（五）追求强度极限的高碳钢丝

    在棒、线材制品中，追求极限强度的材料为高碳钢丝，现以桥梁用钢丝对其工艺技术说明如下。

    二次加工企业对热轧半成品在要求其加工性好的同时为提高强度而实施韧化处理，该项技术于19世纪取得英国专利。这种热处理采用在导热性好的金属浴中进行等温且均匀化的热处理，使常温下钢中存在的铁素体和渗碳体组织转变为奥氏体，然后再通过快速冷却使之变态为珠光体（由渗碳体和铁素体2相组成的层状组织）。该方法产生的珠光体组织中由渗碳体相互间的间隔（即片层的厚度）来决定线材的强度，厚度越小则强度越高。假如在未进行韧化处理冷却至常温时，片层的厚度不均匀导致拉丝加工性降低，最终的强度也降低。为此，韧化处理对要求高强度的钢材生产是不可缺少的工艺过程。

    钢铁组织由高温到低温的过程中，奥氏体生成珠光体并长大；但从950℃快速冷却到550℃的低温时，则变成均匀的珠光体，由硬而脆的渗碳体相和软且延伸性好的铁素体相按同一方向并列组成；而对汽车板等加工性好的材料则生成较软的铁素体单相。

    若能将韧化处理省略，则给用户简化加工带来很大好处，上面提到的“DLP”设备便可起到这一作用，即在550℃盐浴下均匀调整冷却，使其在半成品时就转变为珠光体。对于砼紧缩用高强钢丝的生产，新日铁也通过“DLP”设备处理为用户省去韧化处理创造了条件。在桥梁用钢丝的生产中，经韧化处理后，为便于拉丝加工先经酸洗、磷酸锌皮膜处理的“润滑”处理后，再在室温下分多段进行拉丝加工。即将热轧后的Φ13mm的线材半成品冷拉减细至Φ7mm，最后为提高耐蚀性再进行镀锌处理。但轮胎补强用子午线钢丝则加工工序较多，即使用Φ5.5mm的线材，经拉丝加工为Φ3mm的钢丝，经中间韧化处理后，再拉丝至Φ1.5mm的钢丝，再经最终韧化处理和镀黄铜（可提高和橡胶的密接性）处理，最终再拉丝至Φ0.3mm并由5支组成成品。采取中间韧化处理的原因是防止由Φ5.5mm一次拉丝至Φ1.5mm时，可能由于韧性差而产生断线。总之，所有的钢材高强度化时，都会随着强度的上升而延伸性下降，因此可实用化的高强度极限关键在于延伸性，高强度用高碳钢丝的关键技术也是如何保持延伸性。

    （六）丝径越细强度越高的高碳钢丝

    钢丝的强度和丝径有明显的关系，如桥梁用钢丝等的丝径为Φ5～7mm，其强度为2000MPa以下，而丝径为Φ0.2～0.4mm的轮胎用子午线钢丝则强度高达4000MPa左右。通过钢丝的高强度化，有利于降低建设成本和减轻轮胎的重量。

    钢丝直径缩小时，由于拉丝加工时施加的压力，随着其变细程度（形变加工量）的加大使得强度相应加大，这便是其根本的原理。由于钢种的不同虽有一定的差别，但在韧化处理后强度达1200～1500MPa的钢丝继续拉丝时其强度仍持续提高。桥梁用钢丝等的形变量为1.5左右，子午线钢丝的形变量则高达3.5～4，其加工形变量与强度的关系见表3。

    表3 0.82％C钢的加工形变量与强度的关系
   

加工形变量（％）	0	1	2	3	4	5
抗拉强度（MPa）	1200	1700	2000	2800	3500	4300

    这一原理可由钢铁的组织变化来说明，铁素体相间隔的宽度（即片层的厚度）越小则强度上升。因为刚经韧化处理后的钢丝，其铁素体和渗碳体的结晶方向随机而呈不规则状态，通过拉丝加工强度高的渗碳体和延伸性好的铁素体的结晶均按拉丝方向变得整齐一致，因此钢丝越细时片层的厚度越小而强度越高。如钢中铁素体的粒径为Φ10～30um，作为国家项目开发中的“超级金属（高强度钢）”也仅为0.5～0.8um的水平；而钢丝在韧化处理后的片层厚度仅为0.1um左右（1200～1500MPa），最先进的子午线钢丝经过约20次的拉丝后变为0.01um，相应的强度也上升至4500MPa。

    轧制后的结晶方向若一致可提高强度的性质是钢材的共同现象，但薄板等产品在轧制时结晶只向轧制方向延伸而不向宽度方向延伸，因此随着方向的不同结晶粒径也不同。而线材的拉丝加工所使用的冷拔模具，采用和轧制方式不同的强压由四周均匀对线材挤压，因此结晶只能向拉丝方向发展，其结果使片层均匀而厚度变小，使强度快速提高。为施加强压的超高强度钢丝，拉丝时多用超高硬度的金刚石制模具。

    （七）高强度化的关键是珠光体的转变

    如上所述，高碳钢的珠光体比低碳普通钢的铁素体单相的强度要高的多。由此可知，珠光体在较小的拉丝变形量下易得到高强度，故成为工业化的重要因素。反之，对纯铁无论施加多强的压力进行冷拉丝加工也难以实现高强度化的效果。

    关于珠光体通过拉丝加工可快速提高强度的机理，目前尚未完全清楚。一个重要的原因为，通过拉丝加工使结晶微细化后的片层厚度变薄的“细晶强化”，还有加工使位错数量加大而硬化的“位错强化”都起到了重要的作用，这和对钢丝连续弯曲时该处变硬的现象相同。

    对于其它组织，如拉丝前无晶界的渗碳体经拉丝加工微细化至纳米级水平后强度也可提高的“渗碳体细晶强化”；还有稳定金属华的渗碳体（Fe3C）经拉丝加工而被分解，分解后的碳附着于位错使其不易移动致使强度提高的“固溶强化”等。过去只知道在大外力作用下金属化合物会分解，近来又发现渗碳体全部被分解的现象，因此引起各方的重视。新日铁作为高碳钢丝开发的先行者，把渗碳体分解所产生的强度和延伸性变化作为重要的研究课题，并通过研究其机理开发高强度钢丝。

    渗碳体分解机理未查明的原因是：铁是过细的组织，经强加工后的渗碳体也是几个纳米的过细组织，一般的仪器是难以观察到的，因此对其机理难以说明。但现在通过可放大100万倍的可对纳米组织解析的“高分解能透过型显微镜”和原子观测器，对点状并列的单个铁原子和铁素体，渗碳体的组织均可观察清楚，使研究有了很大的进展，有望不久的将来可得到解决。

    （八）强度和延伸性对立的挑战

    为使高碳钢丝实用化，不仅是强度，还必须解决造成破断的延伸性不足的问题。从两者的关系来看，桥梁用钢丝当强度超过2000MPa时其延伸性快速下降，即可实用化的最高强度应和延伸性保持平衡。单从技术上看，如单纯追求强度还可以进一步提高，但考虑延伸性的明显下降，现在子午线钢丝的极限强度也只规定在4000MPa以下。

    具有高延伸性的钢丝，对钢丝断面均匀的施加压力进行热断试验时，经数十次扭转后拉丝的垂直方向呈整齐的断面而破断（正常破断），但延伸性低的钢丝在扭力变形的初期即沿拉丝垂直方向产生龟裂（扭裂），这种现象的发生称为影响高强度化的重要原因。还有丝径较大时，在2000MPa左右即产生扭裂，而在丝径小时则到4000MPa还未产生，对此称之为“丝径效果”。对于产生扭裂的原因有多种说法，据研究渗碳体的分解是主要的原因。

    （九）尽可能减少拉丝加工的高强度钢材

    用兼顾钢材强度和延伸性的加工工序在对钢丝高强度化时，首先通过韧化处理使强度提高，再通过增大拉丝加工（加工形变）以提高单位形变的强度增加量（加工硬化率），还有如桥梁用钢丝等还应采取一些措施抑制由于镀锌（450℃）和发蓝处理等加热产生的强度下降。

    采取上述方法保持高强度化的同时，还应防止延伸性下降，即从保持延伸性可避免扭裂的因果关系出发，经试验结果证明，采取韧化处理材的高强度化和减少拉丝加工量以提高加工硬化率的方法，比提高拉丝加工量对保持延伸性更为有效。例如，最终强度目标为2000MPa的场合，对低韧化处理后的强度（1000～1300MPa水平）材，通过增加拉丝加工量达到目标时易发生扭裂；若对1400MPa的韧性处理材适当减少拉丝加工量时则不会发生。由此可看出采取后者对高强度下保持必要的延伸性较为有效。

    韧化处理材的强化方法也有很多种，其代表的方法为合金化。即在钢中增加碳、钒、铬、硅等元素的含量均可提高强度。其中通用的基本方法为增加碳含量；硅可在铁素体的固溶强化方面起到积极的作用；铬则在韧化处理时可使片层的厚度微细化使得提高强度得效果明显。还有在高碳钢（含C0.82％）中加入0.2～0.5％的铬，则对提高拉丝加工时的加工硬化率非常明显，因此十分有利于高碳钢丝的高强度化。关于在子午线钢丝和桥梁用钢丝方面的应用在前期的文章中已有介绍。

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