钢丝的基本组织结构与使用性能

         钢丝的组织结构除指显微组织、晶粒度外，还包括显微组织缺陷。显微组织缺陷指钢丝实际晶格结构与理想晶格结构之间存在的差异，按冶金学理论，金属材料的显微组织缺陷可以分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。显微组织结构的各种缺陷可用相应的技术参数去定义和度量，也可以借助各种检验方法去观察和研究。钢丝的性能完全取决于组织结构，而组织结构在很大程度上取决于热处理和冷加工工艺，要生产出顾客滿意的钢丝产品，必须搞清组织结构与使用性能的关系，以及组织结构与热处理工艺的关系。

 

　　1 钢丝的几种基本组织形态

　　钢铁材料有7种基本组织结构：奥氏体、铁素体和渗碳体、珠光体、贝氏体、马氏体和莱氏体，其中奥氏体、铁素体和渗碳体是基本相，珠光体、贝氏体、马氏体和莱氏体是多相混合物。钢丝具有的各种组织结构的表观特性及性能特点描述如下：

　　奥氏体：观察Mn13或奥氏体钢1Cr18Ni9Ti的钢丝金相组织可发现，奥氏体的晶界比较直，晶内有孪晶或滑移线。淬火钢中的残余奥氏体分布在马氏体的空隙处，颜色浅黄、发亮。

　　奥氏体钢丝具有优异的冷加工性能，在高低温条件下均可保持良好的强韧性。一般来说奥氏体钢的冷加工硬化速率远大于珠光体和索氏体钢，经大减面拉拔可以制备具有特殊性能的弹簧，高锰奥氏体钢具有优异的耐磨性能和减振性能，奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性能和耐热性能。固溶状态的奥氏体钢无磁，经深冷加工有微弱的磁性。

　　铁素体：铁素体晶界圆滑，晶内很少见孪晶或滑移线，颜色浅绿、发亮，深腐蚀后发暗。钢中铁素体以片状、块状、针状和网状存在。纯铁素体组织具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度都很低a；冷加工硬化缓慢，可以承受较大减面率拉拔，但成品钢丝抗拉强度很难超过1200MPa。常用铁素体钢丝有铁素体不锈钢丝（0Cr17）和铁-铬-铝电热合金丝（0Cr25Al5）等。

　　渗碳体：钢中渗碳体以各种形态存在，外形和成分有很大差异。一次渗碳体多在树枝晶间处析出，呈块状，角部不尖锐；共晶渗碳体呈骨骼状，破碎后呈多角形块状；二次渗碳体多在晶界处或晶内，可能是带状、网状或针状；共析渗碳体呈片状，退火、回火后呈球状或粒状。在金相图谱中渗碳体白亮，退火状态呈珠光色。一次渗碳体和破碎的共晶渗碳体只有在莱氏体钢丝，如9Cr18、Cr12、Cr12MoV和W18Cr4V中才能见到，只要热加工工艺得当，冷拉用盘条中的一次渗碳体块度应较小、无尖角，共晶碳化物应破碎成小块、角部要圆滑，否则根本无法拉拔，渗碳体带轻度棱角的盘条，可以通过正火后球化退火+轻度（Q020%）拉拔+高温再结晶退火的方法加以挽救。带状和网状渗碳体也是拉丝用盘条中不应出现的组织，这两种组织提高钢的脆性，不利于钢丝加工成形，显著降低成品钢丝的切削性能和淬火均匀性，对网状2.5级的盘条可用正火的方法改善网状，一般来说钢丝经冷拉-退火两次以上循环，网状可降低0.5-1级。

　　珠光体：珠光体是由片状铁素体和渗碳体组成的混合物，其中渗碳体的质量分数为12%，铁素体的质量分数为88%，两者密度相近，在金相图谱中铁素体呈宽条状，渗碳体呈窄条状。

　　　　

2 钢丝的使用性能

　　冷加工性能：钢丝的可拉拔性能与显微组织结构密切相关。以珠光体钢丝为例，渗碳体几乎没有塑性变形能力，塑性变形全部在铁素体中进行，随着冷拉减面率的增加，铁素体片伸长变薄，内部位错密度不均匀性增加，形成胞状亚结构（俗称位错胞），逐步堆积在相界处，相界很快就变得模糊不清。粗片状渗碳体无法变形，在拉应力作用下只能破碎成链状碎片或碎粒，破碎的渗碳体与位错胞缠结在一起，很快阻塞铁素体中位错线的移动，钢丝就达到了拉拔限。当珠光体片层减薄到索氏体范围时，渗碳体与铁素体相界急剧加长，钢丝抗拉强度进一步提高，同时可变形铁素体更加分散，不均匀变形产生位错胞的几率明显减少，可变形深度加大，强化均匀性有所改善，钢丝的可拉拔性能和工艺性能自然相应提高。索氏体中渗碳体薄到一定程度后塑性和韧性也产生一定的变化，拉拔时可产生小角度的弯曲和扭转，破碎阻塞作用明显减小，对提高冷拉变形限也做出一份贡献。近期研究成果证明，当渗碳体薄到一定程度后确实有一定的塑性。理论解释是，渗碳体薄片能沿几个位向滑移，并断裂成碎片，同时也产生一些显微裂纹。渗碳体碎片表面具有很高的自由能，变得很不稳定，其中碳原子自发向铁素体位错胞处扩散，产生强制溶解现象，随减面率增大，渗碳体终变成微粒，弥散硬化效应进一步增强，钢丝的抗拉强度可增大到5000MPa以上。同时拉拔产生的高温使显微裂纹实现自愈合，金相观察也证实了这点，经90%以上减面率拉拔的碳素弹簧钢丝，组织沿拉拔方向完全纤维化，绝无显微裂纹存在。

 

　　切削加工性能：切削性能一般用工件切削后的表面粗糙度和刀具寿命等来衡量，金属材料在具有适中硬度（HB170-230）和一定脆性的条件下切削性能好。为获得理想切削性能，不同钢种可采用不同热处理工艺来得到适于切削加工的组织结构。低碳钢采用正火得到片状珠光体组织，中碳钢采用再结晶退火得到带有少量片的粒状珠光体（1-2级）组织，高碳钢和合金钢采用球化退火得到3-4级的粒状珠光体组织。为提高切削的脆性，改善工件表面光洁度，推荐选用含硫或含硒的易切削钢。

　　

       冷顶锻性能：冷顶锻指工件不经机械加工，直接顶压或锻造成形，是一件、资源节约型加工方法。冷顶锻变形量大，变形速率快，要求钢丝的硬度适中（HRB70-98）。钢丝太硬模具破损大，太软的钢丝切断时易产生粘连；冷加工硬化要慢；承受限变形能力要大（有时加工率大于90%）；变形尽可能均匀。根据前四条要求，在珠光体钢中粒状珠光体组织性能完全符合要求，3级粒状珠光体组织佳。改善变形均匀性的有效方法是加粗晶粒度，因为晶界是阻碍变形，造成变形不均的主要因素，晶粒适当加粗，界晶减少，变形均匀性提高，同时冷加工硬化也减慢。对于低碳和低合金铆螺钢丝，如ML10、ML20和ML20CrMoA等，为防止硬度太软，切断时粘连，多选用球化退火后轻拉状态交货。

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