分享：LB２７和LB２０铝包钢芯线的拉伸行为

田嘉治１,郑成明２,江泽超２,田青超２

(１．上海材料研究所检测中心,上海 ２００４３７;

２．上海大学省部共建特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 ２００４４４)

    摘 要:采用铝连续挤压包覆法用 SWRS７２A 钢和 SWRS８２B钢分别制备了 LB２７和 LB２０铝包钢芯线,制备冷拔前后的试样并对其进行了室温拉伸试验,研究了试样的拉伸性能和拉伸断口形貌.结果表明:未包覆铝SWRS７２A 钢的屈服强度和抗拉强度均高于包覆铝后冷拔前的;和未包覆铝SWRS７２A 钢相比,LB２７铝包钢芯线的屈服强度更高,但抗拉强度稍有下降,延伸率显著下降;随着外径的增加,LB２０铝包钢芯线屈服强度逐渐减小,其屈服强度均大于 LB２７铝包钢芯线的;LB２０铝包钢芯线的断口形貌和 LB２７铝包钢芯线相似,但其钢丝边部存在剪切唇.

关键词:铝包钢芯线;冷拔;拉伸行为;屈服强度

中图分类号:TG１４２．２１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０９Ｇ００２３Ｇ０５

０ 引 言

     铝包钢芯线因具有弧垂小、载流量大、电力损耗少、防腐性能好和使用寿命长等优点而广泛应用于各种电压等级的高压架空输电线路[１].铝包钢芯线可以采用铝片轧包法、热浸镀铝法、铝粉挤压烧结法、铝连续挤压包覆法来制备[２].其中,铝连续挤压包覆法应用更广泛[３].在该方法中,为保证软的铝层和硬的钢芯在拔制过程中同步、等比例拉伸变形,常采用压力润滑技术[４].长期以来,铝包钢芯线的钢铝结合力问题在行业内备受关注[５],然而有关铝包钢芯线拉伸行为的研究鲜见报道.此外,随着市场对铝包钢芯线抗拉强度的要求越来越高,盘条用钢也在向高碳钢方向发展[６].为此,作者采用铝连续挤压包覆法制备了不同牌号高碳钢的铝包钢芯线,对其拉伸性能和断口形貌进行了研究.

１ 试样制备与试验方法

    试验材料为宝钢股份有限公司提供的规格为?５mm 的SWRS７２A钢盘条以及规格为?３~６mm的SWRS８２B钢盘条,两种钢盘条组织均为珠光体,SWRS７２A 钢 盘 条 化 学 成 分 (质 量 分 数/％)为０．     ７２C,０．２２Si,０．５１Mn,余 Fe;SWRS８２B 钢盘条化学成分(质量分数/％)为０．８２C,０．２２Si,０．７７Mn,余Fe.包覆材料为由江苏常铝铝业股份有限公司提供的１０６０工业纯铝.铝包钢芯线采用铝连续挤压包覆法制备,其试制工艺流程为:原材料→预拉→铅浴热处理(５５０ ℃)→酸洗→包覆→双金属拉拔→复绕→检测→入库,拉拔速度为７．５ m??min－１.将SWRS７２A钢盘条包覆铝后得到规格为?４．６mm 的铝包钢芯线,将其冷拔后制得规格为?３．０ mm 的LB２７铝包钢芯线.将 SWRS８２B 钢盘条包覆铝后得到规格为?(４．５~８)mm 的铝包钢芯线,将其冷拔后得到规格为?(１．６~４)mm 的 LB２０铝包钢芯线.铝包钢芯线截面内圆为钢丝,外环为铝,如图１所示.用标尺测量出外圆直径(外径)、外环宽度以及内圆半 径,计 算 得 到 铝 面 积 分 数 和 实 际 导 电 率(LB)[７].由表１可知,LB２７和LB２０铝包钢芯线的导电率分别不低于０．２７IACS和０．２０IACS,均满足GB/T１７９３７－２００９中铝包钢芯线的指标要求.

    在上述不同规格的经５５０ ℃铅浴后未包覆铝SWRS７２A 钢盘条、包覆铝后冷拔前铝包钢芯线和成品LB２７铝包钢芯线上沿纵向截取长度为５００mm 的标准拉伸试样.在５５０ ℃铅浴后未包铝 SWRS８２B钢盘条和不同外径(?１．６,?２．５,?３．０,?４．０mm)的成品 LB２０铝包钢芯线上沿纵向截取长度为５００mm的标准拉伸试样.试样原始标距均为２５０mm.按照 GB/T１７９３７－２００９,使用Instron型拉伸试验机对上述试 样 进 行 室 温 拉 伸 试 验,在 弹 性 和 屈 服阶段(应变为０．２％)拉伸速度为２ mm??min－１,当应变达到１．５％后,拉伸速度 以 ２ mm??s－１ 匀 速 增至２５mm??min－１.分别在铝包覆SWRS７２A 钢拉拔前后以及铝包覆SWRS８２B钢芯线拉拔后等试样 上 截 取 金 相 试样,经砂纸打磨和绒布抛光后,使用 DM６０００Leica型光学显微镜观察截面形貌.使用 Qunta４５０型扫描电镜(SEM)观察拉伸试样的断口形貌,使用附带的能谱仪(EDS)对铝钢结合层进行微区成分分析。

２ 试验结果与讨论

２．１ 拉伸性能

     由图２ 可 以 看 出:经 ５５０ ℃ 铅 浴 后 未 包 覆 铝SWRS７２A 钢的屈服强度和抗拉强度均高于包覆铝后冷拔前的;和５５０ ℃铅浴后未包覆铝 SWRS７２A钢相比,LB２７铝包钢芯线的屈服强度更高,但抗拉强度稍有下降,延伸率显著下降,断裂时曲线具有台阶特征.

    由图３结合表２可以看出,随着外径的增大,LB２０铝包钢芯线屈服强度逐渐减小;不同规格的LB２０铝包钢芯线拉伸曲线均较光滑,在塑性变形阶段未出现滑移现象,说明其拉伸行为主要和钢芯有关;在断裂阶段,除规格为?１．６ mm 的 LB２０铝包钢 芯线外,其他三种规格的在断裂前拉伸曲线均具样外包铝层较厚,出现的断裂台阶最明显. 以铝 的 屈 服 强 度 为 １００ MPa,按 照 混 合 率 法 则[７],计算出铝包钢芯线中钢芯的屈服强度.从表 ２可以看出,LB２０铝包钢芯线及其中钢芯的屈服强 度均大于 LB２７铝包钢芯线的,LB２７和 LB２０铝包 钢芯线中钢芯屈服强度较冷拔处理前均有大幅提 高,强化效果十分明显. 

２．２ 断口形貌

    由图４可见:包覆铝后冷拔前铝包 SWRS７２A钢芯线拉伸断口外层铝存在明显的颈缩现象,铝钢结合层出现开裂;钢芯心部断口呈现出等轴韧窝特征,钢芯边部断口有拉长韧窝,说明断裂源于钢芯心部,是由微孔聚集引起的韧性断裂.微孔聚集在铁素体/渗碳体边界局部应力集中,导致渗碳体片层断裂后形成韧窝[８].

     由图５可以看出:LB２７铝包钢芯线拉伸断口呈现菊花形放射状裂纹;断口外层铝存在明显的颈缩现象,铝钢结合层未开裂;钢芯心部在低倍下为准解理断口,存在小的二次裂纹,但在高倍下仍呈现等轴韧窝特征,二次裂纹向垂直断口的轴向扩展;钢芯边部沿径向呈菊花放射状,沿四周呈丘陵状起伏,这与冷拔过程中因润滑不良产生的菊花状断口类似[９].

     这是由于在铅浴热处理过程中温度升高后钢芯表面热量无法及时散出所致,说明断裂源于钢芯心部,

    沿径向柱状晶界面向外扩展并止于铝钢结合界面处.测量得到 LB２７铝包钢芯线铝钢结合层的厚度为１．５~２．５μm.由图６可知,铝钢结合层的化学成分为铁和铝.铝和钢的结合机制受包覆挤压过程中的压合效应、铝热效应和扩散效应的影响[１０].铝钢结合层太厚,容易形成 FeAl等金属间化合物,降低结合层的韧性.LB２７铝包钢芯线在拉伸过程中铝钢结合层没有开裂,说明已实现良好的冶金结合,从而可有效缓冲铝包钢芯线的断裂,使拉伸曲线在断裂阶段呈现出明显的台阶特征.

    由图７可以看出:规格为?２．５mm 的 LB２０铝包钢芯线 拉 伸 断 口 呈 现 菊 花 形 放 射 状 裂 纹,这 与LB２７铝包钢芯线的相似;钢芯内靠近铝层处存在和断口成４５°的剪切唇,规格为?１．６mm 的同位置处剪切唇更明显;规格为?２．５mm 的 LB２０铝包钢芯线钢芯内部的菊花形放射状裂纹同样沿径向柱状晶界面向外扩展.珠光体钢盘条在冷拔过程中渗碳体发生溶解碎化[１１],铁素体晶体沿拉伸方向具有(１１０)纤维织构[１２],菊 花 状 断 口 的 形 成 与 该 纤 维 织 构 密 切 相关[１３],拉伸过程中的三向拉应力以及铝包层的隔热效应也促进了该断口的形成.当铁素体具有(１１０)纤维织构时,其径向为‹００１›晶向并存在拉应力[８],

同时纤维柱间铁素体晶界薄弱,这促使了开裂的发生[１２].综上,判断在拉伸过程中钢芯心部先形成微孔,微孔聚集后形成裂纹源;在裂纹扩展区,源于钢芯心部的多条裂纹沿柱状晶界向试样边缘快速扩展并撕裂,形成菊花形放射状裂纹并在瞬断区形成剪切唇.

３ 结 论

    (１)经５５０ ℃铅浴后未包覆铝SWRS７２A 钢的屈服强度和抗拉强度均高于包覆铝后冷拔前的;和５５０ ℃铅浴后未包覆铝SWRS７２A 钢相比,LB２７铝包钢芯线的屈服强度更高,但抗拉强度稍有下降,延伸率显著下降且断裂时曲线具有台阶特征.

    (２)随着外径增加,LB２０铝包钢芯线屈服强度逐渐减小;在断裂阶段,除规格为?１．６mm 的 LB２０铝包钢芯线外,其他三种规格的在断裂前拉伸曲线均呈现明显的台阶特征;LB２０铝包钢芯线及其中钢芯的屈服强度均大于 LB２７铝包钢芯线的,LB２７和LB２０铝包钢芯线中钢芯的屈服强度较冷拔前均有大幅提高.

    (３)用SWRS７２A 钢制备的 LB２７铝包钢芯线在冷拔前后断口中钢芯心部均呈现等轴韧窝特征,但冷拔前钢芯边部为拉长韧窝且铝钢结合层处开裂,冷拔后钢芯边部沿径向呈菊花形放射状,铝钢结合层未开裂;LB２０铝包钢芯线的断口形貌和 LB２７铝包钢芯线相似,区别是 LB２０铝包钢芯线的钢芯边部存在剪切唇.