少為11個(gè),取其平均值,硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為《金屬維氏硬度實(shí)驗(yàn)》GB/T 4340。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 顯微組織

如圖1（a）～（c）所示,初始盤(pán)條中,取向不同的各珠光體團(tuán)沿各個(gè)方向隨機(jī)分布在珠光體晶界內(nèi)。當(dāng)應(yīng)變量較小時(shí),珠光體團(tuán)變化不大。隨著拉拔應(yīng)變的增大,鐵素體作為軟相先發(fā)生變形,珠光體團(tuán)逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)和扭折變形,組織呈現(xiàn)方向性,珠光體逐漸轉(zhuǎn)向平行于拉拔軸方向,珠光體片層間距逐漸減小。在中低應(yīng)變冷拔鋼絲的拉拔變形過(guò)程中,具有不同初始取向的鐵素體和滲碳體,其變形規(guī)律并不相同。與拉拔方向接近于平行的原始珠光體片層,在拉拔變形中,受到沿拉拔軸方向的壓應(yīng)力較小,最先旋轉(zhuǎn)到平行于拉拔軸的方向,層片極易被拉長(zhǎng)、減薄,片層間距很快減小。與拉拔軸方向接近垂直的珠光體片層,在拉拔變形中受到沿拉拔軸方向的壓應(yīng)力較大,會(huì)先朝著拉拔方向彎曲、扭折、轉(zhuǎn)動(dòng),彎曲變形處層片組織扭曲畸變嚴(yán)重,彎折后的片層會(huì)沿著拉拔方向進(jìn)一步減薄。進(jìn)一步增大變形量,珠光體片層偏轉(zhuǎn)和扭折劇烈,珠光體片層進(jìn)一步減薄,珠光體片層基本都轉(zhuǎn)到拉拔軸向,呈纖維狀,部分滲碳體和鐵素體的界面模糊,很難分辨。從圖1（e）可以看出,鍍鋅后的珠光體片層和拉拔后的片層基本相同。

圖1 不同應(yīng)變量鋼絲縱截面SEM 圖像（a）ε＝0；（b）ε＝0.49；（c）ε＝0.98；（d）ε＝1.4；（e）鍍鋅絲Fig.1 SEM images in longitudinal section of the steel wires with different strains（a）ε＝0；（b）ε＝0.49；（c）ε＝0.98；（d）ε＝1.4；（e）galvanized wire

Langford等[13-14]認(rèn)為在具有不同空間取向和應(yīng)變局部化的珠光體變形中,橫截面上觀察到的珠光體平面應(yīng)變變形與縱截面上觀測(cè)到的珠光體片層的單軸變薄之間有差異,有許多因素可以解釋[110]纖維狀鋼絲的預(yù)期平面應(yīng)變變形與單軸減薄之間的差異。具有正交晶體結(jié)構(gòu)的球狀珠光體或滲碳體薄片可能作為增強(qiáng)相,引起珠光體單軸變形的差異。在單軸張力下彎曲薄片的變形與管狀結(jié)構(gòu)類似,亞晶界可以適應(yīng)相鄰晶粒的取向差。

從圖2（a）可以看出,初始盤(pán)條中珠光體片層間距較大,約為90μm,由黑色滲碳體和白色鐵素體兩相交替組成,滲碳體與鐵素體的界面清晰,鐵素體內(nèi)位錯(cuò)較少且大部分位錯(cuò)線呈平行狀分布。當(dāng)應(yīng)變量約為0.5時(shí),珠光體片層間距明顯減小（約為78 nm）,位錯(cuò)密度增加。珠光體片層在外界應(yīng)力的作用下被拉長(zhǎng)減薄,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)區(qū)域減小,位錯(cuò)塞積和增值使得位錯(cuò)線變密[15]。從圖2（c）可以看出,位錯(cuò)密度進(jìn)一步增加,出現(xiàn)高密度位錯(cuò)集中區(qū)域。鍍鋅后珠光體片層與拉拔后的鋼絲相差不大,一樣存在高密度位錯(cuò)集中區(qū)域,鐵素體片層中存在大量位錯(cuò),滲碳體和鐵素體界面模糊。從圖2（d）可以看出,珠光體片層斷裂,部分片層狀滲碳體發(fā)生球化,這為鍍鋅后鋼絲強(qiáng)度的下降提供了原因。

圖2 不同應(yīng)變量鋼絲縱截面TEM 圖像（a）ε＝0；（b）ε＝0.71；（c）ε＝1.4；（d）鍍鋅絲Fig.2 TEM images in longitudinal section of the steel wires with different strains（a）ε＝0；（b）ε＝0.71；（c）ε＝1.4；（d）galvanized wire

圖3顯示隨著ε從0增加至1.4,珠光體片層間距從92 nm 減小至53 nm,珠光體片層間距與應(yīng)變量呈現(xiàn)線性關(guān)系。珠光體片層間距的大小在很大程度上影響著鋼絲的塑性和強(qiáng)度,隨著片層間距的減小,鋼絲的塑性和強(qiáng)度均會(huì)增加。組織細(xì)小的索氏體盤(pán)條,隨著后續(xù)的冷拉拔變形,珠光體片層逐漸轉(zhuǎn)向形成＜110＞織構(gòu),由于加工硬化的作用得到高強(qiáng)度的細(xì)鋼絲。

圖3 不同應(yīng)變量鋼絲珠光體片層間距變化規(guī)律Fig.3 Variation of the spacing of the pearlite layer with the strain

3.2 織構(gòu)分析

從圖4可以看出,原始盤(pán)條中晶體取向較為分散,晶粒沒(méi)有擇優(yōu)取向,存在強(qiáng)度較低的＜110＞纖維織構(gòu)。隨著拉拔道次的增加,＜110＞織構(gòu)逐漸成為主導(dǎo)織構(gòu),其強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),其他組分織構(gòu)逐漸消失。當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到最大值1.4時(shí),＜110＞織構(gòu)強(qiáng)度也達(dá)到峰值4.3。經(jīng)過(guò)450℃鍍鋅的鋼絲＜110＞織構(gòu)強(qiáng)度略微有所下降,但其他組分織構(gòu)較少,＜110＞織構(gòu)仍為主導(dǎo)織構(gòu)。

圖4 不同應(yīng)變量下的鋼絲沿沿拉拔方向的反極圖（a）ε＝0；（b）ε＝0.49；（c）ε＝0.98；（d）ε＝1.4；（e）鍍鋅絲Fig.4 ODF figures of steel wires with different strains（a）ε＝0；（b）ε＝0.49；（c）ε＝0.98；（d）ε＝1.4；（e）galvanized wire

珠光體鋼中鐵素體是體心立方結(jié)構(gòu),其主要滑移系為（110）＜111＞和（112）＜110＞。鋼絲的塑性變形通過(guò)位錯(cuò)的滑移實(shí)現(xiàn),晶體在塑性變形中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),最終在與滑移面對(duì)稱的位置穩(wěn)定存在,因此珠光體鋼在拉拔過(guò)程中通過(guò)鐵素體內(nèi)的位錯(cuò)滑移形成穩(wěn)定的＜110＞織構(gòu)[16]。在拉拔變形過(guò)程中,與拉拔軸方向接近平行的珠光體團(tuán)會(huì)優(yōu)先沿拉拔方向旋轉(zhuǎn)伸長(zhǎng),而與拉拔軸方向接近垂直的珠光體團(tuán)首先通過(guò)彎折變形旋轉(zhuǎn)到與拉拔軸平行的方向,然后沿拉拔軸方向伸長(zhǎng),如圖1所示,珠光體的彎折使得鐵素體的＜110＞取向逐漸與拉拔軸向平行,這使得＜110＞織構(gòu)強(qiáng)度增加,也進(jìn)一步促使晶粒取向由隨機(jī)分散向軟取向集中,這使得珠光體變形抗力較小,這使得后續(xù)變形得以繼續(xù)進(jìn)行。

3.3 性能測(cè)試

圖5顯示,隨ε的增加,抗拉強(qiáng)度快速增大,基本呈線性趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)變量從0增至1.4時(shí),鋼絲的抗拉強(qiáng)度增加了614 MPa。鍍鋅后,鋼絲的抗拉強(qiáng)度稍有降低。屈服強(qiáng)度隨ε變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度基本相同。

圖5 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變量的變化Fig.5 Relationship of tensile strength and yield strength of longitudinal steel wire with strain

隨ε逐漸增加,珠光體片層減薄,滲碳體和鐵素體界面增加,且細(xì)化的珠光體晶粒起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用,鋼絲抗拉強(qiáng)度增大[17]。拉拔過(guò)程中,位錯(cuò)逐漸從單滑移過(guò)渡到多滑移,錯(cuò)纏結(jié)形成位錯(cuò)胞和位錯(cuò)墻,這些不易滑移的組態(tài)會(huì)增加變形的抗力,使鋼絲抗拉強(qiáng)度增加。但是片層狀滲碳體經(jīng)過(guò)熱鍍鋅會(huì)發(fā)生明顯的球化,會(huì)造成鍍鋅鋼絲抗拉強(qiáng)度的降低。

圖6顯示,隨ε增加,鋼絲橫縱截面的維氏硬度均增加。當(dāng)ε增加至1.4 時(shí),橫截面纖維硬度增加了133 HV,縱截面纖維硬度增加93 HV。經(jīng)過(guò)鍍鋅之后,鋼絲橫縱截面韋氏硬度均下降。

圖6 鋼絲橫縱截面維氏硬度隨應(yīng)變量的變化Fig.6 Relationship of Webster hardness of horizontal and longitudinal steel wire with strain

橫截面和縱截面的顯微硬度均增大,但相比較于縱截面而言,橫截面上升趨勢(shì)更快。這可能是因?yàn)樵急P(pán)條中珠光體團(tuán)隨機(jī)分布,晶粒取向分散,橫截面與縱截面微觀組織差異不大,故低應(yīng)變鋼絲橫縱截面的顯微硬度差異也不大。隨著ε逐漸增大,同一試樣橫截面與縱截面的韋氏硬度差別逐漸增大,這可能是因?yàn)橹楣怏w片層由隨機(jī)分布逐漸轉(zhuǎn)向平行于拉拔軸的方向,橫截面與縱截面微觀組織差異性增大,故橫縱截面顯微組織差異性也增大,導(dǎo)致縱截面的顯微硬度低于橫截面。鍍鋅后,片層狀滲碳體部分球化,原來(lái)的規(guī)則組織結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致橫縱截面硬度均降低。由此可見(jiàn),拉拔過(guò)程中抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度與＜110＞織構(gòu)強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。

珠光體鋼絲在冷拔過(guò)程中的加工硬化機(jī)理多年來(lái)一直是學(xué)者的研究熱點(diǎn),拉拔過(guò)程中的位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化方式。

金屬中位錯(cuò)密度的增加會(huì)使得其強(qiáng)度得到提高,金屬材料的變形,本質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增值,位錯(cuò)之間的交互作用阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),變形抗力增大,因此強(qiáng)度增大。隨著拉拔的進(jìn)行,片層內(nèi)位錯(cuò)塞積,位錯(cuò)長(zhǎng)度減小,位錯(cuò)增值使得位錯(cuò)密度增加,鐵素體片層以及鐵素體滲碳體界面處塞積大量的位錯(cuò)[18-19]。位錯(cuò)強(qiáng)化的本質(zhì)即是,隨著拉拔的進(jìn)行,位錯(cuò)密度增大,金屬變形抗力增大,表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度、硬度等增大,即表現(xiàn)為加工硬化。

細(xì)晶強(qiáng)化是通過(guò)細(xì)化內(nèi)部晶粒來(lái)提高強(qiáng)度的機(jī)制。在冷拉拔過(guò)程中,珠光體團(tuán)中鐵素體和滲碳體被減薄細(xì)化呈纖維狀,減薄后的滲碳體/鐵素體界面增加,對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用增強(qiáng),即材料的抗拉強(qiáng)度增大。晶粒尺寸越小,位錯(cuò)塞積數(shù)量越少,應(yīng)力集中越小,滑移所需外力越大,屈服強(qiáng)度越大[20-21]。

大變形冷拉拔過(guò)程中,滲碳體會(huì)發(fā)生溶解,碳原子脫離了鐵原子的束縛進(jìn)入鐵素體中的位錯(cuò)周?chē)蜩F素體八面體間隙來(lái)降低體系能量,鐵素體中的碳原子過(guò)飽和析出形成固溶強(qiáng)化。

4 結(jié) 論

原始盤(pán)條的索氏化程度較高,珠光體片層間距較?。s為92 nm）,等軸珠光體團(tuán)的取向具有隨機(jī)性。原始盤(pán)條中雖存在＜110＞纖維織構(gòu),但強(qiáng)度較低。

隨著拉拔應(yīng)變的增加,珠光體片間距逐漸減小至53 nm,位錯(cuò)密度增加,珠光體逐漸形成平行于拉拔軸方向的纖維狀組織。＜110＞織構(gòu)隨拉拔應(yīng)變量的增加逐步增強(qiáng)至4.3,其他組分織構(gòu)逐步減弱。當(dāng)拉拔應(yīng)變量增大至1.4時(shí),部分滲碳體和鐵素體界面模糊,難以分辨。鋼絲的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度均隨著應(yīng)變的增大而上升,且鋼絲縱截面的硬度略低橫縱截面硬度。

與拉拔鋼絲相比,鍍鋅后的鋼絲珠光體片層變化并不大,位錯(cuò)密度有所降低。鍍鋅后的鋼絲＜110＞織構(gòu)略微下降至4.0,但仍為主導(dǎo)織構(gòu)。鍍鋅后部分滲碳體球化成短桿狀或顆粒狀,鋼絲的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度均有所下降。

隨著拉拔的進(jìn)行,位錯(cuò)密度增大,金屬變形抗力增大,表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度、硬度等增大；在冷拉拔過(guò)程中,珠光體團(tuán)被減薄細(xì)化呈纖維狀,減薄后的滲碳體/鐵素體界面增加,對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用增強(qiáng),即材料的抗拉強(qiáng)度增大；滲碳體會(huì)發(fā)生溶解,鐵素體中的碳原子過(guò)飽和析出形成固溶強(qiáng)化。