林晏民, 孫福猛, 方 健, 王軍藝

(1.廣東韶關(guān)鋼鐵股份有限公司 檢測中心, 韶關(guān) 512123; 2.寶山鋼鐵股份公司研究院,上海 201999)

我國華南地區(qū)的工業(yè)線材需求量約為2×106t/a，其中冷鐓鋼占比最大。相比其他供應(yīng)廠家的冷鐓鋼產(chǎn)品，筆者公司生產(chǎn)的冷鐓鋼在拉拔過程中的加工硬化程度較嚴(yán)重，影響拉拔效果。

加工硬化易產(chǎn)生疲勞失效，疲勞是導(dǎo)致機械零件失效的主要原因之一。加工硬化程度過大會造成表面應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生裂紋。如果加工硬化后金屬材料的屈服強度提高，塑性加工設(shè)備的性能也需要提升。這就需要對冷鐓鋼加工硬化的影響因素進(jìn)行分析，找出加工硬化的原因，并找到產(chǎn)品剛產(chǎn)生加工硬化時的生產(chǎn)工藝，并加以固化工藝措施，使冷鐓鋼產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

筆者設(shè)計了在普通試驗機上進(jìn)行棒材和線材加工硬化指數(shù)n值測試與表征的方法，得出SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼加工硬化影響因素，以及其化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織與n值的相關(guān)性，研究出n值的各項合理控制指標(biāo)。

1 試驗方法

(1) 研究SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼加工硬化的量化表征方法。目前，棒材、線材中表征n值的標(biāo)準(zhǔn)方法為借鑒薄板測試n值的方法。

分析以拉伸試驗方法為主，顯微硬度測試為輔的加工硬化量化表征方法。具體如下：用精度較高的拉伸試驗機測試試樣的工程應(yīng)力和工程應(yīng)變，由體積不變原理推演真應(yīng)力與真應(yīng)變，采用Ludwik模型對Holloman指數(shù)方程進(jìn)行修正，再用y=B+Ax的直線方程擬合得出n值。在拉伸試驗過程中，利用顯微硬度測試加工硬化層深度，間接驗證測試結(jié)果是否符合加工硬化的趨勢。

(2) 找出影響SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼n值的因素。對比研究不同n值的SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼的顯微組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能等，找到影響n值的關(guān)鍵因素。

(3) 找出適合SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼n值的各項性能指標(biāo)。根據(jù)化學(xué)成分、顯微組織、加工硬化性能3者的密切相關(guān)性，探索出綜合性能較好的冷鐓鋼產(chǎn)品的最佳制造工藝，使SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼產(chǎn)品的n值達(dá)到用戶的使用要求。

2 試驗結(jié)果

2.1 n值表征方法的建立

n值能夠準(zhǔn)確反映材料的塑性加工性能和材料頸縮前的均勻變形能力，是評價材料成形性能的重要指標(biāo)之一。n值由Holloman指數(shù)方程定義為

σ=K×εn

(1)

式中：K為強度系數(shù)；σ為真應(yīng)力；ε為真應(yīng)變。

n值對材料成形極限曲線具有很大的影響，n值大的材料產(chǎn)生的應(yīng)變峰值低，n值小的材料產(chǎn)生的應(yīng)變峰值高。

目前，在力學(xué)試驗領(lǐng)域，n值的計算方法為：采用各類引伸計獲得材料在拉伸過程中的應(yīng)變，由拉伸試驗機的載荷傳感器獲得應(yīng)力，將上述兩個基本參量換算成真應(yīng)變及真應(yīng)力，對關(guān)系式兩邊取對數(shù)，得出lgσ=lgK+nlgε，該關(guān)系式為直線關(guān)系，由此可求直線斜率n。

筆者單位現(xiàn)有拉伸試驗機的配置系統(tǒng)為液壓伺服控制，原始數(shù)據(jù)包為Access數(shù)據(jù)庫格式?；贏ccess數(shù)據(jù)庫中力值與引伸計的位移數(shù)據(jù)可以完全讀取的模式，確定n值的二次計算方法。整個過程中，工作人員僅需復(fù)制、黏貼、錄入截面積、錄入對應(yīng)的指數(shù)區(qū)間等4步，即可完成對應(yīng)長棒材的n值計算，得到n值。

2.2 不同應(yīng)變狀態(tài)下棒材、線材的顯微組織分析

將材料拉伸至5%塑性應(yīng)變時停機，截取均勻變形過程中的任意一段，分析其顯微組織形貌[1]，同時在試樣拉伸至斷裂后距斷口20 mm處取樣，觀察試樣達(dá)到最大均勻變形時端口的形貌，研究加工硬化對顯微組織形貌的影響，得到的顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可知:試樣心部組織顯微形貌在塑形變形階段與最大均勻延伸率處無顯著差異，表明試樣在拉伸過程中，材料的加工硬化對試樣心部組織并無影響，在試樣邊部約有深度為400 mm的晶粒組織加粗層，試樣加工硬化全部發(fā)生在表層。

圖1 不同塑性變形下材料的顯微組織形貌

2.3 影響SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼n值的因素

制作SWRCH6A,SWRCH8A,SWRCH10A冷鐓鋼試樣，試樣規(guī)格有3種：小規(guī)格(6.5 mm)、中規(guī)格(10～14 mm)、大規(guī)格(18 mm)。 對試樣共進(jìn)行了48爐試驗，分別進(jìn)行不同的試驗項目，主要的規(guī)律如下所述。

(1) 變形量對n值的影響。不同斷面收縮率與n值的關(guān)系曲線如圖2所示，不同斷面收縮率與表面維氏硬度的關(guān)系曲線如圖3所示(以SWRCH10A,14 mm規(guī)格為例)。

圖2 不同斷面收縮率與n值的關(guān)系曲線

圖3 不同斷面收縮率與表面維氏硬度的關(guān)系曲線

由圖2，3可知，隨著斷面收縮率的增加，n值減小，也就是說加工硬化更嚴(yán)重；隨著斷面收縮率的增加，維氏硬度增大，這與n值的變化相對應(yīng)。說明n值越小，加工硬化越嚴(yán)重，維氏硬度越大。當(dāng)斷面收縮率不小于10%時，其維氏硬度趨于穩(wěn)定。

(2) 化學(xué)成分對n值的影響。碳當(dāng)量Ceq與n值有相關(guān)性,隨著碳當(dāng)量的增加，n值減小，也就是有更嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象。碳當(dāng)量與n值的關(guān)系如圖4所示，斷后伸長率與n值的關(guān)系如圖5所示。

圖4 碳當(dāng)量與n值的關(guān)系

圖5 斷后伸長率與n值的關(guān)系

(3) 力學(xué)性能對n值的影響。斷后伸長率增加使n值增加；其他的力學(xué)性能，(如屈服強度、抗拉強度、洛氏硬度、表面維氏硬度等)增加時，n值減小(見圖6～9)。

圖6 屈服強度與n值的關(guān)系

圖7 抗拉強度與n值的關(guān)系

圖8 洛氏硬度平均值與n值的關(guān)系

圖9 表面維氏硬度與n值的關(guān)系

(4) 晶粒度對加工硬化指數(shù)的影響。隨著晶粒度級別的增加，也就是晶粒越細(xì)，其n值就越大，也就是加工硬化越不嚴(yán)重，但其趨勢比較平緩，也說明晶粒度對n值的影響較小(見圖10)。

圖10 晶粒度與n值的關(guān)系

2.4 SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼合適n值的各項性能指標(biāo)

n值越小，表明其加工硬化越嚴(yán)重。根據(jù)上述試驗結(jié)果，規(guī)定n值較大的，即排在前30%的n值認(rèn)為是較合適的，則得到n值為0.245～0.282，平均值為0.257，其對應(yīng)的各項性能指標(biāo)如表1所示。如果按表1中的各項指標(biāo)進(jìn)行控制，生產(chǎn)得到的SWRCH6A～10A系列各規(guī)格冷鐓鋼的n值就較大，也就是說其加工硬化現(xiàn)象比較輕，具有較好的拉拔、冷鐓性能，即有較好的綜合性能。

表1 能得到較合適n值的各項性能指標(biāo)

3 結(jié)語

(1) 研究出了表征棒材、線材n值的方法；開發(fā)出了在普通試驗機上進(jìn)行n值測試與表征的方法，使每位試驗人員均可在任何拉伸試驗機上獲得材料的n值。

(2) 棒材、線材試樣在加工硬化過程中，僅試樣表面發(fā)生晶粒加粗現(xiàn)象，這直接影響材料的加工硬化性能。試樣心部并未受拉向載荷的影響，基體組織無較大影響。

(3) SWRCH6A～10A系列冷鐓鋼n值的影響因素為：隨著斷面收縮率的增加，n值減小；隨著碳當(dāng)量的增加，n值減??；隨著斷后伸長率的增加，n值增大；隨著屈服強度、抗拉強度、洛氏硬度、表面維氏硬度等的增加，n值減??；隨著晶粒度的增加，也就是晶粒越細(xì)，n值越大。

(4)n值越小，表明其加工硬化越嚴(yán)重。試驗結(jié)果表明，較合適的n值為0.245～0.282，平均值為0.257。