1、清華大學學報(自然科學版)2002年第42卷第4期CN11-2223/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2002,Vol.42,No.424/37512-515材料內部裂紋自修復中組織生長機制鐘約先,袁朝龍,馬慶賢(清華大學機械工程系,北京100084)摘要:為探索高溫塑性變形過程中裂紋修復規律,采用高溫物理模擬方法研究了20MnMo材料內部孔隙性裂紋的自修復過程。實驗中發現在裂紋修復過程中普遍存在著缺陷自由面上組織生長現象,該現象解釋了自修復消除孔隙的原因,證實了裂紋修復的再結晶機制。研究結果對揭示裂紋演化和修復機理具有重要意義,在實際生產中能夠作為修復裂紋的指導原則

2、。該成果對于控制塑性加工中缺陷的變化過程具有重要的理論意義和實用價值。關鍵詞:塑性加工;裂紋;自修復;物理模擬;再結晶中圖分類號:TG316文章編號:1000-0054(2002)04-0512-04文獻標識碼:A人注目。在大型鍛件生產實踐中發現,采用超聲波探傷發現的材料內部裂紋,經過再結晶溫度以上長時間保溫后,其中部分孔隙性缺陷得到了愈合,這一現象證明在適當的條件下材料內部的缺陷存在著自修復現象15。大多數研究者認為消除孔隙性缺陷主要靠外壓使其閉合,當自由面互相接觸以后,通過原子遷移擴散完成裂紋的修復。然而研究中發現了修復中的另一現象,即在孔隙性缺陷修復中,不存在孔隙壓合的情況下,裂紋也可以

3、修復,即通過自由面向孔隙中組織生長消除裂紋孔隙。這一重要發現為裂紋修復引入了新的機理再結晶。研究中不僅發現了自由面的再結晶生長現象,而且發現在自修復過程中存在類似鑄件凝固過程中枝晶偏析、縮孔、縮松等現象,充分證明了缺陷修復的再結晶機理。缺陷修復過程中組織生長機制,對于揭示裂紋修復規律,指導生產具有著重要的理論意義和實用價值。Structuregrowthmechanismforinteriorcracksinself-healingZHONGYuexian,YUANChaolong,MAQingxian(DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUni

4、versity,Beijing100084,China)Abstract:Theself-healingofinteriorcavity-typecracksofplasticdeformationin20MnMoalloysteelwasstudiedusinghightemperaturemodelingmethod.Structuretendedtodevelopatthefreesurfaceofcracksduringtheself-recoveryprocesswhichcausedtheholetodisappearinthecrackastherecrystallization

5、mechanismofself-recovery.Understandingofthecrackrecrystallizationmechanismwillbeusefulinplasticmanufacturingtocontrolfaultsproducedinplasticworking.Keywords:plasticworking;crack;self-healing;modelingmethod;recrystallization1缺陷自由面生長現象實驗選用材料為20MnMo鋼,由鋼錠中截取,經過改鍛后進行調質處理,采用物理模擬的方法。為了便于研究裂紋修復過程,采用3種模擬裂紋:1

6、)在 8mm×12mm的試件中部鉆 2mm×6mm的盲孔,使用 2mm×2mm的同種材料(塞塊)將孔封閉,在材料試驗機上將試件壓縮至長為8.5mm,再將試件放在熱模擬儀Gleeble-1500上于15MPa的壓力下恒溫保溫,觀察裂紋修復情況;2) 10mm×15mm的試件中部鉆 2mm的通孔,在材料試驗機上壓縮至試件長為11.64mm,然后將試件在Gleeble-1500上不加外壓恒溫和變溫保溫,觀察裂收稿日期:2001-06-21基金項目:國家自然科學基金資助項目(59775056),大型鍛件是冶金、電力、石油、化工、礦山、交通運輸和原子能工業等大型設

7、備的重要支柱。但是,在大型鍛件制造和使用過程中不可避免地出現孔隙性缺陷,即孔隙性裂紋,當裂紋尺寸大到一定值時,產品將報廢,而大型鍛件的報廢往往造成巨大的經濟損失。為減少孔隙性裂紋導致的產品報廢,研究材料內部缺陷的自修復機理日益引起重視,特別是應用鐘約先,等:材料內部裂紋自修復中組織生長機制513紋修復情況;3)將2個 8mm×12mm的試件疊放在在一起,用兩試件接觸面模擬裂紋,在Gleeble-1500上保溫觀察兩接觸面的結合情況。3種模擬裂紋中第1種裂紋最大,第3種裂紋最小,第1種和第2種裂紋區別主要是第1種裂紋在修復時裂紋和外界不相通,塞塊和基體之間形成的裂紋(類似第3種裂紋)先

8、修復,這樣在中間孔隙修復時裂紋自由面不易氧化。所有試件在保溫后均采用隨爐冷卻。第1種模擬裂紋修復中典型金屬組織如圖1所示,其中圖1a是在1200時恒溫保溫60min時原孔隙塞塊尖端的修復情況;圖1b是在1200時恒溫保溫40min時原模擬裂紋中部的修復情況;圖1c是塞塊邊緣與基體所形成裂紋在1200恒溫保溫40min修復情況。圖1第1種模擬裂紋恒溫保溫修復情況從圖1a可以看到,裂紋自由面不再平整,在自由面上出現了組織向內生長現象,同時,在原孔隙附近出現了新孔隙;從圖1b可以看到,裂紋自由面上出現了向內部孔隙坍塌,同時可以觀察到裂紋自由面向內生長所留下的不規則突起;圖1c中在接觸面處出現不同于基

9、體組織的特殊組織區。第2種模擬裂紋修復情況如圖2所示,其中圖2a是1150恒溫保溫15min缺陷修復情況;圖2b是1150保溫25min的修復情況;圖2c是試件1150保溫40min修復情況。從圖2a2b2c裂紋修復過程,可以看到裂紋修復過程中自由面結合的過程,裂紋自由面上組織逐漸向內生長。從圖2可以看到裂紋自由面上出現的特殊組織區,此處的組織和晶粒與基體截然不同。圖2第2種模擬裂紋修復情況第3種模擬裂紋修復情況如圖3所示,其中圖3a是在9501200以50/s的溫度變化率升、降溫,保溫5min組織的典型情況;圖3b是在同樣條件下保溫10min;圖3c是相同條件下保溫30min;圖3d是在11

10、50恒溫保溫30min缺陷修復情況。圖3a中,試件保溫5min后,在原孔隙內部出現了散落的顆粒,同時在自由面附近出現新縮松帶,帶和孔隙自由面之間隔著一條基體帶;在圖3b中試件保溫到10min后,原兩個接觸面的部分已經結合,在殘留的小孔隙中,同樣含有一些小顆粒,在自由面出現向孔隙內部延伸的突起物;圖3c中在原接觸面處出現密集縮松區,這是在逐漸凝固過程中,鑄件心部經常出現的現象;在圖3d中出現了較大枝晶,此現象非常類似于鑄件凝固過程中出現的枝晶偏析現象。514清華大學學報(自然科學版)2002,42(4)的結果應是孔隙向球形或橢球形發展,而不可能是向更不規則的形狀擴散。孔隙消除后留下的枝晶偏析現象

11、也不是擴散的結果。金屬凝固過程中出現的枝晶偏析與此類似,都是金屬結晶的緣故。實驗還發現修復中,在原孔隙處出現了密集縮松、縮孔現象,而縮松、縮孔現象一般是在大型鑄件緩慢凝固時,由于粘稠的鋼液不能補充凝固體積收縮所致,產生的在最后凝固區。凝固時縮松、縮孔主要是結晶的結果,但是在裂紋自修復過程中,保溫溫度是在金屬溶化溫度以下,沒有液體金屬出現,當然也不存在凝固過程,因而出現的縮松和縮孔是由再結晶造成的。3孔隙性裂紋修復中自由面生長機制圖3第3種模擬裂紋修復情況一般認為孔隙性缺陷的修復分為2個階段,即孔隙的閉合階段和焊合階段,閉合階段主要是消除孔隙,孔隙兩自由面接觸后,通過自由面上原子的遷移擴散在兩自

12、由面的原子之間形成金屬鍵,從而消除自由表面162缺陷自由面組織生長分析近期研究已經證明在適當的高溫條件下孔隙性裂紋可以自修復,特別是對于厚度為微米級的缺陷,在適當的條件下可以完全修復15。要消除裂紋的自由面,就必須在兩個自由面之間形成金屬鍵,此時原子擴散是必不可少的,但是只靠原子的擴散不可能修復尺寸較大的孔隙性裂紋。實驗發現,靠變溫保溫可以修復幾百微米厚度的裂紋,此時沒有外壓,不存在裂紋孔隙閉合的過程,此時裂紋孔隙閉合不是由于外壓導致,而自由面組織生長是主要原因。自由面組織生長有2種途徑,一是通過自由面上及其附近原子擴散完成,二是通過結晶實現自由面組織生長,而在自由面上不存在液體金屬,所以此時

13、的結晶只可能是再結晶。使用再結晶理論能夠很容易解釋在裂紋修復過程中所出現的現象。在實驗中裂紋部分自由面上,由于此處再結晶的條件適宜,再結晶首先在這些地方開始,突出物在這些部位優先生長,使得自由面變得更不規則。如果條件特別適宜再結晶,則可能在整個自由面上同時發生,如果再結晶速度大到一定值,則再結晶形成新晶粒所需材料供給不上,就會導致自由面的塌陷,即自由面與基體脫離,或與基體結合強度極低,在磨試件時很容易脫落。如果只是在自由面上局部再結晶速度快,同時原子擴散速度適中,則局部突出物逐漸將原孔隙分割成更多的孔隙,從而在原裂紋處形成了縮孔和縮松。如果再結晶充分發展,上述實驗中,第1種模擬裂紋最小尺寸在原

14、孔洞壓縮后所留下的兩個尖端處,厚度為300400 m,最大厚度位于孔隙中部,厚度350500 m,僅靠原子遷移擴散不可能完全消除如此大的距離。從圖1中可以看到,原自由面向孔隙中心伸出一些突起,說明孔隙自由面不是平行向孔隙內部生長,而是局部優先向內生長。由于孔隙較大,消除孔隙需要大量材料補充,而這些材料只能由基體補充,在自由面附近出現新孔隙就是由于此處的材料通過擴散以填充孔隙。實驗中出現的自由面塌陷不是由擴散引起,因為擴散不可能產生如此大的缺陷,只可能是由于外壓或組織生長所致。在特殊組織區中晶粒較基體晶粒小,二者之間存在明顯差別。第2種模擬裂紋,其厚度尺寸是中間小,兩端大,尺寸在100250 m

15、,實驗結果為裂紋可以完全修復,但是由于在保溫時,沒有施加外壓,因此孔隙的消除不是塑性變形導致的孔隙閉合。在裂紋修復后,原接觸面處出現不同于基體的特殊組織帶,其晶粒度和組織都與基體不同,這也證明消除孔隙不是基體簡單閉合,而是在孔隙閉合過程中存在組織和晶粒變化。第3種模擬裂紋中自由面局部向孔隙中部的突,鐘約先,等:材料內部裂紋自修復中組織生長機制515區晶粒較小現象主要是由于自由面再結晶速度快,新形成的晶粒來不及長大,又發生了再結晶造成的。在實驗中發現,缺陷修復過程中出現縮孔、縮松和偏析現象,主要出現在恒溫高溫保溫(溫度大于1000),在恒溫保溫實驗中基本沒有發現自由面坍塌現象,特殊組織區現象也非

16、常不明顯,很難觀察出來。說明高溫恒溫保溫時,再結晶速度快,而原子擴散速度相對較慢,此時修復較快。在低溫恒溫保溫時,上述缺陷基本沒有出現,修復速度慢,同時整個自由面上再結晶速度均勻,表現為孔隙均勻縮小,孔隙形狀向球形或橢球形方向發展。說明原子擴散速度和再結晶速度相差不多,此時兩者在修復中作用相差不大。但是在存在溫度變化率及施加外壓,特別是外壓使材料產生了塑性變形的條件下保溫時,出現了明顯的特殊組織區現象,說明這些條件有利于進行再結晶。此時裂紋孔隙消除較快,但是在消除裂紋過程中出現的特殊組織帶很難消除。現象。修復的條件不同,修復有可能只是在自由面局部優先進行,也可能整個自由面較均勻的生長。2)孔隙

17、性裂紋修復中消除孔隙不僅依靠外壓使得孔隙閉合,而且必須依靠自由面組織生長。如果外壓使得孔隙縮小,會不同程度縮短消除孔隙所需時間,更有利于缺陷修復。3)孔隙性裂紋自由面生長主要是通過自由面上組織再結晶實現,擴散提供再結晶所需材料。4)在缺陷修復初期修復條件應有利于自由面上組織再結晶進行,以快速消除孔隙。在修復后期,應有利于晶粒長大,以快速消除修復后遺留的缺陷。參考文獻(References)1鐘志平.大型筒體鍛件組織性能控制與高溫裂紋修復實驗研究D.北京:清華大學,1998.ZHONGZhiping.ResearchontheMicrostructureandBeijing:TsinghuaPr

18、opertyControlofHeavyCylinderForgingandCrackRepairingatHighTemperatureD.University,1990.(inChinese)2韓靜濤.大型餅類鍛件夾雜行裂紋形成機理及控制鍛造工藝研究D.北京:清華大學,1995.HANJingtao.StudyonInnerCrackFormingMechanismandForgingProcessControlofHeavyDiskandDieBlocksD.Beijing:TsinghuaUniversity,1995.(inChinese)3金寧.大鍛件孔隙性缺陷的壓合與焊合規律的研

19、究及高溫柵的研制D.北京:清華大學,1990.JINNing.InvestigationofCollapsandWeldingLawofCavitiesandPorousDefectsinLargeForgings,andDevelopmentofHighTemperatureMoireGridsD.Beijing:TsinghuaUniversity,1990.(inChinese)4HANJingtao,ZHAOGang,CAOQixiang.Sernalcrackrecoveryof20MnMosteelJ.SciencesinChinaE-TechnologicalSciences,1997,40(2):1645研究學報,1996,10(1):101104.ZHAOXia