不同热处理工艺盘条微观组织及力学性能分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)重庆大学材料科学与工程学院 作者:郭宁

  对国产Stelmor风冷盘条以及日本盐浴淬火盘条进行了力学性能及微观组织定量研究。力学性能分析表明,Stelmor盘条的断裂强度和塑性均低于盐浴淬火盘条,然而Stelmor盘条的维氏硬度却高于盐浴淬火盘条。利用电子背散射成像以及电子背散射衍射技术研究表明,Stelmor盘条微观上呈现簇状珠光体组织特征,珠光体团尺寸小、珠光体片层薄而短小以及小角度界面数量多是其维氏硬度高但塑性差的主要原因;然而,Stelmor盘条表层部分脱碳、心部硫化物夹杂较多,导致其没有达到相应硬度下应有的强度。

  冷拔高碳钢丝具有很高的强度,被广泛用于桥梁缆索、轮胎钢帘线、钢丝绳、弹簧以及真空设备等其它工程领域。近几十年来,伴随着我国经济的快速发展,桥梁建设进入高峰阶段,大跨度桥梁如悬索桥和斜拉桥建设的数量及规模已经处于世界领先行列[1]。随着桥梁跨度的增加,提高钢丝强度减轻缆索重量已成为工厂和科研人员急需解决的问题[2]。同时,超高强度钢丝的用量需求及质量要求使得成品钢丝和初始盘条的微观组织及强韧化机理研究也越来越受到人们的重视。目前国外桥梁用超高强钢丝的抗拉强度可以达到2300 MPa[3],而国产桥梁热镀锌钢丝的强度最高只有1860 MPa 左右[4]。

  钢丝是由盘条通过多道次冷拔工艺生产出来的,不同热处理工艺的盘条具有不同的强度和塑性。研究报道,高强度钢丝的研发关键之一就是提高现有盘条的强度和塑性[3]。目前国内关于拉拔钢丝组织结构及织构演变、渗碳体溶解和疲劳性能的研究报道较多[5-8],而关于不同热处理工艺处理的盘条组织研究的报道还较少。目前市场上用于生产拉拔钢丝的盘条主要有3 种,分别是热轧后利用余热采用斯太尔莫风冷( Stelmor conveyor line[9]) 处理的DP 盘条( direct patenting) 、热轧后利用余热进行盐浴淬火处理的DLP 盘条( direct in-line patenting[10] ) 以及重新奥氏体化后进行铅浴淬火处理的LP 盘条( lead patenting) 。其中DP 盘条和DLP 盘条被广泛用于生产桥梁用高强度缆索钢丝。

  本文利用背散射电子成像( Back Scattering Electron Imaging,BSE ) 、电子背散射衍射( Electron Backscattered Diffraction,EBSD) 技术对DP 盘条和DLP 盘条进行微观组织观察,然后对比力学性能数据分析国产DP 盘条的组织缺陷,以此探求开发国产高品质高强及超高强度盘条的关键因素。

实验材料及方法

  实验材料选用两种直径为13. 5 mm 的商业热轧盘条,一种为国产DP 盘条,另一种为日本DLP 盘条,两种盘条的化学成分如表1 所示。拉伸试验在SHT4505D 万能试验机上进行,试样长度为100 倍盘条直径,每种盘条分别测试10 根。在盘条横截面上,利用Everone MH-3 维氏硬度计分别对边部( edge,距盘条表层0. 2 ~ 2 mm) 、中部( middle,2 ~ 4 mm) 和心部( center,4 ~ 6 mm) 进行显微硬度测试,载荷200 g,加载时间10 s,每个区域分别测试60 个硬度点,然后统计平均硬度。微观组织观察。

讨论

  由于BSE 照片不仅反映了试样表层的原子序数信息,而其同时含有晶体取向信息,即电子通道衬度信息( electron channeling contrast,ECC[16] ) 。铁素体片层中微合金的固溶度越高,铁素体点阵畸变越严重,电子通道衬度越差,从而导致BSE 图像质量越低; 同时采用电子背散射衍射EBSD 技术对铁素体相进行标定时其标定率也较低。研究中发现,国产DP盘条BSE 照片衬度明显低于DLP 盘条,而且其铁素体片层的EBSD 标定率比DLP 盘条低5% 左右。反推可知国产DP 盘条铁素体组织中微合金的固溶程度要高于DLP 盘条。

  Si 和Mn 元素的增多提高了对铁素体的固溶强化作用,Cr 元素的添加细化了珠光体片层,因此微合金化程度的较高是导致国产盘条显微硬度高于同规格进口盘条的主要原因。然而,由于盘条中的硫化物夹杂的宽度远小于显微硬度压痕对角线的长度( 约30 μm) ,因此硫化物夹杂对显微硬度值并无较明显的影响; 相对而言,拉伸试验反映的是材料整体宏观的力学性能,所以脱碳以及硫化物的存在均导致国产DP 盘条实际强度低于其理论强度。

  经典塑性变形理论认为,形变强化的根本原因是位错运动受阻。珠光体结构中,铁素体片层两侧分布有硬相渗碳体。一般认为位错滑移主要在铁素体内进行,两侧渗碳体阻碍位错运动,位错运动到铁素体和渗碳体界面处便停止运动,导致位错塞积,材料强度得到提高,同时塑性下降[5]。因此铁素体两侧渗碳体之间的宽度,也即铁素体片层的厚度,以及铁素体片层的长度决定了位错滑移的可动距离。DLP 盘条珠光体片层间厚,片层比较平直且长度较长,位错可移动范围较大,所以强度低( 表现在显微硬度低上) 塑性较好; DP 盘条珠光体片层较薄、片层长度较短以及非平直片层较多,导致在垂直于珠光体片层和平行于珠光体片层的方向上铁素体内位错移动均受到更多的限制,因此造成DP 盘条强度高( 显微硬度高) 塑性差。

  综上所述,造成国产DP 盘条和进口DLP 盘条的力学性能和微观组织不同的根本原因是两者采用了两种不同的珠光体转变热处理工艺。对于进口DLP盘条,由于盐的热容量高,冷却速度快,保温能力强,珠光体转变基本上在同一个温度下进行,所以转变后生成的珠光体组织更为均匀,综合力学性能更好[10];相比之下,国产DP 盘条采用Stelmor 风冷,冷却速度有限,整个珠光体的温度区间跨度较大,导致转变后的珠光体组织不均匀,综合力学性能低于DLP 盘条。对于开发高强度桥梁用钢丝,提高C 含量是最为经济有效的方法之一[13]。然而随着C 含量的提高,先析渗碳体形成的趋势就随之增大,这时珠光体转变温度的控制就变得尤为重要,因此对于高碳钢丝采用盐浴淬火进行索氏体化处理是比较有效的方法。

结论

  1) 对于同牌号同规格珠光体盘条,采用Stelmor风冷进行珠光体等温转变的国产DP 盘条的强度和塑性均低于采用盐浴淬火的日本DLP 盘条;

  2) 国产DP 盘条微合金化程度较高,铁素体固溶强化作用更高,珠光体片层间距更为细小,导致DP盘条维氏硬度明显高于DLP 盘条。然而由于DP 盘条边部发生部分脱碳以及硫化物夹杂分布较多,这两种缺陷的存在导致国产DP 盘条实际强度低于DLP盘条;

  3) 国产DP 盘条微观结构呈现簇状珠光体结构,虽然珠光体簇与DLP 盘条相差不大,但由于一个珠光体簇/ 晶粒内有多个珠光体,导致DP 盘条珠光体团尺寸小,珠光体片层不如DLP 盘条珠光体片层长;而且DP 盘条内部非平直片层较多。因此,DP 盘条珠光体片层薄而短,是导致其塑性低于DLP 盘条的主要原因。

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