大变形量拉拔制取超高强度钢丝

    自从上个世纪90年代以来，用强塑性变形工艺来使钢铁材料超细化从而获得超高强度成为材料研究的一个热点，因为这种强化手段不依赖添加特别的合金元素，因此在节省战略稀缺物资方面具有重要意义。但是，作为其中研究热点的几项新方法，如等通道角挤压（ECAP）和高压扭转（HPT）等，都受到特殊设备的制约而难以实现大工业生产。值得注意的是，大变形量拉拔却是一种可利用现有设备实现大工业生产的强塑性变形工艺。在拉拔过程中，工件的应力状态为两向压应力、一向拉应力，符合强塑性变形工艺特征的基本原则；同时，各种变形条件如变形温度等也容易进行控制和调整，因此具有实际生产意义。

    实际上，将高碳珠光体钢进行拉拔加工强化而得到的高碳钢丝，在大批量生产的钢种中是强度最高的材料。冷拉珠光体钢丝凭借优异的性能已经在航空、汽车、冶金、矿山、机械、建筑等行业获得广泛应用。高强度钢丝制品一般采用共析点附近的高碳钢作为生产原料，进行大变形量冷拉变形，钢丝强度随应变量的增大而急剧上升。在实验室里可以拉拔出抗拉强度超过5GPa的钢丝；最近日本学者在实验室又得到抗拉强度达7GPa的钢丝。在实际生产中，拉拔加工强化高碳珠光体钢丝近年来也正在向超高强度化方向发展。例如，作为轮胎增强材料而采用的钢丝线，以前的强度为2800MPa，通过夹杂物控制技术及中心偏析控制技术，到上世纪八十年代末已提高到3400MPa，现正在研制达到4000MPa的钢丝线材。1500—1600MPa级的桥梁用镀锌钢丝已用了长达半个多世纪，而以世界最大的明石海峡大桥的建设为契机开发出了1800MPa的钢丝，进而又进行了2000MPa强度钢丝的研制。气门弹簧用钢丝在1970年下半年由1700MPa级的高碳钢丝改为1900MPa级的油回火钢丝，现在已经达到2200MPa的强度等级。

    研究表明，冷拉珠光体钢丝的优良性能与珠光体钢丝在冷塑性变形过程中的组织变化关系密切。以工业上广泛使用的70钢为例，其抗拉强度、显微硬度都随应变量的提高而提高，而且呈线性提高。组织观察表明，随着形变量的增加，渗碳体片的厚度、长度都在减小。珠光体的片间距随着变形量的增大不断变小，从而实现细晶强化功能，按照Hall-Petch关系式提高材料强度。

    试验表明，通过增加含碳含量与添加Cr可使片间距进一步细化。例如，添加Cr的过共析钢，可得到片间距为60纳米的非常细小的片间间隔，其铅淬材料的强度可比0.8%C钢高出150MPa以上。C及Cr通过细化片间距而显著提高加工硬化率，由此开发出超高强度的过共析Cr钢。