钢丝的力学性能及超细晶粒处理

 1  钢丝的力学性能要求
     金属制品在使用中的主要失效形式是断裂（包括脆断、塑断及疲劳断裂等）、腐蚀、应力松弛（或变形）或磨损。其失效原因比较复杂，一般与其工况条件（如应力水平、温度、时间及环境等）、结构设计、材质、制造工艺等有关。但是，金属制品的使用不当也是导致失效的不可忽视的一个重要因素。所以，提高金属制品的使用寿命、降低失效率，必须从提高钢丝的力学性能（特别是它的强韧性）入手。
     金属制品对强韧性的要求是既强又韧，或者说，对钢丝的强度、塑性与韧性有良好配合。在国内外钢丝产品标准中均有具体的力学性能指标：抗拉强度（σ_b）、塑性δ和ψ；此外，还通过钢丝的扭转试验、弯曲试验、缠绕试验及疲劳试验等提出了相应要求，从而满足韧性、生产工艺及使用上的需要。
       强度是指钢丝抗塑性变形（如拉伸变形、压缩变形、弯曲变形及扭转变形等）及断裂的能力。韧性是指钢丝在断裂过程中所需能量的多少，它是材料强度和塑性的综合表现。所以，可以从钢丝拉伸图中塑性变形和断裂的全过程所吸收能量的多少来描述其韧性的好坏。
      2  钢丝的超细晶粒处理
     钢丝的强韧化技术可分为强化与韧化两个方面。钢的强化技术主要有固溶强化、晶粒微细强化（又称晶界强化）、相变强化、弥散析出强化及复合强化等；钢丝韧化技术主要有：晶粒微细化，钢质纯净化（除去其有害的杂质元素），韧性相的利用等。实践证明：超细晶粒处理（使组织微细化）不仅提高钢丝的强度，又改善其塑性和韧性，并使其脆性转化温度（θ或ITT）降低。而其它强化机制均对韧性有害，因此，超细晶粒处理及组织微细化是提高钢丝强韧性的有效手段。
      2.1 晶粒度分极及其强韧化原理
     众所周知，钢的晶粒度通常按美国ASTM标准分8级：1、2、3、4号为粗晶粒；5、6、7、8号为细晶粒。外延有-3、-2、-1及0号为特粗晶粒；8级以上有9、10（d=10μm）、11、12......21级（d<0.1μm），并把ASTM10级以上者称为超细晶粒。一般工业钢材经热处理后的晶粒度为8或9级。
      钢丝的晶粒（或第二相质点）越细、匀、圆，则其强韧性越好。因为，晶粒越匀细，则单位体积内的晶界面越多，由于晶界间的原子排列比其晶粒内部的更为紊乱，位错密度较高，故晶界对塑性变形（如滑移等）的阻碍作用越大，强化作用（如σ_b或σ_s）越明显。另一方面，晶粒越匀、细、圆，钢丝的塑性（如δ或ψ）越好，故超细晶粒处理是提高强韧性的重要途径。
      晶界强化量（△σ_GB表示）与晶粒直径（d^-1/2）成正比，并符合Hall-petch方程，即

    σ_s=σ_o+K_yd^-1/2                  (7)

   式中：σ_s――钢丝的屈服极限；
           σ_o――铁的派欧斯力(peierls force)；
          K_y ――晶界对滑移运动起阻碍作用的常数。
        2.2 钢丝超细晶粒处理方法
      钢丝的超细晶粒处理及组织微细化有如下几种方法：利用微合金化原理、一次或多次循环快速加热及形变热处理等几种先进技术。
       2.2.1 采用微合金化技术实现钢丝的组织超细化
       钢丝的种类、规格繁多，在高碳钢制品中以PC钢丝、绳用钢丝、弹簧钢丝及胎圈钢丝等用量最大；从使用要求上看，以阀门弹簧钢丝的质量要求最严。由于发动机的工作寿命及效率能否充分发挥与阀弹簧的质量密切相关，它是在高应力、较高环境温度、往复运动次数超过（2-3）*10⁷（使用寿命）等条件下工作，要求极高的疲劳性能和抗应力松弛性能。近20年来，阀弹簧钢丝的研制与生产者都企图采用各种先进的科学技术来提高阀弹簧钢丝的耐疲劳特性。关于这方面资料请参考有关论文，在此只作扼要介绍。为了避免阀弹簧在苛刻工作条件下不发生疲劳断裂现象，尽可能延长其使用寿命，最有成效的办法是提高钢质纯净度、获得超净钢。因为钢质越纯净，含有害化学元素的数量越少，则钢中有害的非金属夹杂物越少，疲劳裂纹出现的机率也越小，阀弹簧的疲劳寿命也就越长。另一方面，超纯净钢的表面缺陷（如斑疤、伤痕、微裂纹及表面脱碳现象等）是造成阀弹簧疲劳断裂的主要原因，故改进线材的表面加工技术（如剥皮技术、深轧技术、先进的冷拔技术及保护气氛加热技术等），减少钢丝的表面缺陷，能非常有效地降低阀弹簧发生疲劳断裂的机率。
      从获得超细晶粒或超细化组织原理看，在钢中增添适量的C、Mn、Si、Ni、Cr等元素，不仅能增加钢的淬透性、提高大截面尺寸的棒材或线材的匀质性、改善热处理工艺性，而且使显微组织及晶粒度变得匀细，从而提高钢丝的强韧性和耐热性，降低冷脆性。另一方面是在钢中微量加入高熔点合金元素（如钒、钛、铌、锆等），改进钢液在凝固过程中的形核率，容易得到匀细的结晶组织；同时，那些未溶入奥氏体中的碳化物质点分布在晶界上，从而在热处理时阻碍晶粒的长大，这些均有利于钢获得超细晶粒或组织超细化。瑞典、日本及美国在发展高强韧性钢丝品牌过程中得到了证明。
       2.2.2 快速加热技术
      热处理原理指出：通过快速加热或超快速加热法可以获得超细晶粒。R.A.Grange采用四次循环加热法可将45钢的奥氏体晶粒度由9级细化到10-14级；日本公开专利介绍了采用多次循环感应加热法制造高强韧弹簧钢棒。试验表明，上述方法存在的主要问题是循环快速加热次数过多，导致工艺、设备的复杂化，故其实际应用较少。目前，多采用一次性高温快速加热法使钢丝获得超细晶粒，并在生产上推广应用。
      20世纪70-80年代，我科研组采用铅浴电接触加热法（加热速度100℃/s以上），经一次性处理可使50CrVA等传统低合金钢丝由8-9级（ASTM标准）细化到10-12级，由于高温加热时间很短、而且钢丝组织变化绝大部分时间是在液体中进行的，它比用管式电阻炉处理者具有更高、更匀的强韧性；由于钢丝表面几乎不产生脱碳现象，故其抗疲劳性能好，使气阀弹簧寿命提高到(1.18-4.91)*10⁸往复次数（即使用寿命提高了几倍数到几十倍。类似的试验结果还有：对变形法（面缩率）较大的65钢丝采用上述处理方法，一次处理后可获得ASTM13级左右的超细晶粒。
      最近，国外资料介绍了采用二次铅浴热处理即采用1600°F（870℃）铅浴炉进行奥氏体化，900°F（480℃）铅浴炉回火来生产油淬火阀弹簧钢丝的先进技术。它的奥氏体化温度（T）控制严格，即A_c3        2.2.3 形变热处理技术
      把塑性变形和热处理两种工艺巧妙结合的强韧性技术均可命名为形变热处理。早期，Lips开发的适用于高碳钢及低合金钢丝的Ausoforming技术实质上是低温形变热处理（LTTH），它是把形变（拔丝）和马氏体相变强化紧密结合的一种复合工艺。获得超细晶粒，使钢丝的强韧性达到很高的水平。20世纪60、70年代，我们对碳素钢丝及多种低合金钢丝进行了低温形变热处理的基础理论研究；朱达明教授在此基础上对72B及50CrVA钢丝进行研究并成功地获得了专利，并且进行了小批量生产。已被一些厂家用来生产高强韧性弹簧，显著提高了弹簧的可靠性和使用寿命。
      目前的发展趋势，不是把钢丝晶粒及组织的超细化技术思路限制于传统的热处理观念上，而是强化生产过程，使成形性轧制（圆、卵形甚至变截面）和热处理技术紧密结合，达到高效、节约（低成本）及性能优异的目的。例如日本最近开发的超级钢材，采用高温多轴加工法、即把钢材加热到900-1200℃，冷却到它的临界点（A₁）上下（500-750℃），用深槽轧辊多方向反复轧制，从而得到极细晶粒（是现有钢材晶粒数的百万倍）。这种技术能否在金属制品生产中推广使用，值得研究。对于钢丝有的采用微型串列式轧机、辊或锥轧机、或用无模连续轧机来生产异型截面丝材或棒材，用以制造轿车悬架弹簧（如猪尾形弹簧）。
      上述技术生产专用设备及工艺都比较复杂，轧制及热处理工艺要求严格（一般采用电脑控制）。由于生产过程的强化和自动化，生产率高、产品质量好、而且生产成本提高不多，不仅满足了汽车工业的需要，而且提高了这类产品在市场的竞争力。