桥梁缆索用冷拔珠光体钢丝微观组织表征及力学性能研究

摘要

本文综合采用多种实验手段系统表征了国内外桥梁缆索用SWRH82B典型珠光体盘条的组织特征,明确了国产盘条的不足之处;系统研究了珠光体钢在冷拔过程中的微观组织及织构演化规律,阐明了各微观组织参数对钢丝力学性能的影响,分析讨论了冷拔珠光体钢丝强化机制;优化了现有钢丝扭转测试方法,用新方法研究了扭转变形对成品热镀锌钢丝微观组织及力学性能的影响,揭示了扭转变形造成钢丝强度下降的机理。论文主要结论如下:
　　(1)提出了对未变形珠光体盘条和变形珠光体钢丝微观组织的背散射电子成像(BSEI)表征方法。由于只抛光不腐蚀,从而避免了金相腐蚀带来的诸多问题。BSEI结合EBSD技术可获得同一微区的珠光体形貌信息(包括珠光体片层间距和珠光体团尺寸等)和铁素体晶体取向信息(珠光体簇/晶粒尺寸和晶体学织构等)。
　　(2)定量研究了国产Stelmor风冷盘条(DP)和日本盐浴淬火盘条(DLP)微观组织及力学性能差异。指出DP盘条微合金化程度高,珠光体片层间距细小导致其显微硬度高;硫化物夹杂分布较多、边部发生部分脱碳导致其实际强度较低。DP盘条微观结构呈现簇状珠光体特征,一个珠光体簇/晶粒内有多个珠光体,珠光体团尺寸小,珠光体片层薄、短而且较为弯曲,导致其塑性较差。EBSD结果显示DP盘条铁素体基体内小角度界面(LABs)含量较高,LABs形成的主要原因是索氏体化处理时相变应力和热应力共同作用的结果。相变应力为固有应力,不可避免,而热应力的产生与索氏体化淬火介质有关,淬火介质热容量越高,热稳定性越好,相变时热应力越小,LABs数量相应就越小。由于盐浴的热稳定性比风冷更好,热应力小,所以DLP盘条铁素体内LABs比DP盘条少。
　　(3)定量表征了DP盘条在冷拔过程中的微观组织及织构演变。发现随冷拔应变量增高,渗碳体片层排列位相和铁素体片层晶体取向均出现择优排列,形成金相织构和晶体学织构。珠光体片层间距、铁素体片层厚度和渗碳体片层厚度同步细化减薄,并且在横截面和纵截面上细化速度保持一致。拉拔低应变量时,出现大量局部剪切带,在纵截面上剪切方向和拉拔方向呈0°至45°角。局部剪切发生是由于处于软取向的珠光体团在受到周围硬取向珠光体团约束时,团内铁素体和渗碳体片层共同滑移变形的结果。垂直于或者和拉拔方向呈大角度珠光体团通过发生局部剪切变形转向拉拔方向。冷拔变形后,钢丝横截面和纵截面显微硬度没有出现显著的各向异性,说明钢丝强度主要取决于珠光体片层间距大小,而渗碳体片层的择优取向以及＜110＞丝织构的形成对钢丝硬度和强度贡献较小。
　　(4)系统阐述了冷拔中等应变量珠光体钢丝的强化机制。发现对于梁缆索用冷拔珠光体钢丝而言,强化机制可以用Embury和Fisher等人提出的界面强化模型进行解释。界面强化:钢丝屈服强度σys和珠光体片层间距ILS满足Hall-Petch关系,即σys和ILS-1/2呈线性关系。通过拟合本文数据和文献报道中的相关数据得出公式σys=323.4+1563.9exp(ε/4),计算值与实测值较为符合。对于复合材料强化而言:需要同时考虑铁素体片层内部和渗碳体内部由于位错密度增值导致的加工硬化作用,然而由于渗碳体非常薄导致无法确定其内部位错组态和位错密度。仅考虑铁素体片层的加工硬化作用的复合材料强化模型,计算值与实测值相差较大。
　　(5)设计了新的扭转变形测试方法并研究了扭转变形对成品热镀锌钢丝组织及性能的影响。发现钢丝对扭转变形非常敏感,当发生扭转变形后,钢丝屈服强度显著下降。成品热镀锌钢丝铁素体内可动位错较少,扭转变形后,可动位错数量增多,滑移变形很容易进行,同时渗碳体片层发生滑移断裂,片层形貌被破坏,界面强化作用减弱,导致钢丝强度下降。由于扭转变形时表层承受的切应力远高于心部,位错增殖速度较快,加工硬化作用更强导致表层显微硬度高于心部。

目录

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 选题背景和意义

1.1.1 大跨径桥梁简介

1.1.2 桥梁缆索用钢丝

1.1.3 国内外发展现状

1.1.4 开发高强钢丝的意义

1.2 桥梁缆索用钢丝研究现状及发展方向

1.2.1 钢丝生产工艺

1.2.2 珠光体组织参数特征

1.2.3 真实珠光体片层间距的测定

1.2.4 冷拔钢丝变形特征

1.2.5 冷拔钢丝强化机制

1.2.6 桥梁缆索用钢丝发展方向

1.3 本文的主要研究内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 力学性能测试

2.2.1 拉伸实验

2.2.2 硬度测试

2.2.3 扭转测试

2.3 微观组织参数及织构测试

2.4 试样制备

2.5 珠光体微观组织的 BSEI 表征

2.5.1 BSEI 表征方法

2.5.2 BSEI 对比 SEI

2.5.3 现有表征方法比较

2.5.4 BSEI+EBSD 表征方法

2.6 本章小结

3 不同索氏体化工艺盘条组织及力学性能

3.1 实验材料

3.2 微观组织结构及缺陷

3.2.1 珠光体簇/晶粒

3.2.2 珠光体团和渗碳体片层形貌

3.2.3 组织缺陷

3.3 力学性能差异

3.4 珠光体盘条组织特征

3.4.1 BSEI+EBSD 研究

3.4.2 残余应力分析

3.4.3 铁素体内 LABs 成因

3.5 本章小结

4 中低应变量冷拔钢丝组织及织构演变

4.1 实验材料

4.2 珠光体组织演变规律

4.2.1 珠光体形貌的变化

4.2.2 珠光体片层间距的变化

4.3 铁素体晶体取向的演变规律

4.3.1 宏观织构

4.3.2 微观织构

4.3.3 XRD 和 EBSD 测定丝织构时的差异

4.4 珠光体片层转动的机理

4.5 本章小结

5 中低应变量冷拔钢丝力学性能及强化机制

5.1 位错密度的测定

5.1.1 XRD-WH 方法

5.1.2 位错密度的变化

5.2 位错组态演化

5.2.1 位错胞

5.2.2 位错胞形成机理

5.3 力学性能

5.3.1 拉伸性能

5.3.2 显微硬度

5.4 强化机制

5.4.1 应力状态

5.4.2 界面强化

5.4.3 位错强化

5.4.4 强化机制讨论

5.5 本章小结

6 扭转变形对钢丝组织及性能的影响

6.1 扭转实验简介

6.2 实验材料和方法

6.3 力学性能

6.3.1 拉伸性能

6.3.2 显微硬度

6.4 微观组织及织构的演变

6.4.1 组织形貌

6.4.2 宏观织构

6.4.3 微观织构

6.5 扭转后强度损失机理

6.6 国内外成品钢丝扭转性能对比

6.7 本章小结

7 总结

7.1 主要结论

7.2 研究工作的创新点

7.3 开发国产高强钢丝的建议

致谢

参考文献

附录

A 屈服强度与片层间距 Hall-Petch 关系的理论推导

B 铁素体和渗碳体物理化学性质

C 主要符号英文缩写及其意义

D 在学期间发表的学术论文与研究成果

E 教育简历