高碳鋼的天然珠光體組織具有高強度和低成本組合。通過等溫奧氏體化過程，在近共析高碳鋼中形成了α-鐵素體和滲碳體片層交替的珠光體微結(jié)構(gòu)。片層的方向可以通過冷拉重新定向至拉拔方向，從而顯著細(xì)化。珠光體鋼絲通過簡單的加工工藝獲得了高強度的納米片層組織，但是珠光體鋼絲的延性下降。由于鋼絲采用冷拔法制備，其面積減小大于75%，因此鋼絲中的鐵素體具有較高的位錯密度，一般超過1015m-2。此外，位錯滑移受到板片狀滲碳體的限制。因此，深冷拉珠光體鋼絲的平均延伸率為2-3%，由于塑性差、微觀結(jié)構(gòu)各向異性強，以及在實際應(yīng)用中遇到的復(fù)雜應(yīng)變條件，扭轉(zhuǎn)性能是評價塑性和韌性的另一個重要指標(biāo)。扭轉(zhuǎn)時沿周向施加剪應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)具有良好扭轉(zhuǎn)延性的線材并不總是具有良好的拉伸延性。這種扭轉(zhuǎn)塑性和拉伸塑性之間缺乏對應(yīng)關(guān)系是采用退火技術(shù)來提高深拉珠光體絲力學(xué)性能的難點之一。

東南大學(xué)的研究人員采用一種包含多個拉伸和退火步驟的新策略來制備珠光體鋼絲，利用新工藝路線設(shè)計了一種基于鐵素體片層間滲碳體納米粒子的新型顯微結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的珠光體鋼絲在相同應(yīng)變下拉伸相比，獲得了極高的強度和優(yōu)良的拉伸、扭轉(zhuǎn)延性組合。相關(guān)論文以題為“A modified pearlite microstructure to overcome the strength-plasticity trade-off of heavily drawn pearlitic wire”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114236

本研究選擇成分為Fe-0.92C-0.25Cr-0.9Si-0.7Mn(wt.%)的鋼材作為原料，熱處理后得到均勻珠光體組織。通過對拉拔階段進行調(diào)整，在拉拔操作之間添加低溫退火(LTA)處理，以提高珠光體絲在拉拔過程中的應(yīng)變硬化，冷拉拔過程中控制鋼絲溫升，以防止無意中導(dǎo)致脆性轉(zhuǎn)變性能的LTA。

研究發(fā)現(xiàn)新加工的線材微觀結(jié)構(gòu)為典型的珠光體片層結(jié)構(gòu)，鐵素體可見高密度位錯，片層間距為35-65nm，厚度為3-7nm。退火后鐵素體片層仍具有較高的位錯密度，這與傳統(tǒng)加工金屬絲在拉伸狀態(tài)下的位錯密度相似。在正常珠光體組織中，改性層狀界面附近分布滲碳體納米粒子，取代碳富集。這些改進的邊界在拉伸應(yīng)變早期抑制了位錯的運動，使其具有較高的強度，但也允許一些位錯在其上運動，使其具有良好的延性。

圖1 新工藝加工后線材的微觀組織和APT結(jié)果

圖2 珠光體鋼絲在415℃下退火10分鐘后的微觀組織

圖3 珠光體鋼絲的拉伸性能

圖4 不同珠光體絲的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能

綜上所述，本文提出了一種結(jié)合簡單拉拔和退火操作的新方法，以生產(chǎn)具有超高強度和超高塑性(拉伸和扭轉(zhuǎn))的珠光體絲，獲得了由鐵素體片層和改性片層邊界組成的改性珠光體組織。在不犧牲拉伸韌性和扭轉(zhuǎn)韌性的前提下，制備的線材強度比無應(yīng)變珠光體線材高900 MPa。制備的鋼絲抗拉強度為2300 MPa，均勻伸長率為6.2%，扭轉(zhuǎn)應(yīng)變?yōu)?.73，與常規(guī)低溫退火的鋼絲相比，其抗拉和扭轉(zhuǎn)延性顯著提高。本文對珠光體鋼絲綜合性能的提升有積極作用。