高碳盘条显微组织对
断裂韧性! 的影响
方峰!涂益友!徐忠良!于金!蒋建清
东南大学材料科学与工程系 南京
摘要\"采用单试样法测试了用三种不同工艺生产的 高碳盘条的断裂韧性 值!
计算了材料的 值!并对珠光体层片间距进行了测定!探讨了其组织对断裂韧性 值的影响\"试验结果表明! 高碳盘条的珠光体层片间距越细小! 值越大# 高碳盘条的
$
断裂韧性 为 $$\" ～ ! 为 ～
关键词\"高碳盘条#珠光体#单试样法#断裂韧性中图分类号\" 文献标识码\" 文章编号\"
引言
高强度低松弛预应力混凝土 用钢绞线是
发而发展起来的新品种 通过对共析成分的钢盘条轧制后进行控冷或铅浴处理 以获得晶粒细小的索氏体组织 具有良好的综合力学性能和形变性能 可用于拉拔生产 但由于该盘条开发成功至今只有十余年的时间 同时该盘条的直径较小 ＜ 加
工成钢丝则更细 ＜ 难以满足采用常规方法测试断裂韧性 的试样尺寸要求 而作为重要场合下使用的主要结构材料 级 钢绞线 需要掌握其断裂韧性 等相关数据 才能更科学地开展现代化建筑结构 大桥的安全设计 寿命预测等工作 同时 采用有限元法模拟计算 盘条的拉丝形变过程 可为原材料 的组织控制 拉丝生产工艺参数优化等提供参考依据 但也迫切需要其断裂韧性 和 的数值
第三代高档建筑材料 广泛应用于高层建筑 大跨度
桥梁 核反应堆外壳等现代大型建筑中 其中
级 钢绞线是目前已商业化应用的 钢绞线中级别最高 需求量最大的重要品种 它是以 热轧盘条为原料 通过若干道次的冷拉拔形变 然后经绞线 稳定化处理后制成的
盘条是随着高强度 钢绞线的开
收稿日期\"
基金项目\"国家 计划资助项目
江苏省十五科技攻关资助项目
作者简介\"方峰 男 讲师 博士
方峰等! 高碳盘条的显微组织对断裂韧性 的影响
I
对三种不同工艺生产的笔者采用单试样法
盘条的断裂韧性 值进行了
测定 研究了显微组织对 值的影响 同时按照相
I
关公式间接计算出材料的 值 的大小0
图 三点弯曲试样的尺寸(
试验材料与方法
试验材料
目前国内市场上有三种不同工艺生产的 盘条(简称 和 见表
具体工艺参数如下2循环次数 万次9频率 9疲劳裂纹长度约 9最大载荷 最小 载荷 0
其化学成分(质量分数 略有差异 见表 0
表 !
盘条的三种不同生产工艺
编号冶炼工艺连铸轧制工艺冷却工艺 电炉小方坯连铸连轧控冷 转炉大方坯连铸 开坯 连轧控冷
转炉
大方坯连铸 开坯 连轧
在线铅浴处理
表 三种 ! 盘条的化学成分
试样号
试验方法
采用 型电子万能试验机测试了材料的抗拉强度和断面收缩率0用 扫描电镜观察高碳热轧盘条的显微组织 并测量 ～
片渗碳体的距离 计算出珠光体的片层间距9每个样品测量 ～ 个珠光体团的片层间距 取平均值作为该样品的珠光体片层间距值0
测试! 的样品制备
在测量断裂韧性时 对试样的几何形状有严格的要求 因为试样的厚度 以及其它尺寸比例关系的规范化有助于保证平面应变 使测量的材料断裂韧性数值比较平稳0根据 <金属材料延性断裂韧度 试验方法>的要求 结合热轧高碳盘条尺寸( 制定三点弯曲试样的尺寸 见图 0
在热轧高碳盘条上用线切割机截取三点弯曲试样 用金相砂纸将样品表面磨光 并预制疲劳裂纹
! 的测量
根据 <利用 阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度的试验方法>的要求 采用单试样法测量材料的 0
( 三点弯曲试验在 型电子万能试验机上进行 加载速率为 测出载荷 位移( 丛 关系曲线0
( 在 丛曲线上判别开裂点 0求出开裂点对应的 和丛 计算出 丛曲线下的面积 即应变能 J
丛 丛0在积分能量中扣除由于压头变形而引起的能量部分 求出 0
( 用读数显微镜由断口测量韧带宽度 测量 处 取平均值 并测量裂纹扩展量丛 和裂纹总长度 0
( 利用公式 ( 计算临界点时的 积分即 0
( 进行有效性校核 首先检查 j (对
于钢 j (对于钢 9其次校
核 ( j 9最后校核裂纹扩展量丛 ＜
(对于 ＞ 的试样 0在上述条件都满足的情况下 测得的 值是有效的0 \" 的计算
在一定的条件下 和 之间应满足下列公
式
I
。 。 (
对于钢材 取 得到
。 (
试验结果与分析
力学性能
三种
盘条的力学性能见表 方峰等! 高碳盘条的显微组织对断裂韧性 的影响
采用控冷工艺获得的盘条 和盘条 可以看到
其力学性能基本相当 而采用在线铅浴处理的
盘条 其抗拉强度和断面收缩率明显较高
表 ! 盘条的力学性能
盘条抗拉强度
断面收缩率
显微组织三种 盘条的显微组织见图 可以看到 高碳盘条的显微组织均为索氏体组织
比较在线铅浴处理工艺与控冷工艺生产获得的珠光体组织 其渗碳体片的长度和层片间距有明显的差异 图 显示 盘条 的珠光体组织中的渗碳体片较长 其珠光体层片间距约为 卜 图 显示 盘条 的显微组织与盘条 相当 从图 中可以看到 盘条 的显微组织明显比前两者均匀 渗碳体片更短 而珠光体层片间距更小 约为 卜 ! 的测试结果
通过三点弯曲试验 测出三种高碳盘条的载荷 位移 丛 曲线 如图 所示 图中标出了盘条 的开裂点 图 中以丛标记 压头材料为钢 取弹性模量 根据开裂点的载荷 在 以下 压头为 的半圆 可算出由于压头变形引起的能量部分 压t 对 影响小于 因此这部分能量可以忽略
通过相关的数据处理 可以得到三种盘条的断裂韧性 值
结果见表 表 三种盘条的断裂韧性! 值
裂纹裂纹扩盘条
应变能
断裂韧性长度
展量
有效性
丛
检验
有效 有效
有效
\" 的换算结果
由表 的相关数据 根据式
可计算得到 为
～
盘条
盘条
盘条
图 三种不同盘条的显微组织形貌
图 高碳盘条的 丛曲线
方峰等! 高碳盘条的显微组织对断裂韧性 的影响
讨论
三种不同工艺生产的 盘条 其力学性能与断裂韧性 值均存在着一定的波动 其中盘条 的性能较好 盘条 和 基本相当 略低于盘条 这主要是由于高碳盘条生产工艺的不同 导致高碳盘条的组织有一些差别
与电炉冶炼 小方坯连铸连轧工艺相比 采用转炉冶炼 大方坯连铸和开坯轧制工艺生产的高碳盘条 其钢的纯净度高 盘条 和 中残余元素铜未检出 而盘条 中残余元素铜含量达到 材料的均匀性相对较好 但随着钢铁冶炼技术的进步 包括保护浇铸技术 控制凝固 末端电磁搅拌等技术的使用 使小方坯连铸生产的钢材质量得到很
大的提高 比较盘条 和盘条 的组织 见图 和力学性能 见表 和表 两者基本相当
结论
盘条的断裂韧性 值受到材料显微组织的影响 珠光体层片间距越细小 综合力学性能越好 其断裂韧性 值越大
采用单试样法测得 高碳盘条的
断裂韧性 为 计算得 为 ～
～
参考文献!
北京 冶金工业殷瑞钰 普通碳素钢和低合金钢
出版社
北刘宝琛 黄克智 试验断裂 损伤力学测试技术
京 机械工业出版社
北京 机械工业出版社 束德林 金属力学性能
特殊俞晏 连铸小方坯生产高质量特殊钢线材
钢
轧制后冷却工艺的不同 对高碳盘条的组织和性能有较大的影响 试验结果表明 采用在线铅浴处理工艺对珠光体的组织控制明显优于控冷工艺 盘条 的珠光体组织明显优于盘条 和 见图
相应的力学性能也明显较高
一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一关于举办一\"二级理化检验人员技术培训的通知
机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定
委员会秘书处 中国机械工程学会理化检验分会 上海材料研究所检测中心经研究决定 于 年 月 ～ 日在上海材料研究所联合举办化学分析 力学性能 金相检验三个专业的一 二级检验人员技术培训班 现将有关事项通知如下
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