大變形量拉拔制取超高強(qiáng)度鋼絲

    自從上個世紀(jì)90年代以來，用強(qiáng)塑性變形工藝來使鋼鐵材料超細(xì)化從而獲得超高強(qiáng)度成為材料研究的一個熱點，因為這種強(qiáng)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(shè)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(shè)備實現(xiàn)大工業(yè)生產(chǎn)的強(qiáng)塑性變形工藝。在拉拔過程中，工件的應(yīng)力狀態(tài)為兩向壓應(yīng)力、一向拉應(yīng)力，符合強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行拉拔加工強(qiáng)化而得到的高碳鋼絲，在大批量生產(chǎn)的鋼種中是強(qiáng)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(jī)械、建筑等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)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(jìn)行大變形量冷拉變形，鋼絲強(qiáng)度隨應(yīng)變量的增大而急劇上升。在實驗室里可以拉拔出抗拉強(qiáng)度超過5GPa的鋼絲；最近日本學(xué)者在實驗室又得到抗拉強(qiáng)度達(dá)7GPa的鋼絲。在實際生產(chǎn)中，拉拔加工強(qiáng)化高碳珠光體鋼絲近年來也正在向超高強(qiáng)度化方向發(fā)展。例如，作為輪胎增強(qiáng)材料而采用的鋼絲線，以前的強(qiáng)度為2800MPa，通過夾雜物控制技術(shù)及中心偏析控制技術(shù)，到上世紀(jì)八十年代末已提高到3400MPa，現(xiàn)正在研制達(dá)到4000MPa的鋼絲線材。1500—1600MPa級的橋梁用鍍鋅鋼絲已用了長達(dá)半個多世紀(jì)，而以世界最大的明石海峽大橋的建設(shè)為契機(jī)開發(fā)出了1800MPa的鋼絲，進(jìn)而又進(jìn)行了2000MPa強(qiáng)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(dá)到2200MPa的強(qiáng)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(guān)系密切。以工業(yè)上廣泛使用的70鋼為例，其抗拉強(qiáng)度、顯微硬度都隨應(yīng)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(xì)晶強(qiáng)化功能，按照Hall-Petch關(guān)系式提高材料強(qiáng)度。

    試驗表明，通過增加含碳含量與添加Cr可使片間距進(jìn)一步細(xì)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(xì)小的片間間隔，其鉛淬材料的強(qiáng)度可比0.8%C鋼高出150MPa以上。C及Cr通過細(xì)化片間距而顯著提高加工硬化率，由此開發(fā)出超高強(qiáng)度的過共析Cr鋼。