工程科学与技术，国际期刊21（2018）289审查碳含量和拉伸应变对帘子线Huseyin Koymatcika，Hayrettin Ahlatcib，Yavuz Sunb，Yunus Turenba卡拉布克钢铁工贸公司，Kardemir，Karabuk，土耳其b土耳其卡拉布克卡拉布克大学冶金和材料科学工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年3月8日收到2018年4月3日修订2018年4月16日接受在线发售2018年保留字：钢丝帘线含碳量纯弯曲疲劳断裂面A B S T R A C T在这项工作中，我们的目标是研究直径为0.25 mm的钢单丝的疲劳强度，其中三种不同的碳（0.70%C，0.80%C和0.90%C）和四种不同的拉伸应变（3.25，3.37，3.71和3.76）的纯弯曲试验方法。所有疲劳试验均在室温和10 Hz频率下通过定制制造的纯弯曲试验机进行，其完全保留应变值R = emin/emax为-1。循环变形的应用值e取为弯曲应变的0.20%-1.07%。S-N（应变-循环）曲线图高周疲劳（HCF）寿命大于或等于104次循环。对于0.25NT-70 C和0.25UT-90 C质量的钢，疲劳变形极限值分别被确定为0.55%单位和0.20%单位。显微组织减薄（由于拉拔应变）引起的硬度增加提高了含0.80%C钢的疲劳变形极限尽管拉拔应变、碳含量和硬度增加，但疲劳变形极限随着夹杂物含量的增加而降低通过SEM检查在高疲劳寿命和疲劳变形极限值下断裂的样品的断裂表面扫描电镜观察表明，钢纤维的疲劳断裂与棒球棒的疲劳断裂相似。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.导言. 2892.实验2903.讨论与讨论2914.结论296致谢296参考文献2961. 介绍钢丝和钢丝产品在塑性处理制品中占重要地位。这些产品通常在高外部负载下工作，并广泛应用于需要高可靠性工作的场合，如各种机器和设备[1]。平局的加剧*通讯作者。电子邮件地址：hahlatci@karabuk.edu.tr（H. Ahlatci）。由Karabuk大学负责进行同行审查。成形工艺改变了变形条件，迫使生产商在表面处理、润滑和拉伸工艺领域使用新的技术解决方案[2]。钢单丝通常通过几个步骤由含有0.6wt%C至0.9wt%C的钢单丝冷拉并进行铅浴淬火以产生细珠光体显微组织来生产[3]。当人的生命受到威胁时，敏感的疲劳寿命估计在可变载荷条件下的结构设计中至关重要。由于钢帘线长丝是轮胎的最重要的构件，因此它们的疲劳寿命值与轮胎的寿命平行。因此，具有高疲劳强度的轮胎满足了诸如长寿命、更好的耐磨损性等需求https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.04.0102215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch290H. Koymatcik等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）289≤ ×称为燃料经济性，特别是安全性。轮胎帘线长丝以从0.15 mm至0.40mm变化的直径生产，并且轮胎帘线的生产通过将一定量的长丝啮合在一起来进行。当轮胎运动时，承受重复载荷的轮胎帘线的力和/或变形的强度的变化加上诸如障碍物和减速带的道路条件表现出可变性准确估计帘线钢在其使用过程中的疲劳性能是至关重要的，因为这种可变的重复载荷[4]。这些长丝的疲劳测试通过定制生产的纯弯曲疲劳机进行在频率为10 Hz的纯弯曲疲劳试验机上进行了空气中钢丝的疲劳试验[5]。观察到两个不同的疲劳区域-在该试验方法中，通过将直径达1.60 mm的钢丝弯曲180°或90°，然后绕其自身轴线旋转钢丝来实现疲劳试验纯弯曲试验方法最常应用于牙齿矫正器[6]，虽然没有关于轮胎帘线长丝的180°交替纯弯曲疲劳的国际出版物，但存在仅采用轮胎帘线长丝在重复轴向拉-拉载荷下的疲劳试验方法的出版物[7]。本研究的目的是比较直径为0.25mm的含碳量为0.7wt%~ 0.9wt%的钢丝在拉伸应变为3.37 ~ 3.71时的疲劳性能。所有研究的钢单丝在完全保留应变条件下在纯弯曲试验机上进行测试，在0.20%至1.07%的循环间隔内变化弯曲变形值。2. 实验在这项工作中使用了从Bekaert获得的碳含量为0.70重量%、0.80重量%和0.90重量%的钢帘线长丝。它们的化学组成和机械性能在表1中给出。表1的材料代码中的数字0.25表示长丝直径，字母T、N、H、S和U分别代表拉伸、正常、高、超级和超。将表1中给出的4种不同质量的样品放入酚醛树脂中，纵向和垂直于图纸轴线放置，进行金相检查，用1000和3000粒度的砂纸进行细磨后，用金刚石磨料进行抛光。用Carl Zeiss Ultra Plus Gemini Fesem SEM装置对细磨和抛光的样品表面上的夹杂物进行了检查，并对样品表面在通过4%硝酸盐蚀刻后的微观结构进行了检查。通过软件ImageJ分析仪进行图像分析以定量夹杂物。通过使用金刚石直角尺的QNESS Q10牌显微硬度计对纵向和垂直细磨和抛光的每个样品进行五次硬度测量。表1研究钢丝帘线单丝的化学和机械性能。Fig. 1. (a)为这项工作设计和生产的纯弯曲疲劳试验机（b）安装在卡盘中的实际样品和（c）在试验过程中细丝的运动test.等级代码化学成分抗拉强度总计C %avg.Mn %平均值Si %平均值P %最大S %最大强度*（N/mm2）伸长率*（%）通过施加3 kg载荷 ，顶角为136°的锥体尖端持续15秒。在这项工作中，纯弯曲疲劳试验的钢帘线纤维已经实现了通过疲劳试验机，如图1a所示。设计了疲劳试验机，*制造商生产应用ASTM E2948-14标准测试方法。那个...0.25 NT-70C0.720.530.220.0250.0252755.50 1.970.25 HT-80C0.830.530.220.0200.0153149.110.25 ST-80C0.830.530.220.0200.0153400.89 2.170.25 UT-90C0.92零点三五0.220.0200.0153797.49 2.21H. Koymatcik等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）289291-0.25 NT-70 C0.25公司简介0.25 ST-80 C0.25 UT-90 C图二.平行于拉伸轴抛光的长丝的SEM图像。本机所用电机为0.37千瓦三相电动机和变频器驱动，转速1400 rpm，扭矩25 kg/cm，频率50 Hz。一定长度的帘线样品通过特殊夹具弯曲，使其不承受塑性变形，并在疲劳试验机上进行试验，如图所示。1 b. 图图1c示出了疲劳测试期间细丝的运动。根据ASTM E2948- 14标准，在室温和环境空气下，通过施加重复的单位弹性变形，以R =1的变形比进行如图1b所示，钢丝帘线细丝的环区域上的点经受由重复相同的压缩和拉伸应变与灯丝旋转自己的轴。为了提供给定的弯曲变形，在疲劳测试之前，已经计算了作为夹具之间的距离C的函数的钢帘线细丝的总长度（L）和弯曲半径（qmin）[8]。C值（图1）选择在28和162 mm之间。qmin¼0： 417℃L¼2： 19C200弹性弯曲下的单位变形量e用方程（1）求出（三）、其中d表示帘线直径[8]。2019 -04-25分别为横坐标（x）和纵坐标（y），以及x轴在S-N图中为对数标度。对样品进行测试，直至其断裂或超过最大106次循环。在疲劳试验中未断裂和/或超过106次循环的样品在这项工作中被假定为具有无限寿命。该疲劳变形极限代表了波动应变的最大值，其基本上不会导致无限循环次数的失效。根据至少3个样本的结果对疲劳试验进行评价。在SEM上检查了在最低循环次数（高疲劳应变寿命）下断裂并接近疲劳变形极限的细丝的匹配表面，以确定裂纹扩展机制。3. 结果和讨论0.25NT-70 C、0.25UT-90 C、0.25HT-80 C和0.25HT-80 C图2中给出了用于该工作的纵向（在拉伸方向上）抛光的0.25ST-80 C质量长丝。在0.25NT-70 C优质灯丝的显微组织中观察到圆形夹杂物，而在0.25UT-90 C的显微组织中观察到椭圆形纵向夹杂物。在抛光样品的SEM图像中看到的圆形和椭圆形黑色夹杂物的尺寸和数量都随着碳的增加而有所增加%e¼qminx1003比例夹杂物的EDS分析结果，如箭头所示图 2如图所示。3.第三章。而0.25NT-70 C中的夹杂物在这项工作中进行的疲劳试验中，通过方程计算交替e值。13，弯曲应变在0.20%~ 1.07%之间变化。循环次数和相应的交替e值，这是通过Eq.（3），位于高质量纤维中含有39%的氧、24%的铝和3%的钙，而0.25UT-90 C高质量纤维中的夹杂物含有33%的氧、26%的硅和0.35%的钙。这表明由0.25NT-70 C和0.25UT-90 C质量细丝组成的夹杂物主要是氧化铝292H. Koymatcik等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）289图3.第三章。对（a）0.25NT-70 C和（b）0.25UT-90 C长丝检测到的夹杂物的EDS分析和基于硅的。根据Wang等人的研究[5]，氧化铝基夹杂物较硬且呈球形，而硅酸盐夹杂物较软且具有细长的结构。是的。虽然氧化铝基夹杂物在拉拔过程中保持完整性，但硅酸盐夹杂物已以簇的形式分解。H. Koymatcik等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）289293表2所研究的长丝的图像分析结果。1000900800700用image j软件测定的样品内含物面积测量值见表2。 如表2所示，如图2所示，当长丝含碳量增加时，夹杂物面积增大，夹杂物形状变角。具有相同碳含量的样品中的夹杂物变成6005000.25 NT-70 C 0.25 HT-80 C 0.25 ST-80 C 0.25 UT-90 C拉伸应变时呈球状。图4显示了在高放大率下蚀刻的0.25NT-70 C、0.25UT-90 C、0.25HT-80 C和0.25ST-80 C长丝的SEM图像。所检单丝的显微组织为纤维状结构，含碳量较高的0.25UT-90 C优质钢Landford[9，10]通过对冷拉操作进行的研究，定义了钢丝帘线的微观结构版本。在拉伸操作时，在位于横截面处的纤维结构中存在一定的变形。众所周知，尽管珠光体钢中的铁素体仅占整个组织的12.5%，但它是强化相。因此，马氏体的形态和分布对力学性能有着特殊的影响.因此，许多研究人员[9，10]都集中在珠光体钢拉伸过程中纵向、垂直和与拉伸方向成角度取向的珠光体片层组织的变形。珠光体主要处于拉伸应力和压缩应力下，拉伸应力和压缩应力分别平行于拉伸轴和垂直于拉伸轴。图五. HV3硬度值的研究钢丝帘线长丝。绘图过程关于珠光体层和拉伸轴之间的角度，变形模式以3种方式发生[11]。与轧制轴倾斜取向的层（模式1）：在拉伸过程中，在处于双轴拉伸和压缩应力下的层中观察到两种趋势：层状区域减小并且层自身朝向帘线轴取向。如果在模式1中拉伸变形太高，则层自身定向成几乎平行于拉伸方向。平行于拉伸轴的层（模式2）：在两个轴向拉伸和压缩力的情况下，层状层的面积减小并朝向拉伸方向对齐。垂直于拉伸轴的层（模式3）：在变形过程中产生的拉伸应力增加了层状面积。珠光体层的两端承受垂直于模式3中的轴的压应力，并且朝向.25 NT-70 C0.25 ST-80 C0.25公司简介Mod 30.25 UT-90 C见图4。在高放大倍数下的长丝的SEM图像。纵向垂直HV3级别编码夹杂物面积测量（mm2）0.25NT-70C0.2340.25HT-80C0.3470.25ST-80C0.9610.25UT-90C6.664294H. Koymatcik等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）289D见图6。所研究的钢帘线长丝的应变（%）-循环曲线。0.60.50.40.30.20.100.25NT-70C 0.25HT-80C 0.25ST-80C 0.25UT-90C见图7。所研究的钢帘线单丝的疲劳变形极限值。画轴是相当困难的。因此，珠光体层弯曲直到断裂[11]。图4显示了0.25HT-80 C和0.25ST-80 C长丝在高放大倍数下的显微结构。图4中圈出了珠光体层的Mod3型变形。此外，0.25ST-80 C编码帘线钢单丝的显微组织比0.25HT-80 C强。图5给出了钢丝帘线单丝的HV3硬度值，如在其纵向和垂直抛光表面处所确定的。图5示出硬度随着碳含量的增加而增加。这些结果与制造商提供的拉伸强度一致（见表1）。0.25ST-80 C长丝的硬度值（抗拉强度作为制造商的数据）相对于具有相同横截面积和碳含量的0.25HT-80C长丝的硬度值的增加可归因于0.25ST-80 C长丝的微观结构由于生产条件而进一步变薄。具有相同初始线材横截面积的0.25HT-80 C和0.25ST-80 C长丝在冷拉工艺之后分别以1.35 mm和1.60 mm的直径进入热处理工艺的初始点，并且以0.25 mm直径的长丝在这里，拉伸应变对于0.25HT-80 C和0.25ST-80 C，值分别计算为3.37和3.71的真应变。这里使用的拉伸应变是奥氏体化热处理后最终拉伸的比例，定义为：e¼2L n. d04其中d0是拉伸前的直径，d是最终直径。0.25ST-80C长丝的机械性能（硬度和拉伸强度）的测量表明，该长丝的这些性能更高，该长丝在拉伸过程中承受更多的横截面收缩。生产线的这一变化影响了微观结构（图1）。 4）和机械性能-领带（Fig. 5）。图1给出了四种不同质量的长丝的S-N曲线。 六、S-N曲线以对数标度绘制，作为在特定应变值下实现的损伤与循环次数（疲劳寿命）或单位变形（疲劳极限）（106次循环）的关系。 图在图6中，疲劳寿命数据用实心符号表示，而疲劳极限数据用空心符号表示。图7给出了利用图6检查的各种长丝质量的疲劳极限值。这项研究表明，尽管硬度随着碳含量的增加而增加，但疲劳极限降低。与0.25NT-70 C灯丝的硬度相比，0.25UT-90 C灯丝具有最高硬度值860 HV3，但其具有最低疲劳极限值0.20%，如图8所示。碳含量相同的0.25ST-80 C 和0.25HT-80 C 纤维的疲劳变形极限（分别为0.53%和0.39%）与硬度的0.25ST-80 C长丝的硬度值为831 HV3，而0.25HT-80 C长丝的硬度测量值为775 HV3。由于拉伸应变高达3.71，横截面收缩率高，因此强度增加，显微组织细化（见图1）。与参考文献[3]中报告的0.25 HT-80 C细丝相比，4）导致0.25 ST-80C细丝的疲劳极限值较高。0.25NT-70 C和0.25UT-90 C单丝的疲劳性能受夹杂物的影响，而与其硬度值和拉拔应变相反。0.25NT-70 C和0.25UT-90 C长丝的拉伸应变分别为3.25和3.76。（四）、 如见于图如图2和图3所示，尽管0.25UT-90 C长丝具有一定量的细长和球形夹杂物（通常具有富Si含量）比0.25NT-70 C长丝更硬，但其表现出较低的疲劳极限值。此外，我们推测，另一个影响因素的低疲劳强度的0.25UT-90 C钢单丝，如图所示。 4，是由于与0.25NT-70 C长丝相比更粗糙的质地。根据文献中的现有研究，对疲劳性能有害的夹杂物类型为硫化物、硅酸盐、不变形球形夹杂物（简单氧化物、氮化物和铝酸盐）和严重程度不断增加的氧化铝。在疲劳性能方面，硅酸盐夹杂物的存在比硫化物夹杂物更有害碳化物和硅酸盐通常在室温下具有有限的延展性。当钢帘线细丝在交替应变下弹性变形时，碳化物和硅酸盐不经受变形，因此在钢-夹杂物界面处可能发生微裂纹。图6所示0.25UT-90 C纤维的疲劳值分散的主要原因可能是碳含量多和夹杂物少。根据表2中的数据，夹杂物数量越少，夹杂物形状的整体性越高，疲劳强度越高疲劳变形极限（%）H. Koymatcik等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）289295具有角形状和高含量夹杂物的所研究的长丝的变形极限较低。 与相同碳含量的0.25HT-80 C和0.25ST-80 C材料相比，表明具有高拉伸应变的0.25ST-80 C质量长丝获得更高的疲劳变形极限（图7）。疲劳试验后0.25NT-70 C和0.25UT-90 C钢帘线轮胎长丝的断裂表面的SEM图像示于图8中。匹配断裂表面的SEM检查表明，钢单丝的疲劳断裂类似于棒球棒开裂（BBC）。钢丝帘线单丝的疲劳开裂区域由垂直于拉伸轴线的断裂区域和相对于拉伸轴线构成倾斜表面的角度取向区域组成当疲劳裂纹表面的0.25NT-70 C长丝，其中有一个0.25UT-90 C 优质丝疲劳变形极限值低，疲劳变形极限值高，与0.25UT-90 C优质丝疲劳裂纹面相比，垂直于拉伸轴线的平面裂纹区加宽，疲劳变形极限值增大。这表明，长丝的疲劳裂纹开始于从表面向垂直于表面的本体的扩展，并终止于最终的快速裂纹区域，其形式为倾斜取向于拉伸轴线的倾斜断裂。疲劳裂纹的扩展和随后在纤维最终裂纹区出现的不透明脆性疲劳裂纹与它们出现时有很大不同最后，图 8已经证明，长丝的最终裂纹发生在珠光体纤维之间。垂直平面裂纹区域对应于常规疲劳损伤的蛤壳标记。然而，这个区域是一个平坦的表面，因为它不断地撞击线材代码%弯曲应变断裂细丝的匹配表面0.25NT-70C百分之一点零七0.58%0.25UT-90C百分之一点零七0.21%图8.第八条。 疲劳试验后0.25NT-70 C和0.25UT-90 C长丝的SEM图像296H. Koymatcik等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）289见图9。疲劳测试后测试长丝的SEM图像。在疲劳试验中相互作用（图9）。因此，即使进行了高放大率的详细检查（图9），也没有进一步的发现（例如夹杂物和海滩标记）。可以得到4. 结论在本研究中，碳含量和微观结构对疲劳性能的影响已被调查的轮胎帘线长丝拉伸到0.25毫米直径。随着含碳量的增加，硬度值增加，疲劳变形极限降低.这可能是由于夹杂物的变化。显微组织减薄导致的硬度增加提高了疲劳变形极限值。因此，钢中夹杂物对钢纤维疲劳行为的影响与钢纤维的硬度值和拉拔应变相反。在选择抗疲劳长丝时，考虑到最佳强度和最高疲劳变形极限，0.25ST-80 C长丝（0.53%）是最合适的设计材料，而不是在所检查的长丝中具有最高强度的0.25UT-90 C长丝（0.20%）。获得的断裂表面疲劳试验后分为两个区域：成角区和平坦区。裂纹扩展区为平坦区，裂纹扩展区为角区，平坦区面积越大，疲劳强度越高致谢作者对贝卡尔特兹米特钢帘线工贸有限公司表示感谢技术部门，土耳其科学技术研究委员会（1005 -国家新思想和产品研发资助计划，代码为117 M102）和Karabuk大学科学研究项目协调（BAP）项目代码为KBAP-BAP-1512- DR-023，用于供应钢丝和资助这项工作。引用[1] R.克吕泽尔，M。Suliga，钢丝多次弯曲对高碳钢丝残余应力的影响，Metalgija 52（2013）93-95。[2] M.苏利加河Kruzel，T. Garstka，J. Gazdowicz，拉丝速度对高碳钢丝组织变化的影响，Metalgija 54（2015）161-164.[3] Y.S.杨，J.G. Baec，C.G. Parka，通过后处理退火改善用于轮胎帘线的过共析钢丝的抗弯曲疲劳性，Mater。Sci. Eng. A 488（2008）554-561。[4] C. Wei，O.A. Olatunbosun，使用有限元法分析轮胎材料和结构特性对松弛长度的影 响 ，JMADE 102（2016）14-20。[5] S. Wang，中国山杨D.Zhang，K.切纳湖Xua，S.张文忠，“煤矿用钢丝的腐蚀疲劳行为”，硕士论文。Des. 53（2014）58-64。[6] S. A.R.古普塔佩尔顿，J.D. Weaver，X.贡，S. Nagaraja，高压缩预应变降低镍钛合金丝的弯曲疲劳寿命，J. Mech. Behav。BioMed. Mater. 44（2015）96-108。[7] K. Lambrighs，M.韦弗斯湾韦林登岛Verpoest，重拉钢丝疲劳的断裂力学方法，Procedia Eng. 10（2011）3259-3266。[8] D.W. Norwich，A.张文，镍钛合金丝径对疲劳性能影响的研究，J。Mater. Eng. 业绩18（2009）558-562。[9] G.陈文辉，钢绞线变形之研究，国立成功大学机械工程研究所硕士论文，（1998）。[10] G. 陈文辉，珠光体的变形，冶金学报，第8卷，第861[11] J. Toribio，共析钢的显微组织与强度之间的关系，Mater。Sci. Eng. A 387 -389（2004）227-230。
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