王海賓 傅超 狄增文 王建忠 李娜 蔣波

關(guān)鍵詞：鋼絞線；超高強(qiáng)度；組織性能；控軋控冷；拉拔；穩(wěn)定化處理

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼絞線是由2、3、7或19根高強(qiáng)度鋼絲構(gòu)成的絞合鋼纜，并經(jīng)消除應(yīng)力處理（穩(wěn)定化處理），是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中重要的鋼鐵結(jié)構(gòu)材料，也是中國(guó)金屬制品行業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵產(chǎn)品，具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的抗疲勞性能、低松弛性能等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高層建筑、公路橋梁、城市高架、鐵道工程、礦山坑道等工程建設(shè)項(xiàng)目。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的大量投資，高速公路、鐵路等公共設(shè)施逐漸向偏遠(yuǎn)山區(qū)不斷擴(kuò)展，部分地區(qū)因地質(zhì)條件復(fù)雜急需架設(shè)更大跨度的橋梁，因此對(duì)橋梁高強(qiáng)度、輕量化提出了更高要求，對(duì)應(yīng)用于橋梁纜索的鋼絞線的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、應(yīng)力松弛性能等）、應(yīng)力腐蝕性能等方面的要求也在不斷提高。

通常認(rèn)為抗拉強(qiáng)度在1470～1860 MPa為高強(qiáng)度級(jí)別，抗拉強(qiáng)度在1860 MPa以上為超高強(qiáng)度級(jí)別。使用超高強(qiáng)度鋼絞線能夠縮短工期、節(jié)約鋼材用量與混凝土保護(hù)層厚度，減輕結(jié)構(gòu)自重，最大限度地減少工作量，具有高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、低碳等優(yōu)勢(shì)。目前中國(guó)應(yīng)用普遍的預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品強(qiáng)度級(jí)別均局限在1860 MPa，其強(qiáng)度和綜合性能逐漸無(wú)法滿足使用要求，急需開(kāi)發(fā)更高強(qiáng)度、綜合性能更好的超高強(qiáng)鋼絞線產(chǎn)品。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多鋼廠正在嘗試開(kāi)發(fā)2000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，但由于超高強(qiáng)度鋼絲盤(pán)條強(qiáng)度高，造成拉拔困難，且拉拔時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的加工硬化，內(nèi)部容易產(chǎn)生拉拔損傷，使其服役過(guò)程中表面易出現(xiàn)微裂紋，產(chǎn)生應(yīng)力集中、裂紋擴(kuò)展而造成斷線；此外，強(qiáng)度的提高往往帶來(lái)塑性及綜合性能的降低，增大了2000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)鋼絞線的研發(fā)難度。同時(shí)，由于缺乏對(duì)鋼絞線生產(chǎn)用盤(pán)條組織性能明確的控制目標(biāo)，以及對(duì)鋼絞線生產(chǎn)工藝及組織性能調(diào)控手段不清楚，無(wú)法同時(shí)兼顧鋼絞線的強(qiáng)韌性、應(yīng)力松弛性能和應(yīng)力腐蝕性能等性能，尚未實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，筆者總結(jié)了國(guó)內(nèi)外超高強(qiáng)鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀，從成分設(shè)計(jì)、顯微組織和力學(xué)性能方面闡明其調(diào)控范圍與目標(biāo)，提出了超高強(qiáng)鋼絞線原料盤(pán)條的成分設(shè)計(jì)優(yōu)化、組織調(diào)控和控軋控冷工藝參數(shù)控制關(guān)鍵，為保證鋼絞線最終組織性能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。此外，針對(duì)盤(pán)條后續(xù)冷拉拔和穩(wěn)定化處理過(guò)程中的組織性能影響規(guī)律及工藝參數(shù)（拉拔模具半角、面縮率分配、回火溫度等）調(diào)控關(guān)鍵進(jìn)行討論，為進(jìn)一步提高其綜合性能提供方向，實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線的開(kāi)發(fā)。最后對(duì)國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線研究及生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，提出超高強(qiáng)鋼絞線開(kāi)發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為2000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的產(chǎn)業(yè)化提供方向。

1 國(guó)內(nèi)外超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外鋼絞線應(yīng)用較早，20世紀(jì)中期，一些生產(chǎn)鋼絲繩的歐美企業(yè)開(kāi)發(fā)了預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品，德國(guó)于1953年發(fā)布了預(yù)應(yīng)力鋼材的標(biāo)準(zhǔn)，隨后英國(guó)、瑞士、美國(guó)等國(guó)家也相繼出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

20世紀(jì)60年代，日本開(kāi)發(fā)出預(yù)應(yīng)力鋼棒，1980年左右美國(guó)開(kāi)發(fā)出環(huán)氧樹(shù)脂涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線。20世紀(jì)末，隨著高速公路、橋梁、港口碼頭及高層建筑等建設(shè)項(xiàng)目的高速推進(jìn)，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線行業(yè)得到了快速的發(fā)展，鋼絞線的強(qiáng)度級(jí)別主要有1 770、1 860、1 960 MPa級(jí)別，并逐漸向2 000 MPa及以上級(jí)別發(fā)展。20世紀(jì)90年代，日本新日鐵公司通過(guò)Si、Cr等合金化手段生產(chǎn)了92A和97A盤(pán)條，并成功試制2 300 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外預(yù)應(yīng)力鋼絞線向高性能多功能方向發(fā)展，歐美、日、韓等地區(qū)和國(guó)家相繼研制成功2 160、2 230、2 360 MPa級(jí)鋼絞線并統(tǒng)稱為“超高強(qiáng)鋼絞線”，除強(qiáng)度高外，其彎曲、松弛、疲勞及抗腐蝕性能均滿足預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)要求。到目前，日本住友電工已經(jīng)生產(chǎn)出強(qiáng)度級(jí)別高達(dá)2 300 MPa的超高強(qiáng)度填充型環(huán)氧涂層鋼絞線，并已應(yīng)用于東京的橋梁工程建設(shè)；韓國(guó)高麗制鋼也已研發(fā)成功2 360 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線并率先將其納入韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)KSD7002中，進(jìn)一步推動(dòng)了該級(jí)別鋼絞線在橋梁和儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)建設(shè)的工程應(yīng)用。國(guó)際上2 300 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線也得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

1.2 國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備及工藝水平較落后，自動(dòng)化程度較低，為解決現(xiàn)代化建設(shè)與基礎(chǔ)建筑材料匱乏的矛盾，自主研發(fā)出強(qiáng)度1 500～1 600 MPa級(jí)的預(yù)應(yīng)力鋼絲，標(biāo)志著中國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土產(chǎn)品的正式誕生。20世紀(jì)70年代是中國(guó)預(yù)應(yīng)力鋼材生產(chǎn)的起步階段，生產(chǎn)工藝水平較低，盤(pán)條采用鉛淬火熱處理，使用單個(gè)模具進(jìn)行多次拉拔，之后進(jìn)行矯直回火熱處理，獲得普通松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線等產(chǎn)品。20世紀(jì)80年代，中國(guó)引進(jìn)了低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)線，利用穩(wěn)定化處理工藝代替鉛浴淬火熱處理工藝；經(jīng)穩(wěn)定化處理后鋼材松弛值降低到2.5%以下，制造出了抗拉強(qiáng)度高、輕質(zhì)化、安全性高的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)志著中國(guó)預(yù)應(yīng)力鋼絞線行業(yè)的重大產(chǎn)業(yè)升級(jí)。1996年起，國(guó)內(nèi)通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和熱軋高碳鋼絲材料進(jìn)行試生產(chǎn)，對(duì)1 860 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線用熱軋鋼絲坯材冶煉過(guò)程、冷拉拔過(guò)程中出現(xiàn)的拉絲斷裂過(guò)程又進(jìn)行了失效分析和組織分析，基本實(shí)現(xiàn)了1 860 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的國(guó)產(chǎn)化。

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平提高和基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)鋼絞線的強(qiáng)度及其他綜合性能都提出了更高的要求，1 860 MPa級(jí)鋼絞線已經(jīng)無(wú)法滿足使用需要，開(kāi)發(fā)更高強(qiáng)度的鋼絞線刻不容緩。同時(shí)，新國(guó)標(biāo)GB/T 5224—2023中對(duì)不同規(guī)格的2 000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、應(yīng)力松弛率和應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間等性能指標(biāo)都做出了規(guī)定，具體見(jiàn)表1。國(guó)內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)嘗試開(kāi)發(fā)2 000 MPa級(jí)以上預(yù)應(yīng)力鋼絞線。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，鞍鋼通過(guò)在熱鍍鋅時(shí)添加Si、Cr等元素，并用在線水浴冷卻和出水緩冷工藝取代了目前常用的離線鹽浴或鉛浴工藝，成功開(kāi)發(fā)出了2 300 MPa級(jí)PC（預(yù)應(yīng)力混凝土）鋼絞線。包鋼在合理優(yōu)化合金成分基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整盤(pán)條冶煉和控軋控冷工藝參數(shù)生產(chǎn)出抗拉強(qiáng)度為1 406～1 436 MPa的BG87盤(pán)條，后續(xù)經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理后成功生產(chǎn)出抗拉強(qiáng)度為2 347～2 367 MPa的成品鋼絞線，實(shí)現(xiàn)了2 300 MPa級(jí)別高強(qiáng)鋼絞線的突破；江蘇法爾勝公司也已進(jìn)行了2 360 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的試制工作。然而，國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的超高強(qiáng)鋼絞線仍存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，無(wú)法同時(shí)兼顧鋼絞線的強(qiáng)韌性、應(yīng)力松弛性能和應(yīng)力腐蝕性能等綜合性能，尚未實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和應(yīng)用。

2 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線成分設(shè)計(jì)關(guān)鍵

2.1 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線成分設(shè)計(jì)思路

預(yù)應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)所用原料為高碳鋼盤(pán)條，調(diào)控合金元素是提高高碳鋼盤(pán)條性能的主要途徑，利用合金元素可以實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化以及細(xì)化珠光體片層結(jié)構(gòu)的作用，達(dá)到提高盤(pán)條強(qiáng)度和塑性的目的。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，諸多元素均可以影響超高強(qiáng)鋼絞線的綜合性能。提高超高強(qiáng)鋼絞線中C含量可以增加C對(duì)固溶體的強(qiáng)化作用、增加滲碳體比例，從而提高強(qiáng)度；但是C含量的增加會(huì)使材料成分更加偏離共析點(diǎn)，后續(xù)索氏體化組織控制更加困難。Mn能固溶于鐵素體中起到固溶強(qiáng)化作用，還可以降低珠光體相變溫度，使珠光體相變?cè)谳^低的溫度下進(jìn)行，細(xì)化盤(pán)條的組織和片層結(jié)構(gòu)，從而提高強(qiáng)度和塑性；但Mn元素容易在鋼中產(chǎn)生偏析，增大貝氏體、馬氏體等低溫組織形成傾向，降低盤(pán)條拉拔性能。Si在鋼中以固溶形態(tài)存在，可在鐵素體上形成置換固溶體，具有極強(qiáng)的強(qiáng)化作用；同時(shí)Si在鐵素體/滲碳體界面的富集有助于防止?jié)B碳體在熱處理過(guò)程中的溶解碎化及球化，抑制網(wǎng)狀滲碳體的形成；但Si含量過(guò)高則容易造成脫碳，降低盤(pán)條的韌性及塑性，也會(huì)形成更多的硅酸鹽化合物造成拉拔時(shí)更易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象；此外，Si元素的加入還會(huì)使得珠光體相變溫度升高，不利于獲得均勻細(xì)小的片層組織，影響鋼絞線產(chǎn)品的強(qiáng)度與韌性，所以要合理控制Si元素的含量。Cr可以使鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線右移，使珠光體相變溫度降低，細(xì)化珠光體片層間距，提高索氏體化率，從而提高鋼材的強(qiáng)度和拉拔時(shí)的加工硬化率，減少盤(pán)條在拉拔過(guò)程中斷絲現(xiàn)象的出現(xiàn)；但Cr含量過(guò)高易造成成分偏析，在鋼材芯部產(chǎn)生貝氏體、馬氏體等異常組織，降低盤(pán)條拉拔性能。V可以在鑄坯加熱過(guò)程中固溶到鋼中，在軋制冷卻相變時(shí)以更細(xì)小的碳氮化物析出，對(duì)鋼有顯著的強(qiáng)化效果；其次，V元素能抑制高碳鋼晶界網(wǎng)狀滲碳體析出，降低鋼絲拉拔時(shí)的應(yīng)變時(shí)效，提高鋼絞線抗應(yīng)力腐蝕性能。B在鋼中主要以固溶形態(tài)存在，可以提高鋼的淬透性，增大珠光體形成傾向，細(xì)化珠光體片層間距，從而提高盤(pán)條強(qiáng)度；同時(shí)，B與鋼中N元素結(jié)合，能夠降低鋼絲拉拔時(shí)的應(yīng)變時(shí)效，提高鋼絞線抗應(yīng)力腐蝕性能。綜上，C、Si、Mn、Cr、V、B等元素均對(duì)超高強(qiáng)鋼絞線的綜合性能有著重要的影響，提高元素含量可以獲得理想的顯微組織與性能，但元素含量過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致偏析和異常組織的出現(xiàn)，對(duì)性能造成不利影響。因此，應(yīng)通過(guò)合理調(diào)控以上合金元素的含量來(lái)獲得組織性能符合要求的超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品。

2.2 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線成分設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與目標(biāo)

國(guó)內(nèi)外眾多廠家及學(xué)者通過(guò)合金元素的優(yōu)化來(lái)提高盤(pán)條性能，從而得到了綜合性能優(yōu)良的超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外典型鋼絞線用鋼化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表2。

包鋼自主設(shè)計(jì)的2 300 MPa級(jí)超高強(qiáng)鋼絞線用鋼主要采用Cr、V強(qiáng)化，并調(diào)整了后續(xù)盤(pán)條生產(chǎn)過(guò)程中的控軋控冷工藝參數(shù)，成功制得抗拉強(qiáng)度為1 406～1 436 MPa的?14 mm規(guī)格BG87超高強(qiáng)鋼絞線原料盤(pán)條。該盤(pán)條經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理后制得的鋼絞線產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度為2 347～2 367 MPa，實(shí)現(xiàn)了2 300 MPa級(jí)別超高強(qiáng)鋼絞線的突破。中國(guó)重型機(jī)械研究院在SWRS82B盤(pán)條成分的基礎(chǔ)上提高C、Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并控制Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.30%以下，成功開(kāi)發(fā)出SWRS92Si盤(pán)條。后續(xù)對(duì)SWRS92Si盤(pán)條采用鹽浴熱處理工藝進(jìn)行強(qiáng)度和韌性的進(jìn)一步提升，使盤(pán)條抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 500 MPa，最終制得的鋼絞線抗拉強(qiáng)度普遍在2 168 MPa以上，平均斷后伸長(zhǎng)率為5.4%，滿足2 160 MPa級(jí)橋梁纜索用鋼絲要求。甘肅產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院的侯杰文等選用新型87Si材料制造的熱軋圓盤(pán)條為原料，該盤(pán)條在傳統(tǒng)SWRH82B盤(pán)條基礎(chǔ)上提高盤(pán)條中的C、Mn、Si元素含量并加入適量Cr和V，同時(shí)優(yōu)化了鋼絲拉拔和穩(wěn)定化處理工藝，制得規(guī)格為? 5.08 mm邊絲+?5.25 mm芯絲的超高強(qiáng)鋼絞線，其平均抗拉強(qiáng)度超過(guò)2 300 MPa，1 000 h應(yīng)力松弛率也減小到了1.51%，其他各項(xiàng)指標(biāo)均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2 260 MPa級(jí)鋼絞線產(chǎn)品的技術(shù)要求。沙鋼在SWRH82B盤(pán)條基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和研究了2種超高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用盤(pán)條87A和90A，90A盤(pán)條的C、Si元素含量均高于87A盤(pán)條，Mn、Cr、V等元素含量相差不大；87A和90A盤(pán)條的平均抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到1 417 MPa和1 475 MPa，平均面縮率分別達(dá)到39%和32%，經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理后制得的鋼絞線產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到2 271 MPa和2 338 MPa，可滿足2 200及2 300 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的使用要求。鞍鋼通過(guò)提高盤(pán)條中C、Mn、Si、Cr、V等元素含量并添加適量B元素，同時(shí)采用水浴韌化處理替代風(fēng)冷，成功生產(chǎn)出抗拉強(qiáng)度為2 300～2 400 MPa的超高強(qiáng)抗應(yīng)力腐蝕鋼絞線產(chǎn)品。HAN K等研究了合金元素的添加對(duì)超高強(qiáng)鋼絞線力學(xué)性能的影響，在原來(lái)高碳鋼盤(pán)條成分基礎(chǔ)上提高C、Si、V等元素的含量制得95Si盤(pán)條。結(jié)果表明Si和V的添加可抑制連續(xù)晶界滲碳體網(wǎng)絡(luò)形成，提高盤(pán)條強(qiáng)度和冷拔延展性，最終成功制得強(qiáng)度為2 540 MPa的超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

從國(guó)內(nèi)外2 000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的成分設(shè)計(jì)思路來(lái)看，一般通過(guò)提高原料盤(pán)條中的C、Si、Mn元素含量，并適量添加Cr、V、B元素來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼絞線產(chǎn)品強(qiáng)度、塑性及抗應(yīng)力腐蝕性能的提高，各元素的控制范圍總結(jié)見(jiàn)表3。

3 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線組織性能研究現(xiàn)狀

3.1 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線盤(pán)條組織性能控制目標(biāo)

獲得各性能符合要求的2 000 MPa級(jí)以上的超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，控制生產(chǎn)鋼絞線用盤(pán)條的顯微組織是關(guān)鍵。不同冷卻方式盤(pán)條的顯微組織如圖1所示，其中，中國(guó)重型機(jī)械研究院的馬海寬等將盤(pán)條控制冷卻的風(fēng)冷替換為鹽浴處理，在SWRS82B盤(pán)條的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)出了SWRS92Si盤(pán)條，其顯微組織對(duì)比如圖1（a）和（b）所示。該盤(pán)條組織為索氏體與珠光體組織，珠光體團(tuán)尺寸細(xì)小、片層均勻，索氏體化率達(dá)到了95%～98%以上，盤(pán)條強(qiáng)度達(dá)到了1 500 MPa以上。以該盤(pán)條為原料生產(chǎn)的鋼絲抗拉強(qiáng)度普遍在2 160 MPa以上，平均斷后伸長(zhǎng)率為5.4%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。沙鋼的胡磊等在82B盤(pán)條的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了規(guī)格為?13 mm的90A高碳鋼盤(pán)條，盤(pán)條組織為珠光體與索氏體組織，索氏體組織比例達(dá)到了90%以上，且無(wú)明顯的馬氏體和網(wǎng)狀滲碳體等有害組織，盤(pán)條的平均珠光體片層間距為79 μm，明顯小于82B盤(pán)條的珠光體片層間距（約120 μm），盤(pán)條的抗拉強(qiáng)度也達(dá)到了1 475 MPa。盤(pán)條經(jīng)過(guò)8個(gè)道次拉拔后，得到規(guī)格為?5.1 mm的鋼絲產(chǎn)品，其抗拉強(qiáng)度達(dá)2 338 MPa，滿足

2 300 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的使用要求。江陰興澄特鋼公司自主研發(fā)出盤(pán)條在線水浴韌化處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了盤(pán)條在相變溫度前快速冷卻。斯特爾摩風(fēng)冷與在線水浴冷卻后盤(pán)條的顯微組織對(duì)比如圖1（c）和（d）所示。經(jīng)在線水浴處理的盤(pán)條索氏體片層排列整齊，間距極小，在100～150 nm之間，且索氏體組織體積分?jǐn)?shù)超過(guò)90%。該廠家通過(guò)上述技術(shù)已批量生產(chǎn)2 100 MPa級(jí)橋梁纜索用盤(pán)條，并成功研制出2 300 MPa級(jí)鋼絞線用盤(pán)條。另外，對(duì)鋼絞線生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，除了保證鋼絞線產(chǎn)品的力學(xué)性能，優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能與低的拉拔斷絲率也是至關(guān)重要的。鞍鋼在合理優(yōu)化成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上改進(jìn)了超高強(qiáng)鋼絞線原料盤(pán)條的生產(chǎn)工藝，用鹽浴處理代替風(fēng)冷，消除了風(fēng)冷速不均帶來(lái)的不良組織和通條性能差異過(guò)大問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了盤(pán)條的快速冷卻和等溫轉(zhuǎn)變。索氏體為生產(chǎn)盤(pán)條的主要組織且體積分?jǐn)?shù)大于90%，片層間距小于120 nm，無(wú)網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等低溫組織，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得該盤(pán)條的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1 400～1 450 MPa。規(guī)格為?13 mm的盤(pán)條經(jīng)拉拔和穩(wěn)定化處理獲得的?15.2 mm成品鋼絞線產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了2 300～2 400 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為4.0%～5.5%，且應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中值時(shí)間為5.5～6.0 h，各性能均達(dá)到了國(guó)家2 000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上可知，超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線原料盤(pán)條的顯微組織一般為索氏體和珠光體的混合組織，不含網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等低溫組織，且索氏體組織所占比例極高、片層間距較小，使其具備了極高的抗拉強(qiáng)度、良好的塑性和出色的抗應(yīng)力腐蝕性能。因此，要想獲得目標(biāo)性能的超高強(qiáng)鋼絞線產(chǎn)品，控制其生產(chǎn)原料盤(pán)條的高索氏體化率與細(xì)小的珠光體片層間距是關(guān)鍵，還要保證盤(pán)條晶粒均勻、潔凈度高、不含網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等有害組織。

3.2 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線冷拉拔過(guò)程組織演變及性能影響機(jī)理

3.2.1 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線冷拉拔過(guò)程組織演變

高碳鋼原料盤(pán)條生產(chǎn)后會(huì)進(jìn)行多道次的冷拉拔過(guò)程來(lái)提高其強(qiáng)度，該過(guò)程中產(chǎn)生的加工硬化會(huì)使鋼絲的內(nèi)部組織與力學(xué)性能發(fā)生巨大的變化。在鋼絲的冷拉拔過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列的顯微組織演變，包括滲碳體分解、織構(gòu)形成和珠光體片層間距減小等，均會(huì)使鋼絲的強(qiáng)度顯著增加。

諸多學(xué)者對(duì)高碳鋼盤(pán)條多道次冷拉拔過(guò)程中的組織演變進(jìn)行了研究。陶建春研究了高碳鋼珠光體盤(pán)條8道次冷拉拔過(guò)程中的組織演變，不同拉伸應(yīng)變下高碳鋼絲的顯微組織如圖2所示（圖中箭頭為鋼絲拉拔方向）?？梢钥闯?，鋼絲冷拉拔前（拉伸應(yīng)變量ε=0），珠光體團(tuán)邊界和晶界清晰，珠光體片層隨機(jī)生長(zhǎng)，如圖2（a）所示；拉拔變形初期（ε<1.0），取向各異的珠光體團(tuán)開(kāi)始發(fā)生旋轉(zhuǎn)，取向與拉拔方向開(kāi)始趨于一致，組織開(kāi)始出現(xiàn)方向性，珠光體片層間距隨著應(yīng)變量的增大而不斷減小，如圖2（b）所示；拉拔變形中期（1.0≤ε≤1.5），組織方向性明顯，平行于拉拔方向的滲碳體片層進(jìn)一步細(xì)化，垂直于鋼絲拉拔方向的滲碳體片層發(fā)生彎曲和扭折，如圖2（c）和（d）所示；拉拔變形后期（ε>1.5），珠光體團(tuán)基本已沿一個(gè)方向排列，片層間距進(jìn)一步減??；不同位向的滲碳體片層與拉拔方向呈一定角度排列，部分片層已經(jīng)扭曲甚至斷裂，如圖2（e）和（f）所示，最終形成典型的纖維狀拉拔組織。

FANG F等研究了珠光體鋼絲冷拉拔過(guò)程中的織構(gòu)演變，不同拉伸應(yīng)變量下珠光體鋼絲的反極圖如圖3所示。拉拔前原始盤(pán)條中存在較弱的鐵素體相〈110〉織構(gòu)，隨著拉拔應(yīng)變量的增大，〈110〉取向強(qiáng)化并占據(jù)主導(dǎo)地位。珠光體鋼絲拉拔過(guò)程組織演變與鐵素體相〈110〉織構(gòu)強(qiáng)度變化如圖4所示，可明顯分為3個(gè)階段：拉拔初期〈110〉織構(gòu)強(qiáng)度增加較為緩慢，此階段主要是與拉拔方向相交角度較小的珠光體團(tuán)簇向拉拔方向傾斜；拉拔中期〈110〉織構(gòu)強(qiáng)度隨著拉拔變形量增大而迅速增加，此階段與拉拔方向相交角度較大的珠光體團(tuán)簇向拉拔方向發(fā)生彎曲；拉拔后期〈110〉織構(gòu)強(qiáng)度增加極為緩慢，此階段彎曲的滲碳體平行于拉拔方向排列，〈110〉織構(gòu)發(fā)生飽和。

此外，F(xiàn)ANG F等還研究了珠光體鋼絲拉拔過(guò)程中滲碳體的變形機(jī)制，如圖5所示。拉拔前（ε=0）高碳鋼原料盤(pán)條內(nèi)組織形貌如圖5（a）和（b）所示，滲碳體具有高度有序的晶格結(jié)構(gòu)，且滲碳體衍射圖表明此時(shí)的片層狀滲碳體為單晶結(jié)構(gòu)，滲碳體與鐵素體界面具有明顯的相干性，鐵素體中的位錯(cuò)能夠以很小的阻力通過(guò)界面滑動(dòng)進(jìn)入滲碳體；低應(yīng)變量（ε=0.5）下珠光體鋼絲中片層狀鐵素體/滲碳體結(jié)構(gòu)如圖5（c）和（d）所示，衍射圖譜中多組衍射斑的出現(xiàn)表明單晶滲碳體已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)，此時(shí)滲碳體的原子排列高度有序，只發(fā)生少量的晶格錯(cuò)配；中等應(yīng)變量（ε=1.6）拉拔后滲碳體片層形貌如圖5（e）所示，此時(shí)嚴(yán)重變形的滲碳體片層中出現(xiàn)了高角度邊界的亞晶，鐵素體/滲碳體界面的相干性顯著降低，通過(guò)鐵素體移動(dòng)的位錯(cuò)被堵塞并堆積在滲碳體邊界上；高應(yīng)變量（ε=2.6）拉拔后滲碳體片層形貌如圖5（f）所示，此時(shí)滲碳體內(nèi)形成了3個(gè)不同的亞層，且其最外層沒(méi)有衍射斑，說(shuō)明此時(shí)滲碳體的外層區(qū)域已轉(zhuǎn)變成了非晶態(tài)。

3.2.2 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線盤(pán)條冷拉拔過(guò)程性能影響機(jī)理

為了使超高強(qiáng)鋼絞線用鋼絲具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性，以保證在捻股過(guò)程中有良好的扭轉(zhuǎn)性能，且使生產(chǎn)出的鋼絞線滿足國(guó)標(biāo)對(duì)超高強(qiáng)鋼絞線綜合力學(xué)性能的要求，鋼絲在拉拔過(guò)程中組織的強(qiáng)化、損傷控制以及變形的均勻性十分重要。陳煥友等研究指出，鋼絲拉拔過(guò)程的強(qiáng)化機(jī)制主要有3種：珠光體的片層邊界強(qiáng)化、鐵素體內(nèi)的位錯(cuò)強(qiáng)化和滲碳體溶解的固溶強(qiáng)化。GEORGE L修正了前人的結(jié)論，證實(shí)了屈服強(qiáng)度與珠光體平均片層間距存在Hall-Petch關(guān)系。ZHANG X D等在前人研究基礎(chǔ)上提出了精確的邊界強(qiáng)化應(yīng)力（σb）計(jì)算公式，如式（1）所示。

σb = Kd-0.5（1）

式中：K為修正系數(shù)，一般取值為0.31 MPa·m0.5；d為珠光體平均片層間距。

位錯(cuò)強(qiáng)化應(yīng)力（σρ）可由式（2）表示。

（2）

式中：α為常數(shù)，一般取值0.24；M為平均泰勒常數(shù)，一般取值為2；G為鐵素體的剪切模量，一般取77.5 GPa； b為柏氏矢量，一般取0.248 nm； ρ為位錯(cuò)密度。

陳煥友等研究指出，在拉拔前期對(duì)總強(qiáng)度的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)作用的是邊界強(qiáng)化，結(jié)合式（1）可知，邊界強(qiáng)化對(duì)總強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨拉拔過(guò)程的進(jìn)行而逐漸增大。隨著拉拔總應(yīng)變量的增大，鐵素體內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸從單滑移階段轉(zhuǎn)變到多滑移階段，位錯(cuò)密度顯著增加并且位錯(cuò)之間發(fā)生互相纏結(jié)，最終發(fā)展為位錯(cuò)胞等不易滑移的組態(tài)。結(jié)合式（2）可知，拉拔中期位錯(cuò)強(qiáng)化對(duì)鋼絲總強(qiáng)度的貢獻(xiàn)顯著增大。根據(jù)藍(lán)鵬等的研究，滲碳體的片層間距隨著拉拔應(yīng)變量的不斷增大而逐漸減小，使得總的界面能增加，導(dǎo)致組織處于一種亞穩(wěn)定的狀態(tài)，促進(jìn)了碳原子擴(kuò)散到鐵素體中，固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)；同時(shí)碳原子會(huì)聚集到位錯(cuò)周圍形成柯氏氣團(tuán)，從而釘扎位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。

圖6所示為高碳鋼絲拉拔過(guò)程的組織演變示意圖。結(jié)合拉拔過(guò)程組織演變分析可知，高碳鋼絲多道次拉拔過(guò)程力學(xué)性能演變大致可分為3個(gè)階段：第1階段為拉拔初期，隨著應(yīng)變量的增加，取向各異的珠光體團(tuán)發(fā)生協(xié)調(diào)變形并向拉拔方向運(yùn)動(dòng)，珠光體片層間距隨著應(yīng)變量的加大而不斷減小，邊界強(qiáng)化效果不斷增強(qiáng)，如圖6中b所示。此階段拉拔應(yīng)變量較低，鋼絲內(nèi)部位錯(cuò)密度較小，且此時(shí)滲碳體為單晶結(jié)構(gòu)，鐵素體與滲碳體界面的相干性較高，鐵素體中的位錯(cuò)可以輕易地通過(guò)界面滑動(dòng)進(jìn)入滲碳體，位錯(cuò)強(qiáng)化效果輕微，邊界強(qiáng)化對(duì)拉拔總強(qiáng)度的貢獻(xiàn)占據(jù)主導(dǎo)作用。第2階段為拉拔中期，隨著拉拔應(yīng)變量的進(jìn)一步增大，組織方向性更加明顯，部分珠光體片層發(fā)生扭折、彎曲甚至斷裂，滲碳體片層進(jìn)一步細(xì)化。此階段鐵素體內(nèi)位錯(cuò)密度顯著增加，位錯(cuò)之間互相纏結(jié)并發(fā)展為位錯(cuò)胞。此外，隨著珠光體片層減薄，滲碳體逐漸發(fā)展為多晶形態(tài)，鐵素體與滲碳體界面的相干性降低，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力顯著增大，大量位錯(cuò)堆積在鐵素體界面處，位錯(cuò)強(qiáng)化對(duì)拉拔總強(qiáng)度的貢獻(xiàn)明顯增大，如圖6中c所示。第3階段為拉拔后期，珠光體團(tuán)基本上已沿一個(gè)方向排列，片層間距進(jìn)一步減小，不同位向的滲碳體片層與拉拔方向呈一定角度排列，由于此時(shí)鋼絲的應(yīng)變量相對(duì)較大，部分片層已經(jīng)扭曲甚至斷裂。此階段滲碳體由多晶結(jié)構(gòu)向非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，鐵素體與滲碳體界面的相干性再次降低，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力進(jìn)一步增大，位錯(cuò)強(qiáng)化進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，滲碳體片層間距的減小導(dǎo)致總的界面能不斷增加，使組織處于亞穩(wěn)定的狀態(tài)從而促進(jìn)碳原子的擴(kuò)散，碳原子聚集到位錯(cuò)周圍形成柯氏氣團(tuán)，釘扎位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步提升鋼絲的強(qiáng)度，如圖6中d所示。

拉拔過(guò)程中，隨著拉拔過(guò)程的進(jìn)行，珠光體片層間距逐漸減小，對(duì)于提高珠光體組織鋼絲的塑性有利。而根據(jù)李本寧的研究可知，由于盤(pán)條內(nèi)部不可避免地存在著一些組織微損傷（微孔洞、偏析、夾雜物等），其在變形過(guò)程中會(huì)隨著拉拔的進(jìn)行而逐漸拉長(zhǎng)、聚集長(zhǎng)大，從而嚴(yán)重影響鋼絲的塑性，進(jìn)而對(duì)盤(pán)條扭轉(zhuǎn)性能產(chǎn)生不利影響。周立初等通過(guò)研究珠光體鋼絲多道次冷拉拔過(guò)程，發(fā)現(xiàn)拉拔過(guò)程中鐵素體內(nèi)部會(huì)存在高密度的位錯(cuò)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得滲碳體發(fā)生斷裂與碎化，產(chǎn)生大量的空位等缺陷，從而使得鋼絲的塑性與扭轉(zhuǎn)性能降低。凌必超，發(fā)現(xiàn)鋼絲拉拔后內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力也會(huì)影響其扭轉(zhuǎn)性能，過(guò)大的壓縮率以及不合理的變形量分配會(huì)導(dǎo)致鋼絲內(nèi)部與表面變形不均勻，影響組織的均勻性，內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使得鋼絲塑性下降，捻股時(shí)的分層傾向更為嚴(yán)重，扭轉(zhuǎn)值顯著降低。綜上，保證拉拔過(guò)程組織的均勻性和精細(xì)化，并減少拉拔過(guò)程中內(nèi)部組織的損傷，是實(shí)現(xiàn)鋼絲塑性提高的關(guān)鍵。

4 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)工藝控制關(guān)鍵

4.1 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線用盤(pán)條顯微組織性能調(diào)控的工藝關(guān)鍵

高碳鋼盤(pán)條普遍通過(guò)控軋控冷工藝的調(diào)控來(lái)獲得理想的顯微組織和性能。盤(pán)條的開(kāi)軋、終軋溫度，吐絲溫度以及最后的冷卻方式和冷卻速度直接影響著成品盤(pán)條的組織結(jié)構(gòu)及其性能。包鋼在合理設(shè)計(jì)成分的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了原有的盤(pán)條控制軋制工藝，將盤(pán)條軋制后的吐絲溫度由870～910 ℃提高到了920 ℃±10 ℃，從而增大了相變前的奧氏體晶粒尺寸，增強(qiáng)了相變過(guò)程的淬透性。高碳鋼盤(pán)條不同控制冷卻工藝如圖7所示，后續(xù)控制冷卻采用斯特爾摩風(fēng)冷線，如圖7（a）所示。在傳統(tǒng)斯特爾摩冷卻工藝的基礎(chǔ)上將風(fēng)機(jī)數(shù)量增加到了10架，增大了盤(pán)條的冷卻速度，獲得了片層間距細(xì)小的索氏體組織，從而提高了盤(pán)條的抗拉強(qiáng)度，成功生產(chǎn)出抗拉強(qiáng)度為1 350～1 430 MPa、斷面收縮率為25%～35%的超高強(qiáng)鋼絞線用盤(pán)條。李敏娜等通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M與實(shí)際工藝的配合研究發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速率的增大，高碳鋼盤(pán)條組織的片層間距逐漸減?。欢?dāng)高碳鋼盤(pán)條的冷卻速率小于5 ℃/s時(shí)，鋼材內(nèi)部的索氏體組織體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到95%以上，珠光體的片層間距細(xì)小，在97～115 nm之間；冷卻速率低于1 ℃/s時(shí)會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀碳化物，使材料脆性增加；當(dāng)冷卻速率高于5 ℃/s時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生馬氏體組織。

然而，斯特爾摩冷卻由于采用空氣為冷卻介質(zhì)，受外界環(huán)境影響較大，線材在進(jìn)入珠光體相變區(qū)域內(nèi)后無(wú)法做到恒溫，導(dǎo)致得到的珠光體組織層片厚度不均，尺寸較粗大，珠光體層片較寬，且寬度分布不均勻，索氏體化率較低，盤(pán)條通條抗拉強(qiáng)度極差波動(dòng)較大，最大超過(guò)100 MPa， 不利于超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此很多廠家采用等溫鹽浴處理來(lái)替代，如圖7（b）所示。馬海寬等通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)研發(fā)出了SWRS92Si盤(pán)條，用鹽浴處理替換原先的風(fēng)冷，消除了風(fēng)冷冷速不均帶來(lái)的不良組織和通條性能差異過(guò)大問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了盤(pán)條的快速冷卻和等溫轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)的92Si盤(pán)條珠光體團(tuán)尺寸細(xì)小，珠光體片層更加細(xì)化，片層更加均勻，索氏體化率達(dá)到了95%～98%以上，盤(pán)條強(qiáng)度達(dá)到了1 500 MPa以上。以該盤(pán)條為原料生產(chǎn)的鋼絲抗拉強(qiáng)度普遍在2 160 MPa以上，滿足了2 160 MPa級(jí)橋梁纜索用鋼絲的要求。另外，還有的企業(yè)針對(duì)風(fēng)冷、鉛浴、鹽浴生產(chǎn)存在的不足，開(kāi)發(fā)了在線水浴處理技術(shù)（EDC工藝）。鞍鋼在合理調(diào)整合金元素的基礎(chǔ)上改進(jìn)了盤(pán)條熱軋控冷生產(chǎn)工藝，采用了在線水浴冷卻和出水緩冷技術(shù)。制得盤(pán)條的顯微組織主要為索氏體組織且體積分?jǐn)?shù)大于90%，片層間距小于120 nm， 無(wú)網(wǎng)狀滲碳體和馬氏體等低溫組織，抗拉強(qiáng)度1 400～1 450 MPa， 保證鋼絞線抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到2 300～2 400 MPa。江陰興澄特鋼公司也自主研發(fā)出盤(pán)條在線水浴處理技術(shù)，在水中添加環(huán)保材料RX溶劑，提高水溶液黏度，降低熱傳導(dǎo)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了盤(pán)條在相變溫度前快速冷卻，形成蒸汽膜腔后緩慢冷卻以維持索氏體化所需要的時(shí)間和溫度，轉(zhuǎn)變完成后再快速冷卻或出水緩冷。經(jīng)水浴韌化處理的盤(pán)索氏體片層排列整齊，間距在100～150 nm之間，索氏體化率超過(guò)90%。

綜上所述，對(duì)于超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線用盤(pán)條的生產(chǎn)過(guò)程，其控制軋制和控制冷卻工藝參數(shù)均會(huì)影響原料盤(pán)條的顯微組織與性能，控制冷卻工藝的影響尤為顯著。應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況合理選擇盤(pán)條的開(kāi)軋、終軋和吐絲溫度，并采用鉛浴處理或鹽浴處理代替斯特爾摩冷卻處理，以獲得索氏體比例高、片層間距細(xì)小的顯微組織，最終生產(chǎn)出綜合性能符合要求的預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品。

4.2 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉拔及穩(wěn)定化處理工藝控制關(guān)鍵

4.2.1 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉拔工藝控制關(guān)鍵

超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線具體的生產(chǎn)工藝流程一般如圖8所示，高碳鋼原料盤(pán)條經(jīng)表面處理、冷拉拔、絞直、捻股及穩(wěn)定化處理等過(guò)程后獲得超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)品。其中，普遍通過(guò)調(diào)控鋼絞線拉拔及穩(wěn)定化處理過(guò)程的工藝參數(shù)來(lái)獲得理想的顯微組織與性能。高碳鋼盤(pán)條經(jīng)過(guò)表面預(yù)處理后進(jìn)行多道次的冷拉拔過(guò)程，該過(guò)程中產(chǎn)生的加工硬化會(huì)使鋼絲的內(nèi)部組織與力學(xué)性能發(fā)生巨大的變化，同時(shí)拉拔過(guò)程中工藝參數(shù)的改變也會(huì)對(duì)拉拔后鋼絲的性能產(chǎn)生重要的影響。SULIGA M研究了不同拉拔速度對(duì)高碳鋼絲抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能的影響，并利用有限元模擬手段確定了拉拔速度對(duì)有效應(yīng)變的影響。研究表明，高的拉拔速度下鋼絲強(qiáng)度的提高與其有效應(yīng)變的增大有關(guān)。隨著拉拔速度的增大，鋼絲的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度略有增大，但鋼絲的塑性顯著降低。侯杰文等研究了在鋼絲拉拔總壓縮比不變的情況下不同壓縮比分配方式對(duì)鋼絲力學(xué)性能的影響，并得到結(jié)論：按照逐級(jí)遞減的壓縮比分配模式，即將大變形量分配到前面的道次中更有利于獲得強(qiáng)度更高的鋼絞線產(chǎn)品。

此外，由盤(pán)條內(nèi)部存在的固有缺陷（微裂紋、微孔洞等）造成的內(nèi)部損傷會(huì)在拉拔過(guò)程中逐漸累積，嚴(yán)重影響拉拔質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致拉拔斷絲現(xiàn)象的產(chǎn)生，研究拉拔工藝參數(shù)對(duì)鋼絲內(nèi)部損傷值的影響至關(guān)重要。王珺等利用有限元軟件建立了含缺陷熱軋盤(pán)條多道次拉拔的分析模型，研究了不同道次壓縮率、模具半角對(duì)拉絲性能的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)来螇嚎s率參數(shù)取值范圍小于20%時(shí)，最佳拉拔模具半角為4°；當(dāng)?shù)来螇嚎s率參數(shù)取值范圍大于20%時(shí)，最佳拉拔模具半角為8°。FANG F等利用損傷力學(xué)理論分析了鋼絲拉拔成形過(guò)程，并建立了鋼絲拉拔成形過(guò)程的材料損傷有限元模型，計(jì)算分析了拉拔過(guò)程的損傷演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于模具半角為8°的鋼絲，拉拔過(guò)程單道次壓縮率為16%～18%時(shí)其內(nèi)部的損傷分布最為均勻，最大損傷值也較小。在前人的基礎(chǔ)上，本研究團(tuán)隊(duì)利用有限元模擬軟件實(shí)現(xiàn)了高碳鋼盤(pán)條9道次冷拉拔過(guò)程的仿真，有限元模擬結(jié)果對(duì)比如圖9所示。設(shè)置了一系列正交試驗(yàn)研究了各拉拔工藝參數(shù)對(duì)拉拔后鋼絲內(nèi)部組織微損傷的影響，結(jié)果如圖9（a）所示，顯然，拉拔模具半角對(duì)鋼絲內(nèi)部損傷的影響最大。后對(duì)拉拔模具半角這一參數(shù)單獨(dú)研究，不同拉拔模具半角拉拔后鋼絲的損傷值對(duì)比如圖9（b）所示，損傷云圖對(duì)比如圖9（c）和（d）所示，可以看出，隨著拉拔模具半角的減小，生產(chǎn)的鋼絲內(nèi)部組織微損傷也越小。所以使用較小的拉拔模具半角更易生產(chǎn)出組織微損傷小的鋼絲產(chǎn)品。

因此，拉拔速度、拉拔模具半角及各道次面縮率分配等拉拔參數(shù)均會(huì)對(duì)成品鋼絲的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，要想獲得強(qiáng)度與塑性優(yōu)良的超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，減小拉拔過(guò)程中內(nèi)部損傷以提高拉拔性能，應(yīng)選擇較小的拉拔速度和拉拔半角，并盡可能將每道次的拉拔變形量控制在一定的范圍內(nèi)且合理分配道次變形量。

4.2.2 超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線穩(wěn)定化處理工藝關(guān)鍵

超高強(qiáng)鋼絞線產(chǎn)品在實(shí)際服役時(shí)承受預(yù)應(yīng)力的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生彈性變形，但微觀區(qū)域薄弱部分有可能出現(xiàn)塑性變形，最終會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力隨時(shí)間推移而緩慢降低，形成“應(yīng)力松弛”，造成構(gòu)件斷裂和整個(gè)建筑物的損壞。為了使鋼絞線達(dá)到低松弛目的，需要對(duì)鋼絞線捻股后實(shí)行穩(wěn)定化處理，即將預(yù)應(yīng)力鋼絞線在一定溫度下進(jìn)行預(yù)張拉并在張力作用下冷卻，消除鋼絞線的內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而使得鋼絞線的結(jié)構(gòu)和性能都更加穩(wěn)定。

經(jīng)調(diào)研，經(jīng)穩(wěn)定化處理的鋼絞線1 000 h

的松弛率比未處理鋼絞線的松弛率會(huì)降低70%～85%。KORCHUNOV A等研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定化處理基本不影響拉拔后鋼絲的顯微組織及相組成，但會(huì)影響鋼中的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，如溶質(zhì)原子分布、位錯(cuò)密度與組態(tài)等。前人對(duì)鋼絞線穩(wěn)定化過(guò)程的強(qiáng)塑性機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著穩(wěn)定化處理過(guò)程的進(jìn)行，鋼絲軸向拉伸殘余應(yīng)力降低，鋼中已形成碳化物的溶質(zhì)原子發(fā)生回溶，起到進(jìn)一步強(qiáng)化作用；鋼絲中一些可動(dòng)位錯(cuò)逐漸沿軸向排列并發(fā)生交互作用，從而趨于穩(wěn)定，而高溫下的塑性變形使得位錯(cuò)密度增大，并且促進(jìn)了溶質(zhì)原子回溶，形成氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)，顯著降低了可動(dòng)位錯(cuò)的數(shù)量，從而提高鋼絞線的應(yīng)力松弛性能。于衛(wèi)國(guó)研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定化處理工藝參數(shù)主要包括加熱溫度和張力，過(guò)高的加熱溫度會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)密度減少，松弛性能變差；而加熱溫度過(guò)低則會(huì)造成位錯(cuò)的移動(dòng)與組合減少、原子的躍遷程度降低，應(yīng)力松弛性能提高較輕微。根據(jù)此研究，加熱溫度范圍一般設(shè)定為360～390 ℃，張力范圍一般設(shè)定為公稱破斷力的0.42～0.45倍。趙學(xué)鋼等提出，穩(wěn)定化處理后冷卻介質(zhì)溫度的設(shè)定尤為重要，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致鋼絞線表面容易銹蝕；溫度過(guò)高則會(huì)影響鋼絞線的松弛性能，根據(jù)此研究，最佳穩(wěn)定化溫度為40～55 ℃。王福新等研究了超高強(qiáng)鋼絞線在穩(wěn)定化處理（中溫回火）溫度下的力學(xué)性能變化，結(jié)果顯示，溫度升高有利于回復(fù)過(guò)程的發(fā)展，鋼絞線的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等隨溫度的升高均呈下降趨勢(shì)，研究得出當(dāng)加熱溫度為380 ℃、張應(yīng)力為48%時(shí)獲得綜合性能最佳的鋼絞線產(chǎn)品。另外，穩(wěn)定化處理工藝對(duì)超高強(qiáng)鋼絞線的抗應(yīng)力腐蝕性能也會(huì)產(chǎn)生影響。鞍鋼通過(guò)合理增加鋼絞線內(nèi)Si元素的含量，降低了鋼絞線穩(wěn)定化處理過(guò)程中滲碳體球化的速度，減小了強(qiáng)度損失，使得鋼絞線穩(wěn)定化處理時(shí)可以提高加熱溫度到430～440 ℃，使殘余應(yīng)力得到更充分的釋放，提高了超高強(qiáng)鋼絞線的抗應(yīng)力腐蝕性能。該方法制得的超高強(qiáng)鋼絞線應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)斷裂時(shí)間中值不小于5.5 h， 遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 總結(jié)與展望

隨著國(guó)家高速公路、鐵路等公共設(shè)施逐漸擴(kuò)展，對(duì)用于橋梁纜索的鋼絞線的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、應(yīng)力松弛性能等）、應(yīng)力腐蝕性能等方面的要求也在不斷提高，中國(guó)目前應(yīng)用普遍的1 860 MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絞線已無(wú)法滿足使用要求。雖然國(guó)內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)正在嘗試開(kāi)發(fā)2 000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，但由于缺乏對(duì)鋼絞線產(chǎn)品明確的組織性能控制目標(biāo)，無(wú)法同時(shí)兼顧鋼絞線的強(qiáng)韌性、應(yīng)力松弛性能和應(yīng)力腐蝕性能等，2 000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線還無(wú)法進(jìn)行批量生產(chǎn)和投入使用。因此，筆者認(rèn)為以下方面將成為2 000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)和研究的工作重點(diǎn)：

1） 對(duì)高碳鋼原料盤(pán)條進(jìn)行成分設(shè)計(jì)優(yōu)化，獲得理想的顯微組織，提高強(qiáng)韌性的同時(shí)兼顧應(yīng)力松弛和應(yīng)力腐蝕性能。合金元素的添加使鋼的成分復(fù)雜化，應(yīng)針對(duì)其復(fù)合作用機(jī)理進(jìn)行深入研究。盤(pán)條的表面質(zhì)量及內(nèi)部夾雜物分布情況對(duì)盤(pán)條拉拔性能影響很大，而目前對(duì)于超高強(qiáng)鋼絞線原料盤(pán)條的脫碳、氧化情況、夾雜物數(shù)量及尺寸等還沒(méi)有明確的控制目標(biāo)。因此分析夾雜物形成機(jī)理、完善盤(pán)條表面質(zhì)量和夾雜物的調(diào)控手段十分必要。優(yōu)化盤(pán)條控軋控冷工藝，減小盤(pán)條脫碳層和氧化層厚度及表面缺陷的深度，為超高強(qiáng)鋼絞線深加工提供高品質(zhì)原料。

2）超高強(qiáng)鋼絞線拉拔和穩(wěn)定化處理過(guò)程中，通過(guò)研究成品鋼絞線的性能指標(biāo)，對(duì)拉拔速度、各道次變形量分配方案、拉拔模具半角、穩(wěn)定化處理溫度和張力進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品組織性能的精確生產(chǎn)，減少鋼絲中的組織微損傷，避免拉拔斷絲現(xiàn)象的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)鋼絞線強(qiáng)韌性、應(yīng)力松弛性能和抗應(yīng)力腐蝕性能的提高。

3）圍繞未來(lái)2 000 MPa級(jí)以上超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線綜合性能提高的迫切需求，通過(guò)上游鋼鐵企業(yè)、科研院所與下游超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線生產(chǎn)企業(yè)的合作，可解決國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)鋼絞線研究及產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)全流程精確調(diào)控超高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的顯微組織和性能。

本文摘自《中國(guó)冶金》2024年第4期