不同熱處理工藝盤(pán)條微觀(guān)組織及力學(xué)性能分析
對國產(chǎn)Stelmor風(fēng)冷盤(pán)條以及日本鹽浴淬火盤(pán)條進(jìn)行了力學(xué)性能及微觀(guān)組織定量研究。力學(xué)性能分析表明,Stelmor盤(pán)條的斷裂強度和塑性均低于鹽浴淬火盤(pán)條,然而Stelmor盤(pán)條的維氏硬度卻高于鹽浴淬火盤(pán)條。利用電子背散射成像以及電子背散射衍射技術(shù)研究表明,Stelmor盤(pán)條微觀(guān)上呈現簇狀珠光體組織特征,珠光體團尺寸小、珠光體片層薄而短小以及小角度界面數量多是其維氏硬度高但塑性差的主要原因;然而,Stelmor盤(pán)條表層部分脫碳、心部硫化物夾雜較多,導致其沒(méi)有達到相應硬度下應有的強度。
冷拔高碳鋼絲具有很高的強度，被廣泛用于橋梁纜索、輪胎鋼簾線(xiàn)、鋼絲繩、彈簧以及真空設備等其它工程領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，伴隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，橋梁建設進(jìn)入高峰階段，大跨度橋梁如懸索橋和斜拉橋建設的數量及規模已經(jīng)處于世界領(lǐng)先行列［1］。隨著(zhù)橋梁跨度的增加，提高鋼絲強度減輕纜索重量已成為工廠(chǎng)和科研人員急需解決的問(wèn)題［2］。同時(shí)，超高強度鋼絲的用量需求及質(zhì)量要求使得成品鋼絲和初始盤(pán)條的微觀(guān)組織及強韌化機理研究也越來(lái)越受到人們的重視。目前國外橋梁用超高強鋼絲的抗拉強度可以達到2300 MPa［3］，而國產(chǎn)橋梁熱鍍鋅鋼絲的強度最高只有1860 MPa 左右［4］。
鋼絲是由盤(pán)條通過(guò)多道次冷拔工藝生產(chǎn)出來(lái)的，不同熱處理工藝的盤(pán)條具有不同的強度和塑性。研究報道，高強度鋼絲的研發(fā)關(guān)鍵之一就是提高現有盤(pán)條的強度和塑性［3］。目前國內關(guān)于拉拔鋼絲組織結構及織構演變、滲碳體溶解和疲勞性能的研究報道較多［5-8］，而關(guān)于不同熱處理工藝處理的盤(pán)條組織研究的報道還較少。目前市場(chǎng)上用于生產(chǎn)拉拔鋼絲的盤(pán)條主要有3 種，分別是熱軋后利用余熱采用斯太爾莫風(fēng)冷( Stelmor conveyor line［9］) 處理的DP 盤(pán)條( direct patenting) 、熱軋后利用余熱進(jìn)行鹽浴淬火處理的DLP 盤(pán)條( direct in-line patenting［10］ ) 以及重新奧氏體化后進(jìn)行鉛浴淬火處理的LP 盤(pán)條( lead patenting) 。其中DP 盤(pán)條和DLP 盤(pán)條被廣泛用于生產(chǎn)橋梁用高強度纜索鋼絲。
本文利用背散射電子成像( Back Scattering Electron Imaging，BSE ) 、電子背散射衍射( Electron Backscattered Diffraction，EBSD) 技術(shù)對DP 盤(pán)條和DLP 盤(pán)條進(jìn)行微觀(guān)組織觀(guān)察，然后對比力學(xué)性能數據分析國產(chǎn)DP 盤(pán)條的組織缺陷，以此探求開(kāi)發(fā)國產(chǎn)高品質(zhì)高強及超高強度盤(pán)條的關(guān)鍵因素。
實(shí)驗材料及方法
實(shí)驗材料選用兩種直徑為13. 5 mm 的商業(yè)熱軋盤(pán)條，一種為國產(chǎn)DP 盤(pán)條，另一種為日本DLP 盤(pán)條，兩種盤(pán)條的化學(xué)成分如表1 所示。拉伸試驗在SHT4505D 萬(wàn)能試驗機上進(jìn)行，試樣長(cháng)度為100 倍盤(pán)條直徑，每種盤(pán)條分別測試10 根。在盤(pán)條橫截面上，利用Everone MH-3 維氏硬度計分別對邊部( edge，距盤(pán)條表層0. 2 ～ 2 mm) 、中部( middle，2 ～ 4 mm) 和心部( center，4 ～ 6 mm) 進(jìn)行顯微硬度測試，載荷200 g，加載時(shí)間10 s，每個(gè)區域分別測試60 個(gè)硬度點(diǎn)，然后統計平均硬度。微觀(guān)組織觀(guān)察。
討論
由于BSE 照片不僅反映了試樣表層的原子序數信息，而其同時(shí)含有晶體取向信息，即電子通道襯度信息( electron channeling contrast，ECC［16］ ) 。鐵素體片層中微合金的固溶度越高，鐵素體點(diǎn)陣畸變越嚴重，電子通道襯度越差，從而導致BSE 圖像質(zhì)量越低; 同時(shí)采用電子背散射衍射EBSD 技術(shù)對鐵素體相進(jìn)行標定時(shí)其標定率也較低。研究中發(fā)現，國產(chǎn)DP盤(pán)條BSE 照片襯度明顯低于DLP 盤(pán)條，而且其鐵素體片層的EBSD 標定率比DLP 盤(pán)條低5% 左右。反推可知國產(chǎn)DP 盤(pán)條鐵素體組織中微合金的固溶程度要高于DLP 盤(pán)條。
Si 和Mn 元素的增多提高了對鐵素體的固溶強化作用，Cr 元素的添加細化了珠光體片層，因此微合金化程度的較高是導致國產(chǎn)盤(pán)條顯微硬度高于同規格進(jìn)口盤(pán)條的主要原因。然而，由于盤(pán)條中的硫化物夾雜的寬度遠小于顯微硬度壓痕對角線(xiàn)的長(cháng)度( 約30 μm) ，因此硫化物夾雜對顯微硬度值并無(wú)較明顯的影響; 相對而言，拉伸試驗反映的是材料整體宏觀(guān)的力學(xué)性能，所以脫碳以及硫化物的存在均導致國產(chǎn)DP 盤(pán)條實(shí)際強度低于其理論強度。
經(jīng)典塑性變形理論認為，形變強化的根本原因是位錯運動(dòng)受阻。珠光體結構中，鐵素體片層兩側分布有硬相滲碳體。一般認為位錯滑移主要在鐵素體內進(jìn)行，兩側滲碳體阻礙位錯運動(dòng)，位錯運動(dòng)到鐵素體和滲碳體界面處便停止運動(dòng)，導致位錯塞積，材料強度得到提高，同時(shí)塑性下降［5］。因此鐵素體兩側滲碳體之間的寬度，也即鐵素體片層的厚度，以及鐵素體片層的長(cháng)度決定了位錯滑移的可動(dòng)距離。DLP 盤(pán)條珠光體片層間厚，片層比較平直且長(cháng)度較長(cháng)，位錯可移動(dòng)范圍較大，所以強度低( 表現在顯微硬度低上) 塑性較好; DP 盤(pán)條珠光體片層較薄、片層長(cháng)度較短以及非平直片層較多，導致在垂直于珠光體片層和平行于珠光體片層的方向上鐵素體內位錯移動(dòng)均受到更多的限制，因此造成DP 盤(pán)條強度高( 顯微硬度高) 塑性差。
綜上所述，造成國產(chǎn)DP 盤(pán)條和進(jìn)口DLP 盤(pán)條的力學(xué)性能和微觀(guān)組織不同的根本原因是兩者采用了兩種不同的珠光體轉變熱處理工藝。對于進(jìn)口DLP盤(pán)條，由于鹽的熱容量高，冷卻速度快，保溫能力強，珠光體轉變基本上在同一個(gè)溫度下進(jìn)行，所以轉變后生成的珠光體組織更為均勻，綜合力學(xué)性能更好［10］;相比之下，國產(chǎn)DP 盤(pán)條采用Stelmor 風(fēng)冷，冷卻速度有限，整個(gè)珠光體的溫度區間跨度較大，導致轉變后的珠光體組織不均勻，綜合力學(xué)性能低于DLP 盤(pán)條。對于開(kāi)發(fā)高強度橋梁用鋼絲，提高C 含量是最為經(jīng)濟有效的方法之一［13］。然而隨著(zhù)C 含量的提高，先析滲碳體形成的趨勢就隨之增大，這時(shí)珠光體轉變溫度的控制就變得尤為重要，因此對于高碳鋼絲采用鹽浴淬火進(jìn)行索氏體化處理是比較有效的方法。
結論
1) 對于同牌號同規格珠光體盤(pán)條，采用Stelmor風(fēng)冷進(jìn)行珠光體等溫轉變的國產(chǎn)DP 盤(pán)條的強度和塑性均低于采用鹽浴淬火的日本DLP 盤(pán)條;
2) 國產(chǎn)DP 盤(pán)條微合金化程度較高，鐵素體固溶強化作用更高，珠光體片層間距更為細小，導致DP盤(pán)條維氏硬度明顯高于DLP 盤(pán)條。然而由于DP 盤(pán)條邊部發(fā)生部分脫碳以及硫化物夾雜分布較多，這兩種缺陷的存在導致國產(chǎn)DP 盤(pán)條實(shí)際強度低于DLP盤(pán)條;
3) 國產(chǎn)DP 盤(pán)條微觀(guān)結構呈現簇狀珠光體結構，雖然珠光體簇與DLP 盤(pán)條相差不大，但由于一個(gè)珠光體簇/ 晶粒內有多個(gè)珠光體，導致DP 盤(pán)條珠光體團尺寸小，珠光體片層不如DLP 盤(pán)條珠光體片層長(cháng);而且DP 盤(pán)條內部非平直片層較多。因此，DP 盤(pán)條珠光體片層薄而短，是導致其塑性低于DLP 盤(pán)條的主要原因。
