第四章钢丝的拉拔

第四章 钢丝的拉拔钢帘线的单丝，从Ф5.5mm 的盘条经过干式的粗拉、中拉和湿式的细拉，一直拉到ФO.15～ФO.38mm ，所以钢丝的拉拔是钢帘线生产最基本的工艺。

自1880年制成了“纵列式拉丝机”实现了拉丝生产连续化，到本世纪20年代发明了硬质合金拉丝模以及润滑剂的改善，拉拔工艺日趋成熟，实现了稳定的连续化拉丝生产。

近一、二十年，国内外拉丝技术又有很大发展。

出线速度已高达25M ／s 和30M ／s 。

随着微机技术的普及应用，拉丝机的自动化水平大为提高，例如KOCH 公司的直线式拉丝机配备的电脑专家系统中，可储存100套拉丝工艺参数，随时可以调用，实现了监控，故障诊断，在线调整一体化。

由于线材的质量和性能不断提高，可将Ф5.5线材一次拉拔为Ф1.3mm 的半成品钢丝，总压缩率达94.41％，并可减少一次热处理。

另外在拉丝模和润滑剂方面也相应地有了很大发展。

第一节 钢丝拉拔基本原理钢丝拉拔理论是金属压力加工原理的一部分，拉拔的目的是将粗截面的线材通过模孔拉制成所需形状和尺寸的钢丝，同时要满足标准规定的性能和质量的要求，尤其是力学性能的要求。

众所周知，金属所以能够进行拉拔是因为各种金属都具有不同程度的塑性。

所谓塑性即金属在外力作用下，产生永久变形而不破裂的能力。

由于金属的组织和化学成分的不同，金属能够承受的拉拔变形程度也不尽相同。

拉拔理论研究不同组织和成分的金属，在拉拔中产生变形和应力分布的特点，拉拔过程中不均匀变形产生的原因和残余应力造成的后果，拉拔后金属组织和性能的变化规律，拉拔力和抗拔功率的计算方法并分析其影响因素，从而利用金属塑性，正确拟定拉拔工艺，合理使用拉丝设备，改革旧的工 艺制度，提高产品质量，降低成本，提高生产率。

限于篇幅，本章只能对上述有关内容作一些简单的阐述。

应力一、金属的塑性变形 σ1.金属的变形和断裂金属在外力作用下，随着应力的增加，可先后发生弹性变形、塑性变形，直至断裂。

图4—1所示为低碳钢在拉伸试验时的应力一应变曲线。

在应力(σ)低于弹性极限(σe )时，钢所发生的变形为弹性变形，其特点是外力去除后，其变形可以完全恢复，并且，应力 .45.应变ε4—1低碳钢在拉伸试验时的应力一应变曲线.45.(σ)与应变(ε)成比例：σ=E·ε，其中比例常数E称为“弹性模量”，它反应金属对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。

弹性变形的实质是在应力的作用下，金属内部的晶格发生了弹性的伸长和歪扭，但未超过其原子之间的结合力。

当应力大于弹性极限时，钢不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全恢复，存在残留变形或永久变形。

不能恢复的变形称为塑性变形，通常用屈服极限(σs)表示金属对开始发生微量塑性变形的抗力，而塑性则是指金属能够发生塑性变形的量或能力，用伸长率(δ％)或断面收缩率(ψ％)表示。

塑性变形的实质是金属内部的晶粒发生了压扁或拉长的不可恢复的变形。

随着应力的增加，钢的塑性变形逐渐增大，应力达到强度极限(σb)后，试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大到K点而发生断裂。

故强度极限是表示金属对产生不均匀塑性变形的抗力。

断裂通常分为两种,有明显塑性变形而发生的断裂,称为“塑性断裂”，其内部的晶粒都拉长成为细条状，故这种断裂的断口呈纤维状，灰暗无光；另一种断裂通常发生在一些脆性材料中，断裂前并未经过明显的塑性变形，其断口常具有闪烁的光辉，这种断裂称为“脆性断裂”。

2.金属单晶体的塑性变形金属一般都是由无数单个晶粒构成的多晶体。

金属单晶体的塑性变形主要有“滑移”、“双晶”两种形式，在大多数情况下是以滑移方式进行的。

所谓滑移即晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面发生相对的滑动。

如图4--2所示，当一单晶体试样受到拉伸时，外力(P)将在晶内一定的晶面上分解为两种应力，一种是平行于该晶面的切应力（τ)，一种是垂直于该晶面的正应力(σ)。

正应力只能引起晶格的弹性伸长，或进一步把晶体拉断;而切应力则可使晶格在发生弹性歪扭之后，进一步造成滑移。

通过大量晶面的滑移，最终便使试样被拉长变细。

.46.对于滑移变形的要点可以概括如下：第一，滑移只能在切应力的作用下发生。

第二，滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面(称为“滑移面”)和晶向(称为“滑移方向”) 发生。

第三，滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍。

第四，滑移的同时必然伴随有晶体的转动。

如图4—2(a)所示，切应力使晶体产生滑移,而正应力组成一力偶，使晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。

最后要强调的是，滑移不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。

近数十年来的理论研究证明，滑移是由于滑移面上的位错运动而造成的。

如图4—3所示即为一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动便造成一个原子间距的滑移。

所以，晶体的滑移在微观上是原子位错运动的结果，而最终表现在宏观上则产生塑性变形。

塑性变形的另一形式是双晶，又称孪晶、孪生。

只有当晶体不易进行滑移时，在切应力作用下则以孪生方式进行塑性变形，即晶体的一部分以一定的晶面(挛晶面)为对称面，与晶体的另一部分发生了均匀切变，结果使晶体变形部分与未变形部分构成镜面对称的位向关系，如图4—4所示。

3.多晶体的塑性变形实际使用的金属材料几乎都是多晶体，由许多单晶体集合而成。

构成多晶体的这些单晶体就是晶粒。

在多晶体进行塑性变形时，每 4—4晶体的孪生示意图个晶粒的基本变形方式与单晶体的塑性变形基本相同，也主要是以滑移和双晶的方式进行的。

多晶体的塑性变形可视为许多晶粒变形过程的综合结果。

但是由于在多晶体中各个晶粒的晶格位向不同，而且有大量晶界存在，使得各个晶粒的塑性变形彼此受到阻碍与制约，所以多晶体的塑性变形比单晶体的情况要复杂得多。

第一，各个晶粒的位向不同，将使各个晶粒的变形有先有后，并且在变形时有的互相配合，.47.有的彼此干扰。

当多晶体中某些晶粒的位向有利于滑移时，将首先发生滑移变形。

但因已变形晶粒周围的晶粒尚处于弹性变形阶段，对已变形的晶粒起着阻碍变形的作用，使那些位向有利的晶粒或晶面滑移进行到一定程度后自行停止。

同时，当某些晶粒变形至一定程度时，由于对未变形晶粒造成足够大的应力集中，使原来处于不利位向的晶粒也产生滑移。

致使应力重新分布。

也就是说，随着外力的增加，晶粒将一批一批地逐次进行滑移，而不是一齐滑移。

各晶粒间的不均匀变形，将使晶粒间存在不均匀的应力，而不均匀应力又将造成不均匀变形。

第二、多晶体的塑性变形抗力要比同类金属的单晶体高得多，这是由于多晶体存在着晶界和晶粒的位向差别造成的。

晶界实际上是由许多位错、空位、夹杂堆积而成的，晶界上原子排列是很不规律的，它是相邻晶粒的原子排列的过渡层。

滑移变形时位错移动到晶界附近便会受到严重阻碍而停止前进，因而使位错在晶界前堆积起来，若要位错穿过晶界则需要更大的外力。

相邻晶粒的位向差愈大，晶界处原子排列愈紊乱，滑移抗力就愈大。

多晶体的晶粒愈细，其晶界的面积和不同方位的晶粒数目就愈多，因而塑性变形的抗力也愈大。

细晶粒金属不仅强度高，而且塑性、韧性也好。

这是因为晶粒愈细，在一定体积内的晶粒数目也愈大，故在同样变形量下同时参与变形的晶粒数目也愈多，而且每个晶粒内部变形也较均匀，不致产生过分的应力集中现象。

同时，晶粒愈细晶界就愈多愈曲折愈不利于裂纹的传递，从而在断裂前可以承受较大的塑性变形，即表现出较高的塑性和韧性。

因此，生产上通常总是设法使金属获得细晶粒。

、4.塑性变形对金属组织和性能的影响经过塑性变形，可使金属组织和性能发生一系列重大变化，这些变化大致可分为四个方面：第一，晶粒沿变形方向拉长，性能处于各向异性。

在外力的作用下，随着金属外形的变化，其内部晶粒的形状也会发生相应的变化，即随着金属外形的压扁或拉长，其内部晶粒的形状也会被压扁或拉长，一般大致与金属外形的改变成比例。

当形变量很大时，各晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状，晶界变得模糊不清。

此时，金属的性能也将会具有明显的方向性，如纵向的强度和塑性远大于横向等。

这种组织通常称为“纤维组织”。

第二，晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化。

随着变形的发生，不仅晶粒的外形会发生变化，而且晶粒内部的亚结构也会发生显著的变化。

在未变形的晶粒内部经常存在大量的位错，在形变量不大时，先是在变形晶粒的晶界附近出现位借的堆积，随着形变量的增大，由于位错与位错相遇，首先便会出现位错的缠结现象，继而随着变形的进一步发展，便会使各晶粒破碎成为细碎的亚晶粒。

形变量愈大，晶粒的细碎程度便愈大，亚晶界的量便愈多，位错密度便显著增大；同时，细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。

因此，随着形变量的增大，由于晶粒破碎和位错密度增加，金属的塑形变形抗力将迅速增大，即硬度和强度显著上升，塑性和韧性下降，产生所谓“加工硬化”现象。

金属的加工硬化会给金属的进一步加工带来困难。

例如盘条经过粗拉后，一般要经过热处理消除其加工硬化现象，恢复其进一步塑性变形的能力，然后进行中丝拉拔。

加工硬化现象虽然会给金属的进一步加工造成困难，但它却是工业上用以提高金属强度、硬度和耐磨性的重要手段之一。

例如钢帘线的单丝是热处理后的钢丝经过约95％的形变量之后，强度由1200MPa左右上升到2600一3000MPa而保持必要的韧性，方能满足最终产品的要求。

.48.第三，织构现象的产生。

在塑性变形过程中由于晶粒的转动，随着变形程度的增加，各晶粒的取向将大致趋于一致，这种由于变形的结果而使晶粒具有择优取向的组织叫做变形织构。

一般情况下，当金属冷变形量达到10一2O％时，择优取向便达到了可以觉察的程度；当达到80—90％时，多晶体呈现明显的各向异性。

这在大多数情况下都是不利的，但某些场合可以被利用，如用来提高硅钢片的某一方向的导磁率。

第四，残余内应力。

经冷塑性变形的金属，放置一段时间后，可能会自动发生变形。

这是由于变形金属内部存在着内应力而造成的。

经过塑性变形，外力对金属所作的功，约90％以上在使金属变形的过程中变成了热，使金属温度升高(后面将叙述钢丝拉拔时的发热及其危害);而小于10％的功则转化为内应力残留于金属中，使金属内能增加。

所谓内应力即平衡于金属内部的应力，它主要是由于金属在外力作用下所产生的内部不均匀而引起的。

内应力一般分为三类：第一类内应力(宏观内应力)，如金属表层与心部变形量不同会形成平衡于表层与心部之间的内应力;第二类内应力(微观内应力)，由于晶粒或亚晶粒间的变形不均匀而造成的在晶粒或亚晶粒之间保持平衡的内应力，或称晶间应力；第三类内应力(晶格畸变内应力)，因位错等晶格缺陷的产生而引起其附近的晶格畸变，这种晶格畸变所产生的内应力只在几百个、几千个原子范围内维持平衡。