拉拔方向對鋼絲性能的影響

邱從懷， 吳建峰， 張春雷， 黃 克

(1. 國家金屬線材制品工程技術研究中心，江蘇 江陰 214433;2.法爾勝泓昇集團有限公司，江蘇 江陰 214433)

引 言

近年來，鋼絲制品的高強度化研究成為熱點，但鋼絲的高強度主要是通過大變形量產生的加工硬化實現的[1]，這必然使得材料疲勞壽命降低，如何解決強度與疲勞壽命的矛盾是當今鋼絲繩生產領域的難點之一[2]。鋼絲在拉拔過程中，材料表層承受模具極大的摩擦力，鋼絲周邊層受到較大的切變形和彎曲變形，外層沿軸向的流動速度較中心層慢，外表層要縮短，中心層要延伸，必然使材料外層引起殘余拉應力。研究表明，材料表面的殘余壓應力可提高疲勞壽命，而殘余拉應力則降低疲勞壽命[3]。國外學者在研究Al各道次正向+反向拉拔時發現材料表面的殘余拉應力下降，材料加工極限得以提升[4]。國內對鋼絲制品基本都是通過單一的正向拉拔[5]，而對于鋼絲反向拉拔研究極少。本試驗主要通過鋼絲在拉拔過程中改變其拉拔方向，對鋼絲進行正向和反向拉拔技術的研究，獲得反向拉拔對鋼絲性能的影響；并且分析滿足成品鋼絲要求的最佳換向壓縮率。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗用鋼絲為84C，Φ2.70 mm。

鋼絲原料處理流程：Φ5.50 mm盤條拉拔至Φ2.70 mm后等溫鉛浴淬火；在450/350型直進式干拉機進行拉拔，總壓縮率為97%，各道次壓縮率控制在20%左右。

1.2 試驗方案

1)先將鋼絲從Φ2.70 mm拉拔至Φ1.71 mm，回卷后使得鋼絲處于正向狀態；再從第5道次起依次進行各道次反向拉拔，分別取最后4個道次的鋼絲樣品，即直徑為Φ 0.64，0.58， 0.52和0.47 mm。

2)為了檢測鋼絲性能及微觀組織變化，進行拉伸、扭轉以及電阻測試試驗。靜態拉伸試驗采用MTS拉伸試驗機，試樣標距為200 mm，拉伸速度為10 mm/min。扭轉試驗采用LYNZ-1000扭轉試驗機，試樣標距L=200 mm，拉緊力為22.5 N，轉速為180 r/min。電阻測量采用JK2511型低電阻測試儀，各規格樣品截取500 mm長試樣，測量鋼絲試樣長度、直徑以及電阻后，利用電阻率計算公式計算各樣品電阻率。

2 結果和討論

2.1 電阻率

材料的電阻率與材料本身材質、溫度等因素有關，而同種材料的電阻率主要取決于材料表面以及內部的缺陷，包括空位、位錯、晶界、微裂紋等，缺陷越多，材料電阻率越高[2]。由試驗測得鋼絲試樣的長度、直徑和電阻，經下式計算出鋼絲的電阻率

ρ=RS/L

(1)

式中R為電阻(Ω)；S為有效截面積(m2)，其中圓柱試樣為πD2/4；L為試樣長度(m)。

正向拉拔至Φ0.64 mm時，鋼絲的電阻率為2.02×10-7Ω·m，再次正向拉拔至Φ0.58 mm時，電阻率略有提高，主要是由于鋼絲在拉拔過程中位錯增殖的結果[6]；進一步拉拔至Φ0.52 mm時，電阻率急劇上升，一方面是由于位錯增殖提高了電阻率，另一方面可能鋼絲拉拔到該壓縮率下產生軸向微裂紋，由于位錯增殖以及微缺陷的影響，電阻率得以大幅度提升，隨著拉拔道次的增加電阻率進一步提高。

將不同工藝、不同規格的鋼絲電阻率進行比較，如圖1所示，發現正向拉拔的電阻率基本都在反向拉拔之上，說明反向拉拔可影響材料內部缺陷，與正向拉拔相比缺陷減少。

圖1 鋼絲正向拉拔與各道次反向拉拔電阻率對比圖

2.2 抗扭強度

抗扭強度是判斷材料扭轉性能的主要性能指標之一；相同規格下，鋼絲抗扭強度越高，材料扭轉時可承受的扭矩越大，材料抵抗扭轉斷裂的性能越好。圓柱類抗扭強度(τb)計算公式[7]為

τb=Tb/(πdo3/16)

(2)

式中Tb為試驗材料在斷裂前承受的最大扭矩(N·m)；do為試驗材料直徑(mm)。

鋼絲拉拔至Φ 0.64 mm時，正向拉拔與反向拉拔抗扭強度變化較小，其中第6和第9道次抗扭強度相對較高。 而當鋼絲進一步拉拔至Φ0.58 mm時，鋼絲反向拉拔的抗扭強度得到提高，在第8道次反向拉拔時，提高了123 MPa。 鋼絲進一步拉拔達Φ0.52 mm時，正向拉拔抗扭強度也得到較大幅度提高，為2293 MPa，較直徑Φ0.58 mm的鋼絲提高了近200 MPa，反向拉拔時，抗扭強度得到進一步提高，在第9道次反向拉拔抗扭強度最高為2471 MPa，較同規格正向拉拔提高了178 MPa。 鋼絲進一步拉拔至Φ0.47 mm時，正向拉拔抗扭強度為2243 MPa，較Φ0.52 mm鋼絲下降50 MPa，可能是由于壓縮率增大到極大值時，由于表層與內部材料變形不一致，產生較大的殘余拉應力，在殘余拉應力與外載荷的共同作用下產生沿拉拔方向的微裂紋，該微裂紋在扭轉時逐步擴展，導致抗扭性能下降；反向拉拔時，抗扭強度提高，第12道次反向拉拔時，抗扭強度最大為2439 MPa，相對正向拉拔提高196 MPa，提高8.7%，如圖2 所示。

圖2 鋼絲正向拉拔與各道次反向拉拔抗扭強度對比圖

鋼絲經過正、反向拉拔至Φ0.64 mm和Φ0.58 mm時，反向扭轉值略高于正向扭轉值。當鋼絲正、反向拉拔至Φ0.52 mm與Φ0.47 mm時，直徑Φ0.52 mm鋼絲扭轉值都在55～58之間，而Φ0.47 mm的扭轉值都在51～55之間，可見反向拉拔對扭轉次數的影響并不明顯，如圖3所示。

圖3 不同直徑鋼絲拉拔扭轉值對比圖

假設材料可承受應力為一定值，則內部殘余拉應力的存在會使得材料可承受外加應力降低，若使材料內部殘余拉應力降低，可提高材料的外載荷承受能力。

如圖4所示為鋼絲經正向拉拔與各道次反向拉拔至Φ0.47 mm的應變-應力圖，發現趨勢基本一致，沒有明顯的屈服平臺。

圖4 鋼絲拉拔至Φ0.47 mm的應變-應力圖

圖5 鋼絲拉拔至Φ0.47 mm的應變(0.6%～1.4%放大圖)

將圖4在應變量0.6%～1.4%左右區域放大，如圖5所示。可以發現反向拉拔的曲線都在正向拉拔之下，說明在較小應變下，同等應變正向拉拔的強度都高于反向拉拔強度。材料的塑性變形主要是由于晶粒內的位錯滑移，而強度隨著位錯增殖不斷提高。之前電阻率已證實反向拉拔后的鋼絲電阻率較小，說明材料內部缺陷較少，一方面內部缺陷會影響位錯運動，內部缺陷越多，位錯運動所受阻礙越大；另一方面，由于反向拉拔降低了殘余應力，而應力場也會影響位錯的運動，正向拉拔強度較高，也可能是其存在較大的殘余應力，產生的應力場對位錯的運動有阻礙。

如圖6所示為圖4在應變量1.6%～2.4%放大圖，可以發現，在該區域內，正向拉拔曲線隨著應變量的增加，逐步低于反向拉拔強度。推測可能由于正向拉拔殘余應力較高，表面拉應力，而心部壓應力，該應力狀態會導致表面和心部晶體變形不一致，變形不一致性影響了強度的走勢。

圖6 鋼絲拉拔至Φ0.47 mm的應變(1.6%～2.4%放大圖)

將各道次反向拉拔和正向拉拔至Φ0.47 mm同應變下的應力做差值，如圖7所示，可以明顯發現，在應變量為0～1.9%左右，反向拉拔的應力都比正向拉拔小，應力差值最大相差了150 MPa左右。

圖7 鋼絲拉拔至Φ0.47 mm各應變量差值圖

2.3 拉伸性能

鋼絲經過正向拉拔與反向拉拔至Φ0.64 mm時，正向拉拔鋼絲的平均抗拉強度為2940 MPa，斷后伸長率為2.128%。各道次反向拉拔強度變化不大，塑性略下降，降幅較小，如圖8所示。

圖8 鋼絲正向拉拔與各道次反向拉拔至Φ0.64 mm斷后伸長率與抗拉強度對比圖

鋼絲經過正向拉拔至Φ0.58 mm后，鋼絲的抗拉強度為3126 MPa，斷后伸長率為2.34%，經過反向拉拔后，鋼絲的抗拉強度略有提高，但提高幅度不大，在第5道次拉拔最高為3184 MPa，斷后伸長率變化極小，如圖9所示。

圖9 鋼絲正向拉拔與各道次反向拉拔至Φ0.58 mm斷后伸長率與抗拉強度對比圖

圖10 鋼絲正向拉拔與各道次反向拉拔至Φ0.52 mm斷后伸長率與抗拉強度對比圖

如圖10所示，鋼絲經過正向拉拔與反向拉拔至Φ0.52 mm時，鋼絲正向拉拔時抗拉強度較高，為3439 MPa，反向拉拔后抗拉強度略有下降，在第6道反向拉拔時強度最低為3373 MPa，相對正向拉拔僅下降66 MPa，斷后伸長率變化不大。

如圖11所示，鋼絲經過正向拉拔至Φ0.47 mm時，鋼絲的平均抗拉強度為3608 MPa，斷后伸長率為2.202%，經過各道次反向拉拔后，鋼絲的強度和斷后伸長率都有所提高，從第5道次到11道次反向，抗拉強度基本呈現下降趨勢，在11道至16道次為先升高后降低，其中在第5道次反向拉拔強度最高為3738 MPa，相對正向拉拔上升130 MPa，提高了3.6%；而斷后伸長率基本呈現先升高后降低趨勢，其中第12道次反向拉拔斷后伸長率最高為2.457%，相對正向拉拔提高了11.5%。

圖11 鋼絲正向拉拔與各道次反向拉拔至Φ0.47 mm斷后伸長率與抗拉強度對比圖

2.4 強塑積

強塑積即抗拉強度與斷后伸長率的乘積，是表征材料強韌性水平的綜合性能指標。如圖12所示，無論鋼絲經過正向拉拔還是反向拉拔，隨著拉拔道次的增加，鋼絲的強塑積得以提高，說明材料隨著壓下量增加，材料潛能得到大幅度發揮。鋼絲經過反向拉拔至Φ0.64 mm，鋼絲的強塑積相對正向拉拔變化并不明顯，其中第6道次和第10道次反向拉拔強塑積相對較高；鋼絲進一步拉拔至Φ0.58 mm時，強塑積變化幅度也較小，強塑積在第8道次和第11道次相對較高。增大壓縮率鋼絲拉拔至Φ0.52 mm時，正向拉拔強塑積為7742 MPa·%，反向拉拔鋼絲強塑積較正向拉拔有小幅度提升，其中在第9道次和第13道次強塑積較高，而當鋼絲拉拔至Φ0.47 mm時，即壓縮率達到97%時，鋼絲的強塑積有明顯的提高，正向拉拔時強塑積為7945 MPa· %，在第12道次反向拉拔至Φ0.47 mm的強塑積最高為9042 MPa·%，較正向拉拔大幅提高12%。通過對比可以看出，反向拉拔工藝在大壓下量下作用更為明顯，可提高材料的綜合力學性能。

圖12 各直徑鋼絲正向拉拔與各道次反向拉拔強塑積對比圖

2.5 結 論

通過抗扭強度、強塑積等評價方式研究了反向拉拔對鋼絲性能的影響。通過以上討論，對各指標的特征值進行總結如表1所示。

表1 各壓縮率最優反向道次表

可見當鋼絲拉拔至Φ0.64 mm時，即總壓縮率為94.4%時，最佳反向道次為第6道，壓縮率為74.3%；鋼絲拉拔至Φ0.58 mm時，即總壓縮率為95.4%時，最佳反向道次為第8道，壓縮率為83.4%；拉拔至Φ0.52 mm時，即總壓縮為96.3%，最佳反向到處為第9道，壓縮率為86.8%；拉拔至Φ0.47 mm時，總壓縮率為97.0%時，最佳反向道次為第12道，壓縮率為93.1%。

將數據點進行擬合，得出最佳換向壓縮率與總壓縮率關系式

Y=6.8759X-5.7414

(3)

式中Y為最佳換向壓縮率，X為總壓縮率，將原數據代入，誤差小于2%，該公式適用區間為83.5%～97.7%。例如鋼絲總壓縮率為90%時，將其代入公式可得最佳換向壓縮率為44.7%。

3 結束語

研究表明84C鋼絲經過正向+反向拉拔后，相對于單一正向拉拔工藝，鋼絲電阻率略有下降，抗扭強度以及強塑積得以提高，說明反向拉拔工藝可提高材料的拉伸以及扭轉性能，減少材料內部組織缺陷；通過強塑積以及抗扭強度指標綜合對比，得出該84C鋼絲在該工藝下不同總壓縮率對應的最佳換向壓縮率，并擬合出最佳換向壓縮率計算方法。