高碳钢线材显微组织和屈服强度关系模型

高碳钢线材显微组织和屈服强度关系模型杨方敏，冯运莉，王成(河北理工大学金属材料工程系,河北唐山063009)摘要：本文用光学显微镜和扫描电子显微镜，运用定量金相技术，分析计算了铁素体含量和珠光体片间距。研究了高碳钢线材的显微组织和屈服强度之间的关系，建立了表示两者之间关系的数学模型：σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)。经验证，此模型与实验结果吻合得较好。关键词：高碳钢，线材，显微组织，屈服强度，数学模型MathematicalModelofTheRelationshipBetweenMicrostructureandYieldStrengthofHigh-CarbonSteelWireFENGYun-li,SHI-yan,WANGCheng(MetalMaterialEngineeringDepartment,HebeiPolytechnicUniversity,TangshanHebei063009,China)Abstract:UsingOpticalMicroscopeandScanningElectronMicroscope,withthetechnologyoffixquantitymetallurgicalphase,ferritecontentandtheplatedistanceofpearliteareanalyzed.Therelationshipbetweenthemicrostructureandyieldstrengthofhighcarbonsteelwirehasbeenstudiedandthemathematicalmodeloftherelationshiphasbeenestablished:σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m).Byexamination，thismathematicalmodelfitstotheexperimentresultwell.Keywords:highcarbonsteel,wire,microstructure,yieldstrength,mathematicalmodel1引言高碳钢高速线材经深度拉拔可用于制造钢丝绳，弹簧钢丝，及汽车轮胎的帘线等，但国内的高碳钢高速线材在拉拔过程中极易拉断的问题亟待解决。这一质量问题除钢坯中夹杂物较多的影响外，主要取决于高速线材的生产工艺。为提高高碳钢线材的质量，应在开发高碳钢线材的性能预报方面进行深入的研究，即根据钢坯的化学成分和加工工艺参数，如钢坯的加热温度，开轧温度，形变温度，终轧温度，水冷段各个水箱的水压，风冷各段的风压等参数预报产品的性能，以实现产品的在线质量控制。试验研究表明，为了使高碳线材具有优良的拉拔性能,要求组织中的索氏体含量达到80%以上且均匀、细小，若索氏体化率偏低或出现其它异常组织,就会造成拉拔断或脆断现象。研究还表明高碳钢线材的屈服强度与钢中铁素体的百分含量，珠光体的片层间距等因素有关。因此为了实现准确预报，须建立显微组织与力学性能关系的数学模型。本文主要是对高碳钢线材的显微组织与屈服强度之间关系的数学模型进行研究，为高碳钢线材生产工艺的制定提供理论依据。2试验材料及方法试验用钢取自唐钢产φ6.5mm的60号钢和65号钢，试样长度350mm，试验钢的化学成分见表1。用线切割机分别从每个试样上截取10mm长的圆柱形试样，以备金相检验之用，然后用SUN20电子拉伸试验机测试其力学性能见表2。表1试验用钢的化学成分（质量分数，%）Table1Thechemicalcompositionsofteststeels（wt%）牌号CMnSiSP600.560.710.230.0260.023650.630.600.280.0230.031表2试验用钢的力学性能Table2Themechanicalpropertiesofteststeels试样号σb/MPaσs/MPaδ10/%60-1939.76834.2812.8660-2934.61806.7814.2865-11008.36902.1812.51将上述金相试样磨光、抛光、用3%硝酸酒精溶液腐蚀后，用金相显微镜观测其组织，用定量金相的计点法测量了各试样中铁素体的百分含量见表3。用KYKY-2800型扫描电子显微镜观察了上述试样的显微组织，典型的照片见图1和图2。表3各试样的铁素体百分含量Table3Theaverageferritecontentofeachsample试样号60-160-265-1铁素体含量/%2.843.222.18图165-1试样的扫描电子显微镜照片图260-2试样的扫描电子显微镜照片Fig.1SEMphotographofsample65-1Fig.2SEMphotographofsample60-2在扫描电子显微镜下拍摄的照片上逐一测量了每个试样的各个视场的珠光体的片间距，求出统计平均值。由于试样磨制时对每个珠光体球团切割的角度不同，在扫描电子显微镜下观察到的片间距往往差异很大，只有当试样被切割的平面与珠光体片层垂直时，所测得的片层间距才接近真实的片层间距，所以在金相试样上观察到的片间距一般都大于真实的片间距，约大50%[1]，所以测量的平均片间距乘以50%，作为真实的片间距，各试样的片间距见表4。表4各试样中珠光体的片间距Table4Theplatedistanceofpearliteinthesamples试样号60-160-265-1片间距/μm0.15920.15700.14613显微组织与屈服强度间数学模型根据文献[2]，较高含碳量的铁素体-珠光体组织参数与屈服强度之间的关系应服从下述关系式：σs=fα1/3σα+（1－fα1/3）σpe（1）fα：铁素体的体积百分数；σα：铁素体的屈服应力；σpe：珠光体的屈服应力。珠光体的屈服应力σpe可用下式表示[2]：σpe=σi+KS－1（2）σi:摩擦应力；K：常数；S:珠光体的片层间距。研究证明，珠光体受力拉伸时，塑性变形基本上发生在铁素体片层内，而渗碳体对滑移起阻碍作用[3]，故式（2）中的σi即为σα，这样式（2）可写成：σpe=σα+KS－1（3）将式（3）代入式（1）整理得：σs=σα+（1－fα1/3）KS－1（4）将60-2，65-1试样的铁素体体积百分数fα，屈服强度σs及珠光体片层间距S分别代入式（4）得到如下方程组：σα＋4.343×106K=806.78×106σα＋4.932×106K=902.18×106解此方程组得：K=161.70σα=104.52×106（Pa）将K=161.70σα=104.52×106代入式（4）即得到高碳钢线材的屈服强度与显微组织的数学模型:σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)4数学模型的合理性4.1模型的合理性在数学模型σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)的建立过程中，假定试样60-2，65-1中铁素体的屈服应力σα相等。下面就该假设的合理性予以论证。在所研究高碳钢的铁素体中主要靠固溶强化，根据实验中使用的60钢和65钢的化学（见表1），对铁素体起固溶强化作用的元素主要是C、Mn和Si。由于实验中使用的60钢和65钢在斯太尔摩控冷线上的冷却条件相同，故铁素体中固溶的碳含量相同，因此，在这两种钢中碳对铁素体的固溶强化作用可视为相同，但试样中的Mn、Si含量稍有不同，由表1可知，60钢的Mn、Si质量百分数分别为0.71%和0.23%；65钢的Mn、Si质量百分数分别为0.60%和0.28%。由文献[4]可知，1wt%的Mn和1wt%的Si对铁素体的强度贡献分别是32MPa和83MPa，因此65钢中Mn和Si对铁素体固溶强化的贡献为42.4MPa，而60钢中Mn和Si的贡献为41.8MPa，两者之差为0.6MPa，仅占铁素体屈服强度的0.57%，其差异可忽略不计。因此，把两者的屈服强度视作相等是合理的。4.2模型适用条件4.2.1模型适用的钢种在建立数学模型σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)的过程中，应用了文献[2]中较高含碳量的铁素体－珠光体组织的屈服应力于组织参数间的关系σs=fα1/3σα+（1－fα1/3）σpe，因此该模型适用于较高含碳量的铁素体－珠光体组织的碳钢。4.2.2模型适用的冷却条件在建立数学模型σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)的过程中，采用了试样中的铁素体屈服强度相等的假设，碳对铁素体的屈服强度有重要的贡献，当钢相变时冷却条件相同或相近，碳在铁素体中的固溶度相同或相近，因此对铁素体固溶强化的贡献才相同或相近。因此该模型适用于相变时冷却条件相同或相近的较高含碳量铁素体－珠光体组织的碳钢。4.2.3模型中Mn、Si的适用范围碳钢中除碳外，Mn和Si是对铁素体固溶强化起主要作用的元素，只有Mn、Si含量相同或相近才能使其对强度的贡献相同或相近，从而满足在建立数学模型时铁素体的屈服应力相同或相近的假设，所以该模型适用于与所取试样Mn、Si含量相同或相近的较高含碳量铁素体－珠光体组织的碳钢。综上所述，数学模型σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)适用于与所用试样的Mn、Si含量相同或相近，相变时的冷却条件相同或相近的较高含碳量铁素体－珠光体组织的碳钢5数学模型的验证将表3、4中试样60-1的显微组织参数fα＝2.84%，S=0.1592μm代入公式σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)，得σs＝810.33MPa，与实验实测值834.28MPa比较，按模型的计算值与实验值的相对误差为2.9%，可见所建立的数学模型具有较高的精度。6结论（1）通过使用定量金相技术和扫描电子显微镜测量高碳钢线材的显微组织参数，建立了显微组织参数与屈服强度之间关系的数学模型σs（Pa）=104.52×106+161.70（1－fα1/3）S－1(m)。（2）此模型适用于与所用试样的Mn、Si含量相同或相近，且相变时的冷却条件与之相同或相近的高碳钢线材。参考文献：[1]刘云旭.金属热处理原理[M].北京：机械工业出版社，1982，38[2]R.W.卡恩P.材料与科学技术丛书，钢的组织与性能[M].北京：北京科学出版社，1999，53-54[3]刘永铨.钢的热处理（M）.北京：冶金工业出版社，1987，30[4]宋维锡.金属学.北京：冶金工业出版社，1997，393-394作者：冯运莉联系电话：[phone]