? ? I、前言
? ? 在批量生產(chǎn)的鋼種中，強(qiáng)度最高的鋼鐵材料是用高含碳(C)量的珠光體巧鋼拉絲加工進(jìn)行強(qiáng)化的高C鋼絲，并己被廣泛用作彈簧、預(yù)應(yīng)力(PC)鋼絲、橋梁用鋼絲、鋼(絲)繩、輪胎加固鋼絲等;近年還在鋼絲的高強(qiáng)度化方而取得了極大進(jìn)展，從而在追求鋼鐵材料的極限強(qiáng)度中走在最前而:如輪胎用鋼絲己由原2. 7GPa級提高至4GPa，橋梁用鋼絲己由原1. 6 GPa級提高至I. 8GPa級，PC鋼絲也由原1. 8GPa級提高至2. 3GPae下而概要介紹高C鋼絲在制造過程中的組織變化和強(qiáng)度的關(guān)系以及高強(qiáng)度化的方案;
還介紹了近期
高碳鋼絲的開發(fā)實(shí)例。
? ? 2、制造中的組織變化和強(qiáng)度
? ? 2. I、鉛浴淬火處理中的組織變化和強(qiáng)度
? ? 高碳鋼是將軋制線材進(jìn)行鉛浴淬火Patent in目熱處理后，再冷拉加工制造的，即將線材加熱到1223K而進(jìn)行奧氏體(A)化，然后在823K附近進(jìn)行等溫P相變的熱處理，使鋼變成均勻細(xì)小的鐵素體F(a)和滲碳體(Q)構(gòu)成的P組織，從而具有高的強(qiáng)度和延伸加工性。P的強(qiáng)度，受到組織為最小單位的層狀(lamel-
lar)間隔即4間的間隔影響大與霍爾一佩奇Hall- Peteh)的關(guān)系一樣，和層狀間隔的平方根成正比地增加。鋼在鉛浴淬火處理階段的強(qiáng)度己達(dá)1. 2一1. SGPa，這是因?yàn)閷訝铋g隔非常細(xì)小而達(dá)到了1Q0nm級的緣故。共析溫度和P相變度的過冷度越大，則層狀間隔越細(xì);在實(shí)用的合金元素中，Gr細(xì)化層狀結(jié)構(gòu)的效果最
好。由于提高鉛浴淬火材料強(qiáng)度有利于同時(shí)提高高碳鋼絲的強(qiáng)度用延性，I因此，為了滿足實(shí)用位錯(cuò)產(chǎn)生的粘附強(qiáng)化在高碳鋼絲的強(qiáng)化中也占有重要比率;并且，鉛浴淬火處理時(shí)是單晶0,而拉絲加工變成了毫微(1[}(一g))級多晶。這表明可有條件地非晶化，0的強(qiáng)度也改變了。
? ? 2.3,拉絲加工熱處理后的組織變化和強(qiáng)度
? ? 鋼絲繩可在拉絲加工狀態(tài)下使用;而對于彈簧,PC鋼絲，為了提高其在拉絲加工后的延伸率、疲勞特性、松馳特性，須進(jìn)行被稱作發(fā)蘭處理的低溫退火。并且，為了確保橋梁用鋼絲的耐蝕性，可在723K左右鍍鋅(Zn)。即使是層狀間隔相同，鋼絲的強(qiáng)度會(huì)因發(fā)蘭處理的溫度不同而顯著變化在523K左右出現(xiàn)了大的時(shí)效硬化;當(dāng)溫度超過673K，則其強(qiáng)度比拉絲加工的更低。
? ? 雖然拉絲加工對組織變化也有影響，但使用623K以內(nèi)溫度的發(fā)蘭處理卻未觀察到大的組織變化。因此可以認(rèn)為在523K左右的時(shí)效硬化是由固溶碳或部分0分解而產(chǎn)生的碳位錯(cuò)強(qiáng)化。然而，與前述拉絲加工時(shí)一樣，即使是低溫發(fā)蘭處理.也有多量的0分解。對在拉絲加工穿洲牛一卜和在523K, 723K進(jìn)行發(fā)蘭處理的鋼絲屈服強(qiáng)度及a((相)中碳濃度變化的研究表明:在拉絲加工后的階段a((抑中的碳濃度變
為百分之0.5個(gè)原子左右;但在523K,0進(jìn)一步分照碳濃度超過了百分之1個(gè)原子。因此，523K左右的顯著時(shí)效硬化，起因于多量0分解而造成的碳位錯(cuò)粘附強(qiáng)化。另夕卜若發(fā)蘭溫度超過623K，隨著位錯(cuò)的回復(fù)和再結(jié)晶的進(jìn)行，被強(qiáng)制加工的0部分也產(chǎn)生了球化從而使強(qiáng)度下降。而且位錯(cuò)密度下降的結(jié)果，也減少了
碳位錯(cuò)粘附強(qiáng)化的影響。
? ? 3、高弓曼度化方案及實(shí)例
? ? 提高高碳鋼絲強(qiáng)度的手段有鉛浴淬火、增大拉絲加工應(yīng)變及硬化率，抑制熔融鍍鋅和發(fā)生處理時(shí)的強(qiáng)度下降等，但無論采用哪種方法均須防止鋼絲延性的下降。一般用鋼絲扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)評價(jià)其延性:若延性下降在鋼絲的扭轉(zhuǎn)變形之初，就會(huì)產(chǎn)生被稱作“層離”(Delamination)的、沿拉伸方向的縱裂。此種縱裂是阻礙鋼絲
高強(qiáng)度化的木質(zhì)原因。為了既提高鋼絲強(qiáng)度絲強(qiáng)度為4. 1GPa, 0. 06mm的為5. 2GPa, 0.04mm的為5. 7GP氏遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了A1材和碳纖維的強(qiáng)度值。
? ? 在高強(qiáng)度鋼絲的制造過程中，最大的問題是影響生產(chǎn)率和收得率有關(guān)的斷絲事故。其主要原因是鋼基體上存在的非金屬夾雜物。因此應(yīng)在拉絲，絞線中將斷絲頻率控制在數(shù)次t以下;充分提高鋼的純凈度，嚴(yán)格控制鋼中夾雜物含量以確保高強(qiáng)度下的低斷絲頻率。并且，因輪胎用鋼絲加工硬化強(qiáng)度量特別多，故在開發(fā)高強(qiáng)度化鋼材吐也須重視對鉛浴淬火、鍍鋅處理、拉雄加工等二次加工技術(shù)開發(fā)。
? ? 3.3,橋梁用鋼絲,PC鋼絲的高強(qiáng)度化
? ? 這類鋼絲的特點(diǎn)是在拉絲加工后，以熔融鍍鋅、發(fā)蘭處理等手段進(jìn)行高強(qiáng)度化，這樣既可防止層離缺陷，又可抑制鍍層、發(fā)蘭時(shí)的強(qiáng)度卜降。對在拉絲加工條件下，鋼絲強(qiáng)度和熔融鍍鋅時(shí)強(qiáng)度下降量關(guān)系的研究表明，鋼強(qiáng)度越高，則其下降量也越大:在含硅較高的鋼上即使同一強(qiáng)度的鋼絲，強(qiáng)度下降量也達(dá)IOOGPa;若往鋼中加入Cr，則能減少卜降量。在鍍層及發(fā)蘭處理中引起強(qiáng)度下降的原因，是強(qiáng)制加工時(shí)部分0組織的斷裂?球化、a和0層狀組織崩潰的結(jié)果。用APF IM(顯微鏡)對鋼絲中硅的分布狀態(tài)進(jìn)行了解析，結(jié)果表明:因硅向0的固溶度低，在P的相變過程中，由界而擴(kuò)散引起需求，除層狀間隔的微細(xì)化強(qiáng)化夕卜還利用了Si對試相)的固溶強(qiáng)化和VC的沉淀強(qiáng)化;并且，提高鋼的含碳2，增加強(qiáng)度高的0((相)比率也可提高鋼的強(qiáng)度。
? ? 2-2,拉絲加工的組織變化和強(qiáng)度
? ? 試驗(yàn)研究表明:共析P鋼的特點(diǎn)是其加工硬化率明顯高于F鋼和F" M(鐵素體?馬氏體)雙相鋼，如在實(shí)際應(yīng)變4.3條件下，共析P鋼的強(qiáng)度達(dá)4G甄明顯高于雙相鋼的3 GPa和F鋼的1GPae采用微細(xì)P組織的高碳鋼線的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)之一就是加工硬化率高，即使在較小的拉加工應(yīng)變條件下，也可實(shí)現(xiàn)材料的高強(qiáng)度化，
這是工業(yè)生產(chǎn)的重要條件。
? ? 在鉛浴淬火處理階段，即使層狀組織的方向是無規(guī)則的，在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)變約為I的拉絲加工時(shí)，也會(huì)引起晶體茄陣專，使之變成大致與拉絲方向一致的層狀組織。層狀間隔與鋼絲直徑成正比地變小:即使開始的層狀間隔為100nm,在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)變?yōu)?以上的拉絲加工，也會(huì)將間隔縮小到1。。m;并且進(jìn)行強(qiáng)制加工的高碳鋼絲的at 相)，位錯(cuò)密度達(dá)1D(16) ml m3.這樣一來，從層狀間隔的細(xì)化強(qiáng)化,Q((相)位錯(cuò)強(qiáng)度的觀點(diǎn)，對高碳鋼絲的強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行，提出了多個(gè)相關(guān)模型。
? ? 另一方面，分解原拉絲加工中的0，也能查明由碳位錯(cuò)造成的粘附強(qiáng)化的影響。根據(jù)最近在原子水平上的解析，從拉絲加工初期對0進(jìn)行的解析，在進(jìn)行強(qiáng)擊咖工的鋼絲上ac((抑中的碳濃度也可達(dá)數(shù)個(gè)原子%，這超過固溶極限的試相)中碳的存在狀態(tài)雖然尚未查明，但若因位借和碳的彈性相互作用而形成(位錯(cuò)附近
，的)CotterII〔科特雷耳)氣氛、則與M一樣由碳又防止層離的發(fā)生，避免因拉絲加工應(yīng)變而造成的高強(qiáng)度化，增加鉛浴淬火材強(qiáng)度和拉絲加工硬化率是有效的。
? ? 如上所述，作為P鋼強(qiáng)化方法的鉛浴淬火，可添加合金元素的方法以充分利用層狀間隔細(xì)化強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。如添加多量的Cr等元素，就會(huì)減慢P的相變速度。因發(fā)蘭處理生產(chǎn)率較低，故應(yīng)采用適應(yīng)目標(biāo)的強(qiáng)化方法。另一方面，就加工硬化率而言，層狀間隔的影響占支配地位。鉛浴淬火處理后的初始層狀間隔越細(xì)小，加習(xí)切口呵圈圈的領(lǐng)域有明顯效果。即使是利用a((相)的固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化而增加鉛浴淬火材的強(qiáng)度，其加工硬化率也基木無變化并且，在拉絲加工應(yīng)變高的區(qū)域固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用是不能相加的。從以上情況可知，將以鋼絲繩為代表的高應(yīng)變拉絲加工作為必要的鋼絲強(qiáng)化手段，細(xì)化層狀結(jié)構(gòu)，能有效提高鉛浴淬火材料的強(qiáng)度并提高加工硬化率。在橋梁用大直徑鍍鋅鋼絲上，因拉絲加工應(yīng)變小，不能用層
狀間隔的細(xì)微化來提高加工硬化率。因此用a(相)的固溶?沉淀強(qiáng)化和提高鋼的a含2以增大0比來是實(shí)現(xiàn)可行的方法。
? ? 3一2,鋼絲繩的高強(qiáng)度化
? ? ? 現(xiàn)在主要的輪胎加固材還是鋼絲，因其具有比有機(jī)纖維(尼龍、聚脂等)更高的剛性、強(qiáng)度、耐熱性更能減少輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)阻力從而降低燃料消耗等優(yōu)點(diǎn)。將鋼絲高強(qiáng)度化是實(shí)現(xiàn)輪胎輕量化和減少淵陣專動(dòng)阻力的關(guān)鍵。
? ? 原來的最終鋼絲直徑為0-2一0. 3mm，是采用0.71%一0.8% C的高碳線材，以實(shí)際應(yīng)變量為3以上的拉絲加工制造的，其強(qiáng)度水平過3- 3一5GPae因在共析鋼上，強(qiáng)度達(dá)到了極限，故開發(fā)了大幅度提高碳含量的過共析鋼0.%C一0. 2%n Cr，其鉛浴淬火強(qiáng)度為1.5G甄比0. 8% C鋼高出0. 15GPa以上，此時(shí)
可將其層狀間隔控制到60rin的細(xì)小程度。研究了在不發(fā)生層離(裂匆條件下鋼絲強(qiáng)度與直徑的關(guān)系，結(jié)果表明，由于層狀間隔的細(xì)化大。幅度提高了共析鋼的強(qiáng)度：直徑為0.2mm的鋼a10界而硅的濃化，硅含量越高，則界而硅的濃度就越高。因0的球化，界面硅的擴(kuò)散是必要的，越是提高硅含量0的球化速度就越低，從而抑制了鋼絲強(qiáng)度的下降;為了提高鉛浴淬火材強(qiáng)度，硅和鉻元素對于抑制鋼絲層離(裂紋)的發(fā)生是有利的。
? ? 在以上研究成果基礎(chǔ)上，將1.8GPa級橋梁用鋼絲的硅含量從原來的0-201o提高到高硅鋼中的0.90/0，還開發(fā)了2. O GPa級I.2%n S i一0.201o一0.3%a Cr鋼絲;并且又以相同思路開發(fā)了2. 3GPa級強(qiáng)度的PC鋼絲。一般若提高鋼材強(qiáng)度，則其延伸性、韌性、延遲斷裂等特性就會(huì)變差。然而，上述開發(fā)鋼絲既提高了強(qiáng)度，又能將其延性、疲勞、延遲斷裂等特性控制在與原來鋼絲相同甚至更高的水平。如I. 8GPa和
2. OGPa級鍍鋅鋼絲己先后用于日本的明石海峽大橋，來島大橋的鋼繩，大幅度縮短了工期，降低了造價(jià)。
? ? 4、結(jié)語
? ? 現(xiàn)正進(jìn)行強(qiáng)度為SGPa級鋼絲繩的開發(fā)，并計(jì)戈U將之用于規(guī)模超過明石海峽大橋的東京灣口、伊勢灣口以及海外的大型吊橋。
? ? 今底為了使高碳鋼的高強(qiáng)度化取得更多進(jìn)展，進(jìn)一步查明阻礙高強(qiáng)度化的層離《裂紋)產(chǎn)生機(jī)理及拉絲過程中滲C體的變形機(jī)理.加工硬化機(jī)理等基耐姍究都十分重要。
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