林晏民1,孙福猛1,方 健2,王军艺2

(1.广东韶关钢铁股份有限公司 检测中心,韶关 512123;2.宝山钢铁股份公司研究院,上海 201999)

摘 要:设计了在普通试验机上进行棒材和线材加工硬化指数n 值测试与表征的方法,得出 SWRCH6A~10A 系列冷镦钢加工硬化影响因素,以及其化学成分、力学性能、显微组织与n 值的 相关性,研究出n 值的各项合理控制指标。所得结果可以指导生产工艺的设计与优化,使每位试 验人员均可在任何拉伸试验机上获得材料的加工硬化指数。

关键词:加工硬化指数;冷镦钢;控制指标 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0034-04

我 国 华 南 地 区 的 工 业 线 材 需 求 量 约 为 2×10 6t/a,其中冷镦钢占比最大。相比其他供应厂 家的冷镦钢产品,笔者公司生产的冷镦钢在拉拔过 程中的加工硬化程度较严重,影响拉拔效果。 加工硬化易产生疲劳失效,疲劳是导致机械零 件失效的主要原因之一。加工硬化程度过大会造成 表面应力集中,容易产生裂纹。如果加工硬化后金 属材料的屈服强度提高,塑性加工设备的性能也需 要提升。这就需要对冷镦钢加工硬化的影响因素进 行分析,找出加工硬化的原因,并找到产品刚产生加 工硬化时的生产工艺,并加以固化工艺措施,使冷镦 钢产品质量稳定。 笔者设计了在普通试验机上进行棒材和线材加 工硬 化 指 数 n 值 测 试 与 表 征 的 方 法,得 出 SWRCH6A~10A 系列冷镦钢加工硬化影响因素, 以及其化学成分、力学性能、显微组织与n 值的相 关性,研究出n 值的各项合理控制指标。

1 试验方法

(1)研究SWRCH6A~10A 系列冷镦钢加工硬 化的量化表征方法。目前,棒材、线材中表征n 值 的标准方法为借鉴薄板测试n 值的方法。 分析以拉伸试验方法为主,显微硬度测试为辅 的加工硬化量化表征方法。具体如下:用精度较高 的拉伸试验机测试试样的工程应力和工程应变,由 体积不变原理推演真应力与真应变,采用 Ludwik 模型对 Holloman指数方程进行修正,再用y=B+ Ax 的直线 方 程 拟 合 得 出n 值。在 拉 伸 试 验 过 程 中,利用显微硬度测试加工硬化层深度,间接验证测 试结果是否符合加工硬化的趋势。

(2)找出影响SWRCH6A~10A 系列冷镦钢n 值的 因 素。对 比 研 究 不 同 n 值 的 SWRCH6A~ 10A 系列冷镦钢的显微组织、化学成分、力学性能 等,找到影响n 值的关键因素。 (3)找出适合 SWRCH6A~10A 系 列 冷 镦 钢 n 值的各项性能指标。根据化学成分、显微组织、 加工硬化性 能 3 者 的 密 切 相 关 性,探 索 出 综 合 性 能 较 好 的 冷 镦 钢 产 品 的 最 佳 制 造 工 艺,使 SWRCH6A~1 户的使用要求。 0A 系列冷镦钢产品的n 值达到用

2 试验结果

2.1 n 值表征方法的建立

n 值能够准确反映材料的塑性加工性能和材料 颈缩前的均匀变形能力,是评价材料成形性能的重 要指标之一。n 值由 Holloman指数方程定义为 σ=K ×ε n (1) 式中:K 为强度系数;σ为真应力;ε为真应变。 n 值对材料成形极限曲线具有很大的影响,n 值大的材料产生的应变峰值低,n 值小的材料产生 的应变峰值高。 目前,在力学试验领域,n 值的计算方法为:采 用各类引伸计获得材料在拉伸过程中的应变,由拉 伸试验机的载荷传感器获得应力,将上述两个基本 参量换算成真应变及真应力,对关系式两边取对数, 得出lgσ=lgK+nlgε ,该关系式为直线关系,由此 可求直线斜率n。 笔者单位现有拉伸试验机的配置系统为液压伺 服控制,原始数据包为 Access数据库 格 式。基 于 Access数据库中力值与引伸计的位移数据可以完 全读取的模式,确定n 值的二次计算方法。整个过 程中,工作人员仅需复制、黏贴、录入截面积、录入对 应的指数区间等4步,即可完成对应长棒材的n 值 计算,得到n 值。

2.2 不同应变状态下棒材、线材的显微组织分析

将材料拉伸至5%塑性应变时停机,截取均匀 变形过程中的任意一段,分析其显微组织形貌[1], 同时在试样拉伸至断裂后距断口20 mm 处取样, 观察试样达 到 最 大 均 匀 变 形 时 端 口 的 形 貌,研 究 加工硬化对 显 微 组 织 形 貌 的 影 响,得 到 的 显 微 组 织形貌如 图 1 所 示。由 图 1 可 知:试 样 心 部 组 织 显微形貌在塑形变形阶段与最大均匀延伸率处无 显著差异,表明试样在拉伸过程中,材料的加工硬 化对试样心 部 组 织 并 无 影 响,在 试 样 边 部 约 有 深 度为400 部 μm 的晶粒组织加粗层。

2.3 影 响 SWRCH6A~10A 系 列 冷 镦 钢 n 值 的 因素

制作SWRCH6A,SWRCH8A,SWRCH10A 冷 镦钢试样,试样规格有3种:小规格(6.5mm)、中规 格(10~14mm)、大规格(18 mm)。对试样共进行 了48炉试验,分别进行不同的试验项目,主要的规 律如下所述。 (1)变形量对n 值的影响。不同断面收缩率与n 值的关系曲线如图2所示,不同断面收缩率与表面 维氏硬度的关系曲线如图3所示(以 SWRCH10A, 14mm 规格为例)。由图2,3可知,随着断面收缩率的增加,n 值减 小,也就是说加工硬化更严重;随着断面收缩率的增 加,维氏硬度增大,这与n 值的变化相对应。说明n 值越小,加工硬化越严重,维氏硬度越大。当断面收 缩率不小于10%时,其维氏硬度趋于稳定。 (2)化学成分对n 值的影响。碳当量Ceq 与n 值有相关性,随着碳当量的增加,n 值减小,也就是 有更严重的加工硬化现象。碳当量与n 值的关系 如图4所示,断后伸长率与n 值的关系如图5所示。

(3)力学性能对n 值的影响。断后伸长率增加 使n 值增加;其他的力学性能,(如屈服强度、抗拉 强度、洛氏硬度、表面维氏硬度等)增加时,n 值减小 (见图6~9)。 (4)晶粒度对加工硬化指数的影响。随着晶粒 度级别的增加,也就是晶粒越细,其n 值就越大,也 就是加工硬化越不严重,但其趋势比较平缓,也说明 晶粒度对n 值的影响较小(见图10)。

2.4 SWRCH6A~10A系列冷镦钢合适n 值的各项

性能指标 n 值越小,表明其加工硬化越严重。根据上述 试验结果,规定n 值较大的,即排在前30%的n 值 认为是较合适的,则得到n 值为0.245~0.282,平均 值为0.257,其对应的各项性能指标如表1所示。如 果按表 1 中 的 各 项 指 标 进 行 控 制,生 产 得 到 的 SWRCH6A~10A 系列各规格冷镦钢的n 值就较 大,也就是说其加工硬化现象比较轻,具有较好的拉 拔、冷镦性能,即有较好的综合性能。 表1 能得到较合适n 值的各项性能指标 碳当量 Ceq/% 屈服强 度/MPa 抗拉强 度/MPa 断后 伸长率/% 洛氏硬度/ HRB 维氏 硬度/HV 晶粒度/ 级 ≤0.16 ≤255 ≤350 ≥40 ≤56 ≤116 7~8

3 结语

(1)研究出了表征棒材、线材n 值的方法;开发 出了在普通试验机上进行n 值测试与表征的方法, 使每位试验人员均可在任何拉伸试验机上获得材料 的n 值。 (2)棒材、线材试样在加工硬化过程中,仅试样 表面发生晶粒加粗现象,这直接影响材料的加工硬 化性能。试样心部并未受拉向载荷的影响,基体组 织无较大影响。 (3)SWRCH6A~10A 系列冷镦钢n 值的影响 因素为:随着断面收缩率的增加,n 值减小;随着碳 当量的增加,n 值减小;随着断后伸长率的增加,n 值增大;随着屈服强度、抗拉强度、洛氏硬度、表面维 氏硬度等的增加,n 值减小;随着晶粒度的增加,也 就是晶粒越细,n 值越大。 (4)n 值越小,表明其加工硬化越严重。试验 结果表明,较合适的n 值为0.245~0.282,平均值为 0.257。

文章来源：材料与测试网