不锈钢纤维力学性能及表面形貌的影响研究

姜飞龙，张国朋，许佩敏，段博译

（西安菲尔特金属过滤材料股份有限公司，陕西西安 710000）

不锈钢纤维属于一种新型的工业应用材料，包括304、316、316L、310S 等多种材质，具有强度高、导电性好、耐高温、耐腐蚀等多种优良性能，被广泛应用于化工、电子、航天等领域[1]。316L 不锈钢纤维是其中一种常用的材料，目前主要由集束拉拔而成，丝径可达μm 级别，具有耐高温、耐腐蚀性等优良性能，可以应用在耐腐蚀领域[2]，且具有非金属纤维所具有的粘合性、柔软性等性能，更加提升了其在各行各业的应用价值[3]。集束拉拔作为生产316L 不锈钢纤维的主要生产技术，大大提高了不锈钢纤维的生产效率[4]，但是，随着工业应用领域的发展，对不锈钢纤维力学性能要求也越来越高，因此生产细规格丝径和高性能不锈钢纤维已经是近些年来主要的研究目标[5]。周照耀等[6]发现在复合材料中，随着不锈钢纤维体积含量的上升，可以有效的阻止裂纹在复合材料中的传播。SHAJARI S 等[7]采用碳纳米管（CNT）聚丙烯纳米复合材料为基体，不锈钢纤维作为纳米复合材料的增强材料，杂化形成纳米复合材料，增强了其力学性能和电磁屏蔽性能。QuanD 等[8]在CFRP 中添加不锈钢纤维，可以提升CFRP 的断裂韧性，TalonenJ 等[9]研究了应变速率会影响不锈钢马氏体的转变和力学性能，Takemoto T 等[10]研究了热处理对不锈钢力学性能的影响规律，杨春雷等[11]发现在不锈钢丝拉拔过程中,钢丝的硬度沿钢丝表面至中心呈增加趋势，高亚男[12]的研究表明拉拔工艺对不锈钢/铜/碳钢复合有较大影响。王宾宁等[13]发现随着拉拔的进行，不锈钢丝径减小，其抗拉强度会得到提升。孙海忠等[14]对不同的不锈钢丝径采用不同的退火温度进行拉拔，并分析了表面形貌和性能。但是上述研究均基于不锈钢丝或纤维为基础，做成复合材料进行研究，或不锈钢纤维丝径规格较粗，未能拉拔至丝径0.006mm 规格，因此基于以上研究与分析，退火参数和加工率是影响纤维力学性能的主要因素[15]。在不同的温度以及保温时间下，不同丝径具有自身最优的工艺参数值[16]。因此选取合适的加工率和退火参数，对细规格不锈钢纤维力学性能具有很大的影响。本研究通过改变加工率、退火温度和退火时间，研究不锈钢纤维力学性能的变化规律，得出适合生产力学性能优异不锈钢纤维的工艺参数。

1 试验材料及方法

试验材料选用316L 不锈钢丝，通过集束拉拔，将不锈钢纤维丝径拉至0.006mm，作为研究对象，其主要化学成分含量如表1 所示。

表1 316L 不锈钢丝化学成分 ωB/%

采用单因素实验，分别研究加工率、退火温度和退火时间对纤维力学性能的影响。为更加与生产实际相结合，退火温度范围选为800～880℃，加工率选为73.52%～95.65%，退火时间选为0.5～2.5 min,将加工率、退火参数试验值设置如表2 所示。

表2 试验参数值

采用电子单纤维强力机进行纤维力学性能测试，测试内容为纤维的断裂强力和断裂伸长率，测试方法为每组试验选取20 根纤维进行测量，对测量结果求得平均值作为试验结果，通过电子扫描显微镜对纤维表面进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 加工率对纤维力学性能及形貌的影响

以316L 不锈钢丝为研究对象，纤维丝径拉至0.006mm，退火温度选用880℃，退火时间为2 min，加工率依次选取73.52%、78.39%、82.86%、86.07%、88.60%、90.20%、91.70%、92.97%、95.65%，试验结果如下。

图1 纤维力学性能随加工率变化规律

从图1a、b 中可以看出，在退火温度为880℃，退火时间为2min 时，在加工率由73.52%到91.70%过程中，纤维断裂强力由1.9cN 提高到3.3cN，纤维断裂伸长率由0.55%提升到0.7%。断裂强力和断裂伸长率随着加工率的提高而提高，这是因为，纤维拉拔是奥氏体向马氏体转变的过程，奥氏体提升材料的塑变能力，而马氏体提升材料的抗拉强度。因此随着拉拔的进行，不锈钢纤维中的马氏体越来越多，纤维的抗拉强度提升，纤维越不容易断裂，因此，纤维的断裂能力和断裂伸长率也越来越大。当加工率达到91.70%以后，在该退火温度和时间下，随着纤维拉拔的进行，纤维中的奥氏体与马氏体转变达到极限值，马氏体不再增多，因此，纤维断裂强力和断裂伸长率也不再增加。

将上述工艺拉拔出的纤维，通过扫描电镜分析表面形貌，如图2 所示，在加工率为73.52%和91.70%时，纤维表面有拉拔凹槽，表面凸起较少，当加工率为95.65%时，纤维表面除有凹槽外，还有部分凸起颗粒。纤维表面形貌出现凹槽的主要原因和加工过程关系比较大，由于纤维生产过程采用的是集束拉拔，在拉拔过程中，纤维与纤维之间存在挤压，多根纤维在相互挤压之下，就出现了一条条的线型凹槽；而在加工率为95.65%时，纤维相互挤压过很，在纤维表面形成无规律小颗粒。

图2 不同加工率下纤维表面形貌

2.2 退火参数对纤维力学性能及表面形貌的影响

2.2.1 退火温度对纤维力学性能的影响

由于加工率在91.70%～95.65%之间，纤维断裂强力和断裂伸长率已不发生变化，因此本次试验加工率选取为95.65%，最大化的避免加工率对纤维断裂强力和断裂伸长率的影响。退火时间为2min，退火温度依次选取800℃、820℃、840℃、860℃、880℃，试验结果如下。

从图3a 中可以看出，退火温度由800℃提高到880℃，断裂强力在3.3cN 附近基本无变化。图3b 中，断裂伸长率在0.7%附近无变化，这是因为在800～880℃之间，纤维中马氏体向奥氏体转变达到最大，随着温度提升，奥氏体向马氏体不再转变。

图3 纤维力学性能随退火温度变化规律

2.2.2 退火时间对纤维力学性能的影响

加工率选取为95.65%，退火温度选取为880℃，为研究退火时间对纤维断裂强力和断裂伸长率的影响规律，退火时间选取为0.5min、1min、1.5 min、2min、2.5min，试验结果如下。

从图4a 中可以看出，退火时间为2min 时，不锈钢纤维的断裂强力为3.3cN。图4b 中，断裂伸长率为0.7%，在退火时间为1min、1.5min 和2.5min时，纤维力学性能和退火时间2min 时相比，变化不明显。但当退火时间为0.5min 时，不锈钢纤维的断裂强力为4.3cN，断裂伸长率为1.0%，相较于退火时间2min，纤维的断裂强力和伸长率得到较大提升。因此退火时间对纤维的力学性能影响较大，为后续深入研究退火参数对不锈钢纤维力学性能的影响提供了一定的参考价值。

图4 纤维力学性能随退火时间的变化规律

2.2.3 退火参数对纤维表面形貌的影响

将退火温度、时间不同情况下得到的两种纤维，进行扫描电镜观察，发现二者表面形貌变化不大，都存在条状凹槽和部分颗粒，改变退火温度和时间，纤维表面形貌变化不明显。

3 结论

（1）退火温度和退火时间一定时，在加工率为91.70% 之前，纤维力学性能与加工率正相关，在加工率达到91.7% 以后，纤维力学性能几乎无变化。

（2）加工率和退火时间一定时，在退火温度800～880℃范围内，纤维力学性能受退火温度变化影响较小。

（3）加工率和退火温度一定时，相较于退火时间2min，采用退火时间0.5min，纤维断裂强力由3.3cN 提升到4.3cN，断裂伸长率由0.7%提升到1.0%，力学性能提升较明显。

图5 不同退火参数下纤维表面形貌

（4）纤维在集束拉拔过程中，纤维表面会形成条状凹槽，当加工率过大时，纤维表面会有颗粒出现。改变退火参数，纤维表面形貌变化不明显。

（5）不锈钢纤维拉拔过程中的加工率和退火参数对纤维力学性能的影响规律，对后续生产不同性能的纤维具有重要的指导意义。