Page 91 - 理化检验-物理分册2024年第十期

何 君，等：核燃料组件用冷拉弹簧丝绕制断裂原因

变不能延伸到心部，发生了明显的宏观不均匀变形。 韧性进一步降低，导致弹簧丝绕制时出现异常断裂
晶粒内部出现大量的孪晶，这是因为在丝材冷拉过程 现象。
中变形程度增大，丝材的应变速率会相应增大，而滑 研究表明 [11] ，对于采用冷拉工艺成型的丝材，
移产生的变形量不足以弥补变形的需求，此时孪生可 由于原始棒材与冷拉磨具之间存在较大的滑动摩擦
[6]
以补充变形机制，起着协调塑性变形的作用 。 力，加工变形时，表面区域变形量大，在塑性变形过
程中，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互
2 综合分析
交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，使位错
弹簧丝绕制过程发生断裂现象往往与原材料缺 运动阻力增大，从而引起抗变形力的增大，最终该区
陷有关，如夹杂物较多 [7-8] 、表面剩余塑性不足、组织 域硬度升高，形成加工硬化层，并表现出较大的残余
偏析 [9-10] 等。原材料弹簧丝化学成分符合标准，无异 拉应力，形成较多的表面缺陷。在后续的弹簧绕制
常第二相夹杂物。弹簧丝由棒材经多次冷拉和中间 过程中，残余拉应力与绕制拉应力相叠加，更易导致
退火，最后经成品冷拉成型。弹簧丝的显微组织和 表面裂纹等缺陷，故在断裂弹簧丝和缠绕试验后，弹
晶粒尺寸分布表明：弹簧丝材晶粒尺寸沿径向明显 簧丝表面形成肉眼可见的裂纹。此外，弹簧丝绕制
分布不均匀，晶粒尺寸从表面到心部逐渐增大。说 时断裂的另一个原因可能是丝材表面的裂纹 [12] 。采
明弹簧丝在冷拉加工过程中，应变不能均匀传递到 用光学显微镜观察绕制时发生断裂的同一批丝材表
丝材内部，导致明显的宏观不均匀变形，甚至在表面 面，结果如图8所示。由图8可知：弹簧丝表面存在
出现了加工硬化层，产生细晶层，降低了弹簧丝表面 明显的横向裂纹或纵向裂纹，裂纹大大降低了丝材
的塑性和韧性。越靠近表面区域，晶粒内孪晶数量 的绕制性能，并导致丝材在绕制或服役时发生断裂
越多，加工硬化程度越严重，使得弹簧丝的塑性和 现象。

图 8 同一批丝材表面裂纹微观形貌
弹簧丝绕制过程中，弹簧丝外表面承受拉应 3 结论和建议
力，内表面则承受压应力。绕制时外表层金属沿弹 （1）冷拉工艺使弹簧丝表面形成加工硬化层，降
簧丝轴向运动，又向心部运动 [13] 。曲率最大的弹簧 低了材料的表面塑性和韧性。同时，应变不均匀造
丝表面承受最大的拉应力，变形最明显，如果其表 成弹簧丝内外显微组织不均匀。
面存在细晶层或表面缺陷，就会形成微裂纹，并逐 （2）弹簧丝表面存在裂纹，降低了丝材的绕制
渐扩展导致弹簧断裂。弹簧丝绕制断裂是表面加 性能，导致其在绕制过程中发生断裂现象。
工硬化和表面缺陷共同作用的结果。可通过优化 （3）XH77TЮР合金弹簧丝绕制断裂是表面加
冷拉工艺避免弹簧丝绕制断裂，如延长中间退火时 工硬化和表面缺陷共同作用的结果。
间，尽量消除丝材内部组织的不均匀状态，也可改 （4）通过优化冷拉工艺，同时加强生产过程管
变最后一次冷拉变形量，避免丝材表面出现加工硬 理，可避免弹簧丝产生表面缺陷和裂纹，提高弹簧丝
化层。同时，加强丝材生产、运输和绕制过程管理， 的绕制性能。
可避免表面产生划伤、点坑等缺陷。此外还可以通
参考文献：
过目视、涡流、渗透检测等方法提前发现丝材的表
面缺陷，去除有缺陷的丝材。 [1] 蒲曾坪，张吉斌，齐敏，等．燃料组件板弹簧压紧系统

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