拉拔方向对钢丝性能的影响

邱从怀， 吴建峰， 张春雷， 黄 克

(1. 国家金属线材制品工程技术研究中心，江苏 江阴 214433;2.法尔胜泓昇集团有限公司，江苏 江阴 214433)

引 言

近年来，钢丝制品的高强度化研究成为热点，但钢丝的高强度主要是通过大变形量产生的加工硬化实现的[1]，这必然使得材料疲劳寿命降低，如何解决强度与疲劳寿命的矛盾是当今钢丝绳生产领域的难点之一[2]。钢丝在拉拔过程中，材料表层承受模具极大的摩擦力，钢丝周边层受到较大的切变形和弯曲变形，外层沿轴向的流动速度较中心层慢，外表层要缩短，中心层要延伸，必然使材料外层引起残余拉应力。研究表明，材料表面的残余压应力可提高疲劳寿命，而残余拉应力则降低疲劳寿命[3]。国外学者在研究Al各道次正向+反向拉拔时发现材料表面的残余拉应力下降，材料加工极限得以提升[4]。国内对钢丝制品基本都是通过单一的正向拉拔[5]，而对于钢丝反向拉拔研究极少。本试验主要通过钢丝在拉拔过程中改变其拉拔方向，对钢丝进行正向和反向拉拔技术的研究，获得反向拉拔对钢丝性能的影响；并且分析满足成品钢丝要求的最佳换向压缩率。

1 试验过程

1.1 试验材料

试验用钢丝为84C，Φ2.70 mm。

钢丝原料处理流程：Φ5.50 mm盘条拉拔至Φ2.70 mm后等温铅浴淬火；在450/350型直进式干拉机进行拉拔，总压缩率为97%，各道次压缩率控制在20%左右。

1.2 试验方案

1)先将钢丝从Φ2.70 mm拉拔至Φ1.71 mm，回卷后使得钢丝处于正向状态；再从第5道次起依次进行各道次反向拉拔，分别取最后4个道次的钢丝样品，即直径为Φ 0.64，0.58， 0.52和0.47 mm。

2)为了检测钢丝性能及微观组织变化，进行拉伸、扭转以及电阻测试试验。静态拉伸试验采用MTS拉伸试验机，试样标距为200 mm，拉伸速度为10 mm/min。扭转试验采用LYNZ-1000扭转试验机，试样标距L=200 mm，拉紧力为22.5 N，转速为180 r/min。电阻测量采用JK2511型低电阻测试仪，各规格样品截取500 mm长试样，测量钢丝试样长度、直径以及电阻后，利用电阻率计算公式计算各样品电阻率。

2 结果和讨论

2.1 电阻率

材料的电阻率与材料本身材质、温度等因素有关，而同种材料的电阻率主要取决于材料表面以及内部的缺陷，包括空位、位错、晶界、微裂纹等，缺陷越多，材料电阻率越高[2]。由试验测得钢丝试样的长度、直径和电阻，经下式计算出钢丝的电阻率

ρ=RS/L

(1)

式中R为电阻(Ω)；S为有效截面积(m2)，其中圆柱试样为πD2/4；L为试样长度(m)。

正向拉拔至Φ0.64 mm时，钢丝的电阻率为2.02×10-7Ω·m，再次正向拉拔至Φ0.58 mm时，电阻率略有提高，主要是由于钢丝在拉拔过程中位错增殖的结果[6]；进一步拉拔至Φ0.52 mm时，电阻率急剧上升，一方面是由于位错增殖提高了电阻率，另一方面可能钢丝拉拔到该压缩率下产生轴向微裂纹，由于位错增殖以及微缺陷的影响，电阻率得以大幅度提升，随着拉拔道次的增加电阻率进一步提高。

将不同工艺、不同规格的钢丝电阻率进行比较，如图1所示，发现正向拉拔的电阻率基本都在反向拉拔之上，说明反向拉拔可影响材料内部缺陷，与正向拉拔相比缺陷减少。

图1 钢丝正向拉拔与各道次反向拉拔电阻率对比图

2.2 抗扭强度

抗扭强度是判断材料扭转性能的主要性能指标之一；相同规格下，钢丝抗扭强度越高，材料扭转时可承受的扭矩越大，材料抵抗扭转断裂的性能越好。圆柱类抗扭强度(τb)计算公式[7]为

τb=Tb/(πdo3/16)

(2)

式中Tb为试验材料在断裂前承受的最大扭矩(N·m)；do为试验材料直径(mm)。

钢丝拉拔至Φ 0.64 mm时，正向拉拔与反向拉拔抗扭强度变化较小，其中第6和第9道次抗扭强度相对较高。 而当钢丝进一步拉拔至Φ0.58 mm时，钢丝反向拉拔的抗扭强度得到提高，在第8道次反向拉拔时，提高了123 MPa。 钢丝进一步拉拔达Φ0.52 mm时，正向拉拔抗扭强度也得到较大幅度提高，为2293 MPa，较直径Φ0.58 mm的钢丝提高了近200 MPa，反向拉拔时，抗扭强度得到进一步提高，在第9道次反向拉拔抗扭强度最高为2471 MPa，较同规格正向拉拔提高了178 MPa。 钢丝进一步拉拔至Φ0.47 mm时，正向拉拔抗扭强度为2243 MPa，较Φ0.52 mm钢丝下降50 MPa，可能是由于压缩率增大到极大值时，由于表层与内部材料变形不一致，产生较大的残余拉应力，在残余拉应力与外载荷的共同作用下产生沿拉拔方向的微裂纹，该微裂纹在扭转时逐步扩展，导致抗扭性能下降；反向拉拔时，抗扭强度提高，第12道次反向拉拔时，抗扭强度最大为2439 MPa，相对正向拉拔提高196 MPa，提高8.7%，如图2 所示。

图2 钢丝正向拉拔与各道次反向拉拔抗扭强度对比图

钢丝经过正、反向拉拔至Φ0.64 mm和Φ0.58 mm时，反向扭转值略高于正向扭转值。当钢丝正、反向拉拔至Φ0.52 mm与Φ0.47 mm时，直径Φ0.52 mm钢丝扭转值都在55～58之间，而Φ0.47 mm的扭转值都在51～55之间，可见反向拉拔对扭转次数的影响并不明显，如图3所示。

图3 不同直径钢丝拉拔扭转值对比图

假设材料可承受应力为一定值，则内部残余拉应力的存在会使得材料可承受外加应力降低，若使材料内部残余拉应力降低，可提高材料的外载荷承受能力。

如图4所示为钢丝经正向拉拔与各道次反向拉拔至Φ0.47 mm的应变-应力图，发现趋势基本一致，没有明显的屈服平台。

图4 钢丝拉拔至Φ0.47 mm的应变-应力图

图5 钢丝拉拔至Φ0.47 mm的应变(0.6%～1.4%放大图)

将图4在应变量0.6%～1.4%左右区域放大，如图5所示。可以发现反向拉拔的曲线都在正向拉拔之下，说明在较小应变下，同等应变正向拉拔的强度都高于反向拉拔强度。材料的塑性变形主要是由于晶粒内的位错滑移，而强度随着位错增殖不断提高。之前电阻率已证实反向拉拔后的钢丝电阻率较小，说明材料内部缺陷较少，一方面内部缺陷会影响位错运动，内部缺陷越多，位错运动所受阻碍越大；另一方面，由于反向拉拔降低了残余应力，而应力场也会影响位错的运动，正向拉拔强度较高，也可能是其存在较大的残余应力，产生的应力场对位错的运动有阻碍。

如图6所示为图4在应变量1.6%～2.4%放大图，可以发现，在该区域内，正向拉拔曲线随着应变量的增加，逐步低于反向拉拔强度。推测可能由于正向拉拔残余应力较高，表面拉应力，而心部压应力，该应力状态会导致表面和心部晶体变形不一致，变形不一致性影响了强度的走势。

图6 钢丝拉拔至Φ0.47 mm的应变(1.6%～2.4%放大图)

将各道次反向拉拔和正向拉拔至Φ0.47 mm同应变下的应力做差值，如图7所示，可以明显发现，在应变量为0～1.9%左右，反向拉拔的应力都比正向拉拔小，应力差值最大相差了150 MPa左右。

图7 钢丝拉拔至Φ0.47 mm各应变量差值图

2.3 拉伸性能

钢丝经过正向拉拔与反向拉拔至Φ0.64 mm时，正向拉拔钢丝的平均抗拉强度为2940 MPa，断后伸长率为2.128%。各道次反向拉拔强度变化不大，塑性略下降，降幅较小，如图8所示。

图8 钢丝正向拉拔与各道次反向拉拔至Φ0.64 mm断后伸长率与抗拉强度对比图

钢丝经过正向拉拔至Φ0.58 mm后，钢丝的抗拉强度为3126 MPa，断后伸长率为2.34%，经过反向拉拔后，钢丝的抗拉强度略有提高，但提高幅度不大，在第5道次拉拔最高为3184 MPa，断后伸长率变化极小，如图9所示。

图9 钢丝正向拉拔与各道次反向拉拔至Φ0.58 mm断后伸长率与抗拉强度对比图

图10 钢丝正向拉拔与各道次反向拉拔至Φ0.52 mm断后伸长率与抗拉强度对比图

如图10所示，钢丝经过正向拉拔与反向拉拔至Φ0.52 mm时，钢丝正向拉拔时抗拉强度较高，为3439 MPa，反向拉拔后抗拉强度略有下降，在第6道反向拉拔时强度最低为3373 MPa，相对正向拉拔仅下降66 MPa，断后伸长率变化不大。

如图11所示，钢丝经过正向拉拔至Φ0.47 mm时，钢丝的平均抗拉强度为3608 MPa，断后伸长率为2.202%，经过各道次反向拉拔后，钢丝的强度和断后伸长率都有所提高，从第5道次到11道次反向，抗拉强度基本呈现下降趋势，在11道至16道次为先升高后降低，其中在第5道次反向拉拔强度最高为3738 MPa，相对正向拉拔上升130 MPa，提高了3.6%；而断后伸长率基本呈现先升高后降低趋势，其中第12道次反向拉拔断后伸长率最高为2.457%，相对正向拉拔提高了11.5%。

图11 钢丝正向拉拔与各道次反向拉拔至Φ0.47 mm断后伸长率与抗拉强度对比图

2.4 强塑积

强塑积即抗拉强度与断后伸长率的乘积，是表征材料强韧性水平的综合性能指标。如图12所示，无论钢丝经过正向拉拔还是反向拉拔，随着拉拔道次的增加，钢丝的强塑积得以提高，说明材料随着压下量增加，材料潜能得到大幅度发挥。钢丝经过反向拉拔至Φ0.64 mm，钢丝的强塑积相对正向拉拔变化并不明显，其中第6道次和第10道次反向拉拔强塑积相对较高；钢丝进一步拉拔至Φ0.58 mm时，强塑积变化幅度也较小，强塑积在第8道次和第11道次相对较高。增大压缩率钢丝拉拔至Φ0.52 mm时，正向拉拔强塑积为7742 MPa·%，反向拉拔钢丝强塑积较正向拉拔有小幅度提升，其中在第9道次和第13道次强塑积较高，而当钢丝拉拔至Φ0.47 mm时，即压缩率达到97%时，钢丝的强塑积有明显的提高，正向拉拔时强塑积为7945 MPa· %，在第12道次反向拉拔至Φ0.47 mm的强塑积最高为9042 MPa·%，较正向拉拔大幅提高12%。通过对比可以看出，反向拉拔工艺在大压下量下作用更为明显，可提高材料的综合力学性能。

图12 各直径钢丝正向拉拔与各道次反向拉拔强塑积对比图

2.5 结 论

通过抗扭强度、强塑积等评价方式研究了反向拉拔对钢丝性能的影响。通过以上讨论，对各指标的特征值进行总结如表1所示。

表1 各压缩率最优反向道次表

可见当钢丝拉拔至Φ0.64 mm时，即总压缩率为94.4%时，最佳反向道次为第6道，压缩率为74.3%；钢丝拉拔至Φ0.58 mm时，即总压缩率为95.4%时，最佳反向道次为第8道，压缩率为83.4%；拉拔至Φ0.52 mm时，即总压缩为96.3%，最佳反向到处为第9道，压缩率为86.8%；拉拔至Φ0.47 mm时，总压缩率为97.0%时，最佳反向道次为第12道，压缩率为93.1%。

将数据点进行拟合，得出最佳换向压缩率与总压缩率关系式

Y=6.8759X-5.7414

(3)

式中Y为最佳换向压缩率，X为总压缩率，将原数据代入，误差小于2%，该公式适用区间为83.5%～97.7%。例如钢丝总压缩率为90%时，将其代入公式可得最佳换向压缩率为44.7%。

3 结束语

研究表明84C钢丝经过正向+反向拉拔后，相对于单一正向拉拔工艺，钢丝电阻率略有下降，抗扭强度以及强塑积得以提高，说明反向拉拔工艺可提高材料的拉伸以及扭转性能，减少材料内部组织缺陷；通过强塑积以及抗扭强度指标综合对比，得出该84C钢丝在该工艺下不同总压缩率对应的最佳换向压缩率，并拟合出最佳换向压缩率计算方法。