大變形量拉拔制取超高強度鋼絲

    自從上個世紀90年代以來，用強塑性變形工藝來使鋼鐵材料超細化從而獲得超高強度成為材料研究的一個熱點，因為這種強化手段不依賴添加特別的合金元素，因此在節(jié)省戰(zhàn)略稀缺物資方面具有重要意義。但是，作為其中研究熱點的幾項新方法，如等通道角擠壓（ECAP）和高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）等，都受到特殊設備的制約而難以實現(xiàn)大工業(yè)生產(chǎn)。值得注意的是，大變形量拉拔卻是一種可利用現(xiàn)有設備實現(xiàn)大工業(yè)生產(chǎn)的強塑性變形工藝。在拉拔過程中，工件的應力狀態(tài)為兩向壓應力、一向拉應力，符合強塑性變形工藝特征的基本原則；同時，各種變形條件如變形溫度等也容易進行控制和調(diào)整，因此具有實際生產(chǎn)意義。

    實際上，將高碳珠光體鋼進行拉拔加工強化而得到的高碳鋼絲，在大批量生產(chǎn)的鋼種中是強度最高的材料。冷拉珠光體鋼絲憑借優(yōu)異的性能已經(jīng)在航空、汽車、冶金、礦山、機械、建筑等行業(yè)獲得廣泛應用。高強度鋼絲制品一般采用共析點附近的高碳鋼作為生產(chǎn)原料，進行大變形量冷拉變形，鋼絲強度隨應變量的增大而急劇上升。在實驗室里可以拉拔出抗拉強度超過5GPa的鋼絲；最近日本學者在實驗室又得到抗拉強度達7GPa的鋼絲。在實際生產(chǎn)中，拉拔加工強化高碳珠光體鋼絲近年來也正在向超高強度化方向發(fā)展。例如，作為輪胎增強材料而采用的鋼絲線，以前的強度為2800MPa，通過夾雜物控制技術及中心偏析控制技術，到上世紀八十年代末已提高到3400MPa，現(xiàn)正在研制達到4000MPa的鋼絲線材。1500—1600MPa級的橋梁用鍍鋅鋼絲已用了長達半個多世紀，而以世界最大的明石海峽大橋的建設為契機開發(fā)出了1800MPa的鋼絲，進而又進行了2000MPa強度鋼絲的研制。氣門彈簧用鋼絲在1970年下半年由1700MPa級的高碳鋼絲改為1900MPa級的油回火鋼絲，現(xiàn)在已經(jīng)達到2200MPa的強度等級。

    研究表明，冷拉珠光體鋼絲的優(yōu)良性能與珠光體鋼絲在冷塑性變形過程中的組織變化關系密切。以工業(yè)上廣泛使用的70鋼為例，其抗拉強度、顯微硬度都隨應變量的提高而提高，而且呈線性提高。組織觀察表明，隨著形變量的增加，滲碳體片的厚度、長度都在減小。珠光體的片間距隨著變形量的增大不斷變小，從而實現(xiàn)細晶強化功能，按照Hall-Petch關系式提高材料強度。

    試驗表明，通過增加含碳含量與添加Cr可使片間距進一步細化。例如，添加Cr的過共析鋼，可得到片間距為60納米的非常細小的片間間隔，其鉛淬材料的強度可比0.8%C鋼高出150MPa以上。C及Cr通過細化片間距而顯著提高加工硬化率，由此開發(fā)出超高強度的過共析Cr鋼。

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