冷拔珠光体钢丝多尺度组织结构对断裂行为的作用机制

To fully understand the facture mechanism of the cold-drawn pearlitic steel wire during drawing and application, the effects of the multi-scale microstructures on crack initiation and propagation in the pearlitic steel wire are investigated . In this project, undercooling, isothermal heat treatment and cold drawing are used to control the wire rod’s microstructures. With SEM、TEM、EBSD、FIB、3D ATP and microscopic-digital image correlation(μDIC), the relationships between the fracture behaviors and the multi-scale microstructures, which include original austenite size, pearlitic colony and lamellar size, nanoscale cementite, lamellar cementite orientation and dissolution carbon distribution, are studied. With the finite element method, the fracture mechanism and its controlled-factors will be obtained in the cold-drawn pearlitic steel wire. Finally, the model between multi-scale microstructures and the fracture behavior in the pearlitic steel wire is established, which is helpful to improve its fracture toughness and provide the data for safety assessment and its design.

针对冷拔珠光体钢丝在拔制和服役过程中的断裂问题，基于多尺度组织结构参量对断裂行为有控制作用的认识，采用大过冷再等温而后冷拔实现多尺度组织调控，借助SEM、TEM、EBSD、FIB、3D ATP、μDIC等先进分析手段，从奥氏体晶粒、珠光体团片、片层渗碳体取向、纳米渗碳体、回溶碳分布等多尺度探讨冷拔珠光体钢丝的断裂行为，结合有限元分析弄清冷拔珠光体钢丝断裂的规律和机理，获得裂纹萌生和扩展的主控结构单元，建立多尺度组织结构与断裂行为的理论模型，为提高冷拔珠光体钢丝断裂韧性提供可行的工艺改进思路，同时为冷拔珠光体钢丝的安全评价和设计提供依据。

针对冷拔珠光体钢丝在拔制和服役过程中的断裂问题，基于多尺度组织结构参量对断裂行为有控制作用的认识。课题组采用原位扫描电镜(In-situ SEM)、电子背散射衍射(EBSD) 、高分辨电镜(HRTEM)和万能材料试验机（MTS）等分析测试手段，从珠光体团片、片层渗碳体取向、纳米渗碳体、回溶碳分布等组织参量对冷拔珠光体钢丝断裂行为进行分析。结果表明，珠光体的形变结构具有三种不同类型的剪切带：珠光体团的剪切断裂、沿团界和沿铁素体、渗碳体片层的相界面断裂；剪切变形沿位错墙扩展，并通过渗碳体片整体错排直至贯穿整个珠光体团。当位错垂直切割渗碳体层时，在剪切应力的作用下，渗碳体片被切割成许多纳米尺寸的亚晶粒。在裂纹扩展过程中，三种剪切模型共同作用，使得裂纹扩展过程以线性方式发生，并可以将珠光体团视为裂纹向前扩展的位移单元。定义珠光体团长轴与短轴的比值Λ=0.4 exp⁡(2x)+0.65。当Λ≤2.75时，断裂由解理断裂断裂主导向准解理断裂转变，并由位错密度控制。当Λ≥2.75时，断裂方式再转变为韧性断裂为主导，由片层间距控制。冷拔珠光体钢丝铁素体<110>取向由中心到表层呈现梯度分布，关于拉伸轴对称，且<110>铁素体微织构含量由表层到心部且随应变量增加而逐渐增加。冷拔钢丝（ε< 1.5）呈现V型断裂方式；而当ε> 1.5，由于渗碳体原子的回溶至相界处的铁素体中，导致裂纹形貌重新呈现“S”型；通过HRTEM分析铁素体及渗碳体相界面取向，应变量为0时，铁素体和渗碳体相界处的晶体学去向关系满足Bagarytski取向。随拉拔进行，位错切过渗碳体片层，使其由单晶逐渐转变为多晶结构，并在应变量大于1.5时，碳原子回溶至相界处，形成非晶结构。通过该项目的研究，为提高冷拔珠光体钢丝断裂韧性提供可行的工艺改进思路，同时为冷拔珠光体钢丝的安全评价和设计提供依据;在该项目资助下发表SCI论文16篇，获国家授权发明专利3件；研究结果应用于贵州钢绳股份有限公司，并获2020年贵州省科技进步一等奖。