摘 要:采用定量金相法分析计算了亚共析钢拉拔变形中先共析铁素体应变量。结果表明,拉拔变形初期先共析铁素体应变量增大趋势远高于珠光体应变量;当应变量达到一定程度ε≈1.0时,两者同步增长,但最终先共析铁素体应变量仍远大于珠光体应变量。
关键词:钢丝;定量金相法;应变量;
随着我国基础设施的建设与社会发展对高性能金属丝材需求量的增加,尤其是强度高、疲劳寿命长的高性能钢丝绳,在现代化建筑、交通、通讯、水利、电力、能源等行业中得到了广泛应用,具有极其广阔的市场应用开发前景。长期以来国内外生产厂家都采用共析点附近的高碳钢生产高强度钢丝绳,但是高碳钢丝绳普遍存在疲劳性能较差的问题[1～3]。日、德、法等金属制品技术发达国家转向中碳钢丝绳的研究,力求突破传统高性能钢丝绳只能用高碳钢原料生产的禁区。与高碳钢相比,中碳钢具有良好的疲劳性能和塑性变形能力,并且生产成本较低。但是中碳钢初始强度较低,生产相同强度级别产品加工深度要求更高,如生产2000MPa级钢丝绳,采用高碳钢72A变形率只要90%(ε=2.30)就能达到强度要求,而采用45钢其变形率需达97%(ε=3.51)。由于珠光体与先共析铁素体强度不同,必然导致中碳钢组织变形的不均匀性,将这一现象定量化,对于分析中碳钢的变形极限具有重大意义。
1 试验材料与方法
1.1 材料与试验方法
试验材料为Φ5.5mm的45钢丝,热轧态。在某钢丝绳厂生产现场拉制成不同规格的钢丝,最大应变量ε=2.41。截取不同规格(应变量不同)钢丝横截面制成金相样品经4%硝酸酒精腐蚀后,采用Leo1450VP型扫描电子显微镜(SEM)进行观察分析。
1.2 图像处理与计算
由于考虑到在计算机中图像是以矩阵形式储存的,不同的数字代表不同颜色。对于黑白二值图而言,相应矩阵中的元素只有0和1,其中0代表黑色,1代表白色,见图1。因此,为了计算图中白色区域所占面积,只需计算矩阵中1元素的数量。首先采用Photoshop7.1软件对金相照片进行二值化处理,将珠光体和先共析铁素体区别开来。然后运用Matlab6.5软件提取处理后图像的数据矩阵,并计算矩阵中黑区所占比例,即先共析铁素体所占比例。为了尽量减少计算的偶然性误差,每道次试样都随机选取5个视场图像进行处理计算。
2 试验结果与分析
2.1 二值化处理与计算
图2为经二值化处理前后金相试样的SEM图像。由图2可见,处理后图像能准确反映源图中先共析铁素体(黑色区域)和珠光体(白色区域)的分布状况。
对系列照片进行图像二值化处理以后,再用Matlab软件提取二值图数据矩阵,并分别计算图像中白色区域(珠光体)和黑色区域(先共析铁素体)所占面积,得到的结果见表1。由表1可见,初始状态先共析铁素体所占比例约33%,原材料是热轧控冷盘条,其热轧后冷却速度较快,所以先共析铁素体少于平衡状态的43%。随着应变量增大钢丝横截面上可分辨的先共析铁素体所占比例不断降低。当应变量达到1.0左右,可分辨的先共析铁素体所占比例降为15%左右。但是随应变量进一步增大先共析铁素体所占比例基本稳定在15%左右。
2.2 先共析铁素体应变量计算
根据应变量的定义:ε=ln(A0/An),式中A0为钢丝初始横截面积,An为变形后钢丝横截面积。由试验中得到的钢丝横截面上先共析铁素体所占的比例Xn%,分别计算先共析铁素体和珠光体的应变量如下:
初始状态钢丝横截面上先共析铁素体所占的面积:S0=A0×X0;
变形后钢丝横截面上先共析铁素体所占的面积:Sn=An×Xn;
计算结果见表2。
由表2可见,拉拔初期由于先共析铁素体易变形,变形主要发生在先共析铁素体中。因此先共析铁素体应变量远远高于珠光体应变量,当整体应变量为0.5时,先共析铁素体的应变量已大于110,而珠光体应变量只有0.3左右;当整体应变达1.0左右时,由于先共析铁素体承受的应变(约1.8)超过珠光体承受的应变(约0.8)的两倍。由于加工硬化效应的存在,导致先共析铁素体和珠光体的强度已经基本相近。因此,随整体应变量的进一步增大先共析铁素体和珠光体同步变形,应变量增大趋势趋于一致,但先共析铁素体最终应变量(ε=3.14)仍远高于整体应变量(ε=2.41)。
3 结论
(1)采用Photoshop软件二值化45钢金相组织照片,能准确反映源图中先共析铁素体和珠光体的分布状况,并通Matlab软件计算在图像中各自所占面积比例。
(2)初始状态45钢钢丝横截面上先共析铁素体约占33%。随应变量的增大,在钢丝横截面上可分辨的先共析铁素体所占的比例不断降低,直至应变量达到1.0时先共析铁素体比例降至15%,但是随应变量进一步增大先共析铁素体所占比例基本稳定不变。拉拔变形初期,先共析铁素体应变量增大趋势远大于珠光体应变。当整体应变达1.0时,两者增大趋势趋于一致,但先共析铁素体最终应变量(ε=3.14)仍远高于整体应变量(ε=2.41)。
