高碳鋼的天然珠光體組織具有高強(qiáng)度和低成本組合。通過(guò)等溫奧氏體化過(guò)程，在近共析高碳鋼中形成了α-鐵素體和滲碳體片層交替的珠光體微結(jié)構(gòu)。片層的方向可以通過(guò)冷拉重新定向至拉拔方向，從而顯著細(xì)化。珠光體鋼絲通過(guò)簡(jiǎn)單的加工工藝獲得了高強(qiáng)度的納米片層組織，但是珠光體鋼絲的延性下降。由于鋼絲采用冷拔法制備，其面積減小大于75%，因此鋼絲中的鐵素體具有較高的位錯(cuò)密度，一般超過(guò)1015m-2。此外，位錯(cuò)滑移受到板片狀滲碳體的限制。因此，深冷拉珠光體鋼絲的平均延伸率為2-3%，由于塑性差、微觀結(jié)構(gòu)各向異性強(qiáng)，以及在實(shí)際應(yīng)用中遇到的復(fù)雜應(yīng)變條件，扭轉(zhuǎn)性能是評(píng)價(jià)塑性和韌性的另一個(gè)重要指標(biāo)。扭轉(zhuǎn)時(shí)沿周向施加剪應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)具有良好扭轉(zhuǎn)延性的線材并不總是具有良好的拉伸延性。這種扭轉(zhuǎn)塑性和拉伸塑性之間缺乏對(duì)應(yīng)關(guān)系是采用退火技術(shù)來(lái)提高深拉珠光體絲力學(xué)性能的難點(diǎn)之一。

東南大學(xué)的研究人員采用一種包含多個(gè)拉伸和退火步驟的新策略來(lái)制備珠光體鋼絲，利用新工藝路線設(shè)計(jì)了一種基于鐵素體片層間滲碳體納米粒子的新型顯微結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的珠光體鋼絲在相同應(yīng)變下拉伸相比，獲得了極高的強(qiáng)度和優(yōu)良的拉伸、扭轉(zhuǎn)延性組合。相關(guān)論文以題為“A modified pearlite microstructure to overcome the strength-plasticity trade-off of heavily drawn pearlitic wire”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114236

本研究選擇成分為Fe-0.92C-0.25Cr-0.9Si-0.7Mn(wt.%)的鋼材作為原料，熱處理后得到均勻珠光體組織。通過(guò)對(duì)拉拔階段進(jìn)行調(diào)整，在拉拔操作之間添加低溫退火(LTA)處理，以提高珠光體絲在拉拔過(guò)程中的應(yīng)變硬化，冷拉拔過(guò)程中控制鋼絲溫升，以防止無(wú)意中導(dǎo)致脆性轉(zhuǎn)變性能的LTA。

研究發(fā)現(xiàn)新加工的線材微觀結(jié)構(gòu)為典型的珠光體片層結(jié)構(gòu)，鐵素體可見(jiàn)高密度位錯(cuò)，片層間距為35-65nm，厚度為3-7nm。退火后鐵素體片層仍具有較高的位錯(cuò)密度，這與傳統(tǒng)加工金屬絲在拉伸狀態(tài)下的位錯(cuò)密度相似。在正常珠光體組織中，改性層狀界面附近分布滲碳體納米粒子，取代碳富集。這些改進(jìn)的邊界在拉伸應(yīng)變?cè)缙谝种屏宋诲e(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使其具有較高的強(qiáng)度，但也允許一些位錯(cuò)在其上運(yùn)動(dòng)，使其具有良好的延性。

圖1 新工藝加工后線材的微觀組織和APT結(jié)果

圖2 珠光體鋼絲在415℃下退火10分鐘后的微觀組織

圖3 珠光體鋼絲的拉伸性能

圖4 不同珠光體絲的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能

綜上所述，本文提出了一種結(jié)合簡(jiǎn)單拉拔和退火操作的新方法，以生產(chǎn)具有超高強(qiáng)度和超高塑性(拉伸和扭轉(zhuǎn))的珠光體絲，獲得了由鐵素體片層和改性片層邊界組成的改性珠光體組織。在不犧牲拉伸韌性和扭轉(zhuǎn)韌性的前提下，制備的線材強(qiáng)度比無(wú)應(yīng)變珠光體線材高900 MPa。制備的鋼絲抗拉強(qiáng)度為2300 MPa，均勻伸長(zhǎng)率為6.2%，扭轉(zhuǎn)應(yīng)變?yōu)?.73，與常規(guī)低溫退火的鋼絲相比，其抗拉和扭轉(zhuǎn)延性顯著提高。本文對(duì)珠光體鋼絲綜合性能的提升有積極作用。