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湿拉理论概述2003 - 6【前言】 湿拉工序是一个承前（HP）启后（Cord）的工序要获得令Cord工序满意的钢丝，不仅要优化湿拉的各项工艺参数，还要掌握HP工序的生产过程，以及盘条的各项性能，并且还要了解钢丝在帘线工序的工艺表现只有这样，才能及时准确地解决各种复杂多变的工艺问题，提高产品性能 湿拉的工艺问题凭肉眼不易观察，需要使用金相观察、化学分析等工具和方法，需要力学、金属材料与热处理、有机化学、机械等多方面的知识 湿拉的理论需要从微观和抽象的角度去理解在这里仅根据生产实际情况对湿拉的工艺理论进行了简要的介绍 2003-06-25冷拉钢丝是利用金属的塑性，借助拉丝模具并在外力作用下使金属变形，从而获得所需的形状、尺寸、机械及物理性能的一种金属压力加工方法作为其中的一种，湿拉专指把电镀黄铜钢丝拉拔至帘线成品所需的单丝直径的拉拔工艺湿拉因其使用润滑液润滑而区别于干式拉拔1. 拉拔力1.1 钢丝的拉拔变形过程P拉丝模钢丝σσσσττσFWFW 图1， 钢丝应力分析示意图如图1所示：钢丝拉拔时，受拉拔力F、正压力P和摩擦力W共同作用，发生塑性变形。

应力状态为两向压应力σr、一向(轴向)拉应力σl，以及周向剪切应力τ因此，钢丝从表层到中心，变形程度逐渐减小随着拉丝模入口角、钢丝与拉丝模之间的摩擦系数增大，这种不均匀变形将更加明显严重的不均匀变形与钢丝组织缺陷共同作用，将导致中心毛刺（断丝的一种）的产生图2，中心毛刺外观（×300倍）当拉拔应力超过模子出口处钢丝的抗拉强度时，钢丝将发生颈缩而断裂由于钢丝内部组织缺陷的存在不可避免，因此钢丝实际的抗拉强度要远低于理论抗拉强度这一点在模序设计时必须要考虑根据固体变形理论，所有的塑性变形皆在弹性变形之后，并且伴有弹性变形，而在塑性变形之后必然有弹性恢复，即弹性变形根据光弹性试验，拉拔变形区内的应力分布如图3所示图3， 变形区内的应力分布在钢丝拉拔加工硬化不十分剧烈时，根据应力分析，径向应力σr从入口向出口逐步减少，而轴向应力σl逐渐增大此外由于湿拉是滑动式多模拉拔，反拉力不断波动，引起模子入口处弹性区剧烈波动因而模子入口处磨损较快，易出现拉拔圆环在钢丝拉拔过程中，晶粒逐渐被拉长拉细，位错密度增加，从而钢丝的抗拉强度也逐渐增加，即发生了“加工硬化”当位错密度增大到一定程度，像裂纹这样的组织缺陷开始迅速增加并扩展，断丝的可能性也迅速上升。

因此，钢丝的变形是有一定限度的图4，钢丝的“加工硬化”拉拔过的钢丝在一段时间后，抗拉强度会有一定程度的增加，我们称之为“时效”（aging）这是因为金属中部分小原子在一定温度和时间条件下迁移到位错运动产生的断层中，修补了这些断层，从而提高了钢丝强度并且温度越高，时效所需时间越短因此既使在多道次拉拔过程中，时效也会不同程度的存在在拉拔过程中，由于钢丝的不均匀变形而产生附加应力，在拉拔后产生残余应力一般钢丝表面为拉应力，中心为压应力残余应力对钢丝机械性能有显著影响，对成品的尺寸稳定性也有不良作用图5， 钢丝的残余应力1.2 各种因素对拉拔力的影响- 拉拔力与钢丝的抗拉强度拉拔力与钢丝的抗拉强度成线性关系，强度越高，所需拉拔力越大 拉拔应力与变形程度拉拔应力与变形程度成正比关系随着压缩率增大，拉拔应力增加 拉丝模的几何形状对拉拔力的影响通过前面的应力分析可知，当拉丝模入口角增大，钢丝与模壁接触面积减少，摩擦力降低，但剪切力增加通过试验发现，最佳入口角约为11º图6， 拉丝模入口角与拉拔力- 拉拔速度对拉拔力的影响在低速（5m/min以下）拉拔时，拉拔应力随拉拔速度的增加而有所增加当拉拔速度增加到6~10m/min时，拉拔应力下降，继续增加拉拔速度对拉拔应力影响不大。

开动拉拔设备瞬间，由于产生冲击现象而使拉拔应力显著增大，这也是启动断丝的原因 摩擦与润滑对拉拔力的影响在湿拉过程中，钢丝与模子之间会产生很大的摩擦力和很多热量，使用润滑液可以在钢丝与模子之间形成一层耐压润滑膜，防止钢丝与模子之间直接接触，从而减少摩擦和磨损，有利于钢丝拉拔钢丝湿拉时的润滑方式是介于流体润滑与边界润滑的混合润滑另一方面，润滑液有冷却钢丝和拉丝模的作用拉拔过程中，钢丝与拉丝模之间的摩擦系数大小对拉拔力有很大的影响润滑液的耐压性能、润滑方式、拉丝模材质、拉丝模和钢丝的表面状况对摩擦系数的大小皆有影响拉丝模越硬，抛光得越好，钢丝越不容易粘结拉丝模，摩擦力就越小在模子入口处改善建立流体动力润滑条件（润滑楔效应），也能降低摩擦系数流体动压力越大，润滑效果越好流体动压力的大小与润滑楔的角度、润滑液性能、粘度以及拉拔速度有关，润滑楔的角度越小、润滑液粘度越大、拉拔速度越高，则润滑楔效应越显著 反拉力对拉拔力的影响根据图1的受力分析，随着反拉力的增加，模子所受到的压力近似直线下降，拉拔力P逐渐增加但是，在反拉力Q达到临界反拉力Qc之前，对拉拔力并无影响临界反拉应力σQc的大小主要与钢丝的弹性极限和拉拔前的预变形程度有关，而与该道次的压缩率无关。

弹性极限和预变形程度越大，则临界反拉应力也越大这是因为，随着反拉应力的增加，模子入口处的接触弹性变形区逐渐减少（如图3所示）同时，钢丝作用于模壁上的压力减少，继而摩擦力也相应减少摩擦力的减少值与此时的反拉力值相当，故拉拔力并不增加当反拉力超过临界反拉力，将改变塑性变形区内的应力σr、σl的分布，使拉拔力增大利用这一点，将反拉应力控制在临界反拉应力值范围以内，可以在不增大拉拔应力和不减少道次压缩率的情况下减少模子入口处金属对模壁的压力磨损，延长模子的使用寿命 振动在拉拔时对模子施以振动可以显著降低拉拔力振动的方式有轴向、径向和周向在CBSC还没有使用这种技术1.3 拉拔力的理论计算拉拔力的理论计算方法较多，如平均主应力法、滑移线法、上界法以及有限元法等目前应用较为广泛的为主应力法根据图1钢丝拉拔中的应力分析示意图在变形区内x方向上取一厚度为dx的单元体，并根据单元体上作用的x轴向应力分量，建立平衡微分方程：略去高阶微量得：当模角α与摩擦系数f很小时，采用近似塑性条件σlx - σn = σs积分得：利用边界条件，当反拉应力为σq(<σs)时，最终，拉拔应力σL:式中 σL —— 拉拔应力； σs —— 钢丝的平均变形抗力； B —— 参数； D0 —— 钢丝拉拔前直径； D1 —— 钢丝拉拔后直径； σq —— 反拉应力。

反拉应力的计算在后面有介绍2. 拉拔过程中钢丝的变形与断裂钢丝在力的作用下，总要或多或少的发生形变作用力去除后，立即消失的那部分形变叫弹性形变永远残留的那部分形变叫塑性形变塑性形变大致可分为两类：冷塑性形变和热塑性形变，以是否高于再结晶温度来区分湿拉钢丝过程主要是冷塑性形变2.1 钢丝塑性形变在显微组织中的反映随着钢丝形变的进行，晶粒逐步改变其外形在受单向拉伸的情况下，晶粒沿着钢丝拉伸轴的方向逐步伸长，如果不断裂，最后可变为难于分辨的纤维状晶粒但是，各晶粒形状的变化并不均匀一致从图7中可以看到，总的来说，晶粒都伸长了，但珠光体（黑色，较硬）比铁素体（浅色，较软）的变形小，并且各自间的变化也存在不小的差异钢丝中的晶粒的塑性形变是通过切变而进行的，而切变是由于位错运动造成的许多试验表明，形变后晶体中的位错数量不是少了，而是显著增多了 M : 1100 xISC wire diameter. 1.24 mm - 0.70 % C M : 1100 xWet wire drawing 1.24 ® 0.25 mm图7 钢丝晶粒组织在湿拉前后的变化2.2 晶粒大小对塑性形变的影响由于晶界对形变主要其阻碍作用，在相同外应力作用下，大晶粒的形变有一个晶粒转移到另一个晶粒的机会就要大的多，小晶粒正好相反。

因此晶粒越细，钢丝屈服强度越高由于晶粒尺寸大时，形变受晶界影响的区域相对缩小，晶粒内部和晶界附近的相对量相差就相对要大；而细晶粒相反并且，晶粒越细，形变的不均匀性越小，引起应力集中的概率也越小，开裂的机会也相应减少，在断裂前可以承受较大的变形，即面缩率或延伸率增大了因此，晶粒细的钢丝不仅屈服强度高，塑性和韧性也高2.3 加工硬化钢丝拉拔过程中钢丝的工程强度指标σs、σb以及硬度等显著增加，但是塑性指标δ和φ下降，这一现象称之为加工硬化位错密度的增加对加工硬化起着决定性的作用事实表明，如果位错密度不增加，或增加很少，即使形变量很大，加工硬化也很小位错密度越大，位错在滑移过程中相互交割的机会越多，相互间的阻力越大，因而形变抗力增大形变抗力增大，表明位错运动阻力越大，位错越易塞集，位错密度的增加也越快二者相互作用促使硬度和强度迅速增加图8 不同碳含量钢丝的应力－应变曲线2.4 钢丝的断裂钢丝在外力作用下，如果不能用塑性变形，或根本不能以塑性变形来松弛时，若继续增加应力，就会以断裂的形式彻底松弛对于塑性好的钢丝，是塑性变形的结束；对于塑性差的钢丝，是弹性变形或塑性极小的终结前者称为韧性断裂，后者称为脆性断裂。

钢丝的断裂通常是由裂纹的生成和长大两个基本过程组成，而裂纹往往在湿拉以前就出现了，甚至在盘条中就已存在裂纹的长大在初期是很缓慢的，只在后期才迅速扩展研究断丝不仅对湿拉有重要意义，对整个CBSC的正常生产都有很大作用钢丝断裂的基本形式在理论上分为：（1） 解理断裂解理断裂是典型的脆性断裂，多发生在温度低、塑性差的情况2） 切变断裂切变断裂简称切断或剪断金属晶体切断的形式多样，但无论哪种切断，实际上都和形变过程没有截然分开的界线，都是当钢丝形变到有效受力面积位零时才发生断裂不像解理断裂那样，先在金属内部产生小裂纹，而后裂口扩大，最后导致断裂3）晶界断裂和穿晶断裂晶界断裂过程一般无明显塑性变形，多属于脆性断裂产生条件是，晶界富集溶质元素或晶界析出脆性相穿晶断裂的形式多样，即可是韧性，也可以是脆性的分析断口形态是研究断裂过程的重要途径之一观察断口，除了用肉眼或放大镜进行宏观分析外，还可以借助光学显微镜和电子显微镜进行微观分析前者有利于了解整个断面的一般情况，后者有利于深入细致地了解断口各部位地细节用一般光镜观察断口，由于其焦距断、景深浅，局限性较大，而电镜正好能弥补光镜的不足所以电镜在断口的高倍分析中起了很重要的作用。

可惜，CBSC至今为止还没有电子显微镜断口的结构和形态在理论上可分为：（1）解理断口这种断口主要是由于解理断裂产生在宏观上表现是。