0Cr17Ni7Al彈簧鋼絲的殘余應力分析與翹距控制

摘 要：為了解決0Cr17Ni7Al彈簧鋼絲在拉拔過程中出現(xiàn)的殘余應力問題及鋼絲卷曲后的回彈現(xiàn)象，通過實驗觀測和有限元模擬相結合的方法，分析了拉拔工藝參數(shù)對殘余應力及鋼絲翹距的影響，并構建了殘余應力與翹距之間的量化關系模型。結果表明：卷絲過程中絲圈軸向的塑性變形是翹距產生的主要原因，而殘余應力的分布特征對翹距有顯著影響；通過調整拉拔參數(shù)可以有效控制翹距；翹距與殘余應力之間的關系模型準確度高達0.97。研究結果深化了對拉拔工藝中殘余應力影響的理解，為鋼絲的后續(xù)加工和應用提供了技術參考。

關鍵詞：黑色金屬及其合金；0Cr17Ni7Al彈簧鋼絲；殘余應力；拉拔工藝；翹距；有限元模擬

中圖分類號：TG356.4

文獻標識碼：A"" DOI：10.7535/hbkd.2025yx01001

收稿日期：2024-06-30；修回日期：2024-08-17；責任編輯：胡姝洋

基金項目：

國家自然科學基金（52001110）；河北省自然科學基金（E2022208059）

第一作者簡介：

黃磊（2000—），男，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事殘余應力與疲勞性能方面的研究。

通信作者：

吳大勇，副教授。E-mail：wudayong_ysu@126.com

Residual stress analysis and warpage control of 0Cr17Ni7Al

spring steel wire

HUANG Lei GENG Changjian ZHAO Jiqing YUE Qi GUO Yanfei

SU Ru MA Haikun WU Dayong" KANG Jie1

（1.School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology，

Shijiazhuang， Hebei 050018， China;

2.AECC Shenyang Engine Research Institute， Shenyang， Liaoning 110000， China;

3.Special Steel Institute of Central Iron and Steel Research Institute， Beijing 10008" China;

4.Jiangsu Toland Alloy Company Limited， Danyang， Jiangsu 212300， China;

5.Sinosteel Zhengzhou Research Institute of Steel Wire Products Company Limited， Zhengzhou， Henan 450000， China）

Abstract：In order to solve the problem of residual stresses in the drawing process of 0Cr17Ni7Al spring steel wire and the rebound phenomenon after the wire curling， the effects of drawing process parameters on residual stresses and wire warpage were analyzed through a combination of experimental observation and finite element simulation. Subsequently， a quantitative relationship model between the residual stresses and warpage was constructed. The results indicate that the axial plastic deformation of the wire coil during the winding process is the primary cause of warpage， and the distribution characteristics of the residual stress have a pronounced impact on warpage. By adjusting the drawing parameters， the warpage can be effectively controlled. The accuracy of the relationship model between warpage and residual stress is as high as 0.97. The research result deepens the understanding of the influence of residual stress in the drawing process， and provides technical reference for the subsequent processing and application of the steel wire.

Keywords：ferrous metals and their alloys;0Cr17Ni7Al spring steel wire; residual stress; drawing process; warpage; finite element simulation

0Cr17Ni7Al不銹鋼是一種沉淀硬化型合金，以高強度、高硬度和耐腐蝕性而著稱^[1-2]。這種材料主要應用在海洋等復雜環(huán)境下，如彈簧、航空器結構件和發(fā)動機零件等^[3-5]。經過拉拔工藝，0Cr17Ni7Al不銹鋼絲材可展現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸強度，成為制造高彈性和高扭矩要求彈簧的理想材料^[6-9]。拉拔工藝是一種金屬塑性加工方法，通過將鋼絲穿過特定設計的模具孔型來減小材料的截面積，實現(xiàn)材料的塑性變形^[10]。在這一過程中，鋼絲會經歷不均勻的拉力，導致材料內部產生壓應力^[11]。當這些殘余應力超過一定閾值時，可能會引起鋼絲的局部或整體變形，如松弛、翹曲，甚至破壞材料的表面完整性，造成開裂或劃傷等缺陷^[12-13]。這些缺陷不僅影響材料的外觀質量，還可能降低其力學性能，增加后續(xù)加工的難度。

針對拉拔過程中殘余應力的問題，國內外學者也進行了多方面研究。RIPOLL等^[14]提出了2種減少拉拔過程中環(huán)向殘余應力的方法：一是使用先進的模具幾何設計；二是執(zhí)行成本較低的拉拔后定向彎曲操作。通過有限元模擬和在不同溫度下對鎢絲進行機械測試，預測出這些方法能夠顯著降低環(huán)向殘余應力，減少裂紋擴展風險，提升鎢絲的品質。DMITRIY^[15]指出，在拉拔過程中，圓截面鋼絲的殘余應力分布受到拉拔量和模具角度的影響。模具角度在小拉拔量下的影響尤為顯著。當拉拔量超過35%～40%時，殘余應力的不均勻性達到最大值后開始降低，這表明增加拉拔量可以提高材料硬化的均勻性，有助于減少殘余應力。方峰等^[16]利用ABAQUS軟件模擬了1 860 MPa級預應力混凝土鋼絞線用鋼絲的多道次拉拔過程。研究發(fā)現(xiàn)，在模具頂角為8°且道次壓縮率控制在16%～18%的條件下，損傷分布更為均勻，且最大損傷值較低。這表明合適的拉拔工藝參數(shù)能有效控制鋼絲的殘余應力及其損傷演化過程。

盡管已有研究通過工藝優(yōu)化顯著減少了拉拔過程中產生的殘余應力，提高了鋼絲的品質與性能，但通常忽略了鋼絲卷曲后可能出現(xiàn)的翹距問題。本研究探究殘余應力與翹距之間的內在聯(lián)系，通過深入分析殘余應力的分布特性，揭示其對鋼絲卷曲后翹距現(xiàn)象的影響機制，為翹距的精確預測和有效控制提供理論基礎。

1 材料及測試分析方法

實驗材料為2種材質的0Cr17Ni7Al彈簧鋼絲，含規(guī)格3.5 mm（鋼絲直徑）/50 cm（卷絲圈徑）、3.5 mm/65 cm、3.0 mm/50 cm、3.0 mm/65 cm，試樣按照材質-鋼絲直徑-卷絲圈徑命名，如表1所示。隨后通過調節(jié)絲模與卷筒的相對位置（調節(jié)絲模與卷筒軸向的角度），所生產的鋼絲在拆解后出現(xiàn)了不同程度的翹距，如表2所示。

翹距現(xiàn)象表明，在卷絲過程中，鋼絲經歷了特殊的彎曲變形。根據(jù)這種變形特性，可以推斷在鋼絲緊密纏繞到卷筒上時，相鄰絲圈之間會形成一定的翹距，即軸向上的距離。這種卷繞方式會在鋼絲中引入塑性變形，導致翹距的產生，即絲圈在卷曲后因殘余應力作用而發(fā)生的回彈現(xiàn)象。具體來說，沿絲圈的切向，鋼絲上側外層與下側外層之間的內應力差σy可以反映出殘余應力對絲圈回彈的影響。如圖1所示，

σ1、σ2分別為上側外層和下側外層的殘余應力，|σ1-σ2|為表面應力差，若σygt;|σ1-σ2|，則未發(fā)生翹距；若σylt;|σ1-σ2|，則導致翹距產生。如果上側外層的應力大于下側外層，那么在卷絲完成后，絲圈會傾向于向上回彈；反之，則會向下回彈。

測試儀器μ-360射線分析設備及測試原理見圖2。該設備在工作時，X射線照射到材料表面，與材料中的原子發(fā)生相互作用，沿特定方向產生衍射。材料內部的應力會引起晶格間距的變化，進而影響衍射峰的位置。通過測量衍射峰的位移，可以推算出晶格間距的變化。利用衍射峰的位移和布拉格定律，可以計算出材料中的應力。應力值的確定是通過與無應力狀態(tài)下的晶面間距進行比較來實現(xiàn)的。

2 實驗結果與分析

2.1 翹距表征

鋼絲在拉拔過程中，由于變形不均勻，通常沿軸向、鋼絲外層產生附加拉應力，中心層則出現(xiàn)與之平衡的附加壓應力^[17-18]。當材料本身組織均勻、拉拔過程中拉絲模不存在缺陷（模具損傷導致鋼絲受力嚴重不均勻）時，鋼絲的殘余應力不會導致鋼絲出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。如果自身殘余應力導致材料拉拔后出現(xiàn)變形，經模具拉拔后材料的表面完整性會受到破壞（開裂、劃傷等）^[19-20]。經過實地勘察與產品表面分析，沒有發(fā)現(xiàn)鋼絲表面有明顯損傷，因此，初步排除了拉拔過程中誘發(fā)自身殘余應力而導致的翹距問題。鑒于最后一次拉模卷絲過程對卷絲后的松弛和翹距具有顯著影響，研究的重點將轉移到優(yōu)化拉模卷絲過程中的參數(shù)上。

殘余應力測試過程中每種試樣選取2個位置P1和P 分別測量該位置的σ1和σ 測試結果見表3與圖3。結果發(fā)現(xiàn)，在拆解松弛狀態(tài)下（外加應力處在釋放狀態(tài)），殘余應力的測量（差值）只是材料本身的殘余應力，不足以表達翹距的程度（σ松=σ內=|σ1-σ2|lt;σy），這也與之前未發(fā)現(xiàn)表面有缺陷的結果吻合。因此，需要重新審視翹距的計算方法。對此，測量壓緊后的殘余應力，此時殘余應力值為本身的殘余應力與外加載荷（壓緊）時殘余應力之和（σ壓=σ內+σ外=|σ′1-σ′2|），而σ外便是反映試件翹距的關鍵，因此需要得出壓緊前后的殘余應力差：σ翹=σ外=σ壓-σ松。

基于上述方法的計算結果如圖4所示，與預期相吻合，即翹距越明顯，其應力差值越大，這證實了前述分析方法的有效性，為以后利用殘余應力分析鋼絲松弛與翹距建立了方法（具體算法以表3中試樣T-3.5-50 3.5 mm×50 cm為例，P1點位置：σ=（σ′P1-1-σ′P1-2）-（σP1-1-σP1-2）=（295.6-61.2）-（165.2-12.8）=82 MPa）。

為了驗證上述方法的合理性，基于ANSYS workbench模擬了不同翹距鋼絲在壓緊前后殘余應力的變化。模擬參數(shù)設置見表 翹距設置為10、20和30 cm，這些參數(shù)的設置旨在模擬實際生產過程中可能出現(xiàn)的不同卷絲翹距情況。在彈簧的兩端采用固定約束并進行壓縮，其模擬狀態(tài)如圖5所示。在壓縮過程中，不同翹距壓緊過程中鋼絲的應力變化如圖6所示。模擬結果顯示，隨著翹距的增加，壓緊前后的殘余應力變化規(guī)律與實驗相吻合，這也證實了測量方法與分析的正確性。同時該結果也說明了該翹距主要來源于卷絲過程中所造成的絲圈軸向的塑性變形，這種變形可以形象地理解為鋼絲在卷絲過程中呈現(xiàn)卷成彈簧的趨勢。

2.2 殘余應力與翹距的關聯(lián)性

在經過初步嘗試、調整模盒與卷筒相對位置后，進行了第2次試制（測試4個位置），測量結果如表5所示。本次試制后的所有絲圈均沒再出現(xiàn)翹距問題，說明了之前結論的正確性。進一步分析所有數(shù)據(jù)，將壓緊前后應力差與鋼絲拆解后的翹距相關聯(lián)，如圖7所示。通過數(shù)據(jù)擬合，建立了翹距與應力差σ翹之間的關系模型：

σ翹=2d+0.03d2+0.000 8d3+9 ，（1）

式中d為翹距。擬合的決定系數(shù)R²為0.97，說明模型對數(shù)據(jù)擬合效果很好。此外，進一步分析之前所模擬的數(shù)據(jù)（見圖6），由于所設置的圈數(shù)為3圈，因此，只需要取壓緊第1圈時（彈簧軸向長度1/3位置）的應力進行對比，如圖8所示?？梢钥闯觯嬎阒蹬c模型吻合良好，也證實了所建模型的準確性與合理性。

模型的誤差與局限性分析：理論上，壓緊狀態(tài)需要整體施加壓力，在實驗過程中，采用頭尾固定，無法保證其他位置是否存在應力釋放，這種誤差可能會隨著翹距的增加越來越大，因為測量過程中翹距越大越無法保證平面壓緊，可能會呈現(xiàn)∞狀的趨勢；鑒于試件尺寸及測量時需要保證測試位置水平，但光斑位置無法精確保證為頂點。整體來看，由于擬合度與對比良好，因此該模型的可靠性很高，誤差在可接受范圍內。

對兩種試樣殘余應力的所有測量結果進行了統(tǒng)計分析，結果如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，試樣T的殘余應力整體相對較低，但數(shù)據(jù)波動較大，甚至出現(xiàn)較大壓應力（-324.2～343.3 MPa，均值52.5 MPa）；試樣Z的殘余應力整體相對較高，但數(shù)據(jù)波動較小，集中在585.1～983.2 MPa，均值765.7 MPa。

3 結 語

通過研究0Cr17Ni7Al彈簧鋼絲在拉拔過程中的殘余應力表征和翹距現(xiàn)象，提出了一種創(chuàng)新性的翹距表征方法。研究發(fā)現(xiàn)，翹距的產生與卷絲過程中軸向上的應力誘發(fā)的塑性變形密切相關，通過優(yōu)化拉拔工藝參數(shù)，可以有效降低翹距現(xiàn)象，從而提升鋼絲的整體品質和應用性能。所構建的翹距與應力差的數(shù)學模型σ翹=2d+0.03d2+0.000 8d3+9具有較高的準確度（R²=0.97），驗證了該方法的科學性和實用性。該方法基于測量卷取后的鋼絲殘余應力差值，為利用X射線衍射技術分析翹距問題提供了參考。

本文在0Cr17Ni7Al彈簧鋼絲翹距表征方法和數(shù)學模型構建方面取得了初步成果，但是材料的微觀組織對翹距的影響還有待進一步研究。

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