材料內(nèi)部裂紋自修復(fù)中組織生長(zhǎng)機(jī)制

1、清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2002年第42卷第4期CN11-2223/NJTsinghuaUniv(Sci&Tech),2002,Vol.42,No.424/37512-515材料內(nèi)部裂紋自修復(fù)中組織生長(zhǎng)機(jī)制鐘約先,袁朝龍,馬慶賢(清華大學(xué)機(jī)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(fù)規(guī)律,采用高溫物理模擬方法研究了20MnMo材料內(nèi)部孔隙性裂紋的自修復(fù)過程。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在裂紋修復(fù)過程中普遍存在著缺陷自由面上組織生長(zhǎng)現(xiàn)象,該現(xiàn)象解釋了自修復(fù)消除孔隙的原因,證實(shí)了裂紋修復(fù)的再結(jié)晶機(jī)制。研究結(jié)果對(duì)揭示裂紋演化和修復(fù)機(jī)理具有重要意義,在實(shí)際生產(chǎn)中能夠作為修復(fù)裂紋的指導(dǎo)原則

2、。該成果對(duì)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(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:塑性加工;裂紋;自修復(fù);物理模擬;再結(jié)晶中圖分類號(hào):TG316文章編號(hào):1000-0054(2002)04-0512-04文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A人注目。在大型鍛件生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),采用超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的材料內(nèi)部裂紋,經(jīng)過再結(jié)晶溫度以上長(zhǎng)時(shí)間保溫后,其中部分孔隙性缺陷得到了愈合,這一現(xiàn)象證明在適當(dāng)?shù)臈l件下材料內(nèi)部的缺陷存在著自修復(fù)現(xiàn)象15。大多數(shù)研究者認(rèn)為消除孔隙性缺陷主要靠外壓使其閉合,當(dāng)自由面互相接觸以后,通過原子遷移擴(kuò)散完成裂紋的修復(fù)。然而研究中發(fā)現(xiàn)了修復(fù)中的另一現(xiàn)象,即在孔隙性缺陷修復(fù)中,不存在孔隙壓合的情況下,裂紋也可以

3、修復(fù),即通過自由面向孔隙中組織生長(zhǎng)消除裂紋孔隙。這一重要發(fā)現(xiàn)為裂紋修復(fù)引入了新的機(jī)理再結(jié)晶。研究中不僅發(fā)現(xiàn)了自由面的再結(jié)晶生長(zhǎng)現(xiàn)象,而且發(fā)現(xiàn)在自修復(fù)過程中存在類似鑄件凝固過程中枝晶偏析、縮孔、縮松等現(xiàn)象,充分證明了缺陷修復(fù)的再結(jié)晶機(jī)理。缺陷修復(fù)過程中組織生長(zhǎng)機(jī)制,對(duì)于揭示裂紋修復(fù)規(guī)律,指導(dǎo)生產(chǎn)具有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)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(zhǎng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)選用材料為20MnMo鋼,由鋼錠中截取,經(jīng)過改鍛后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,采用物理模擬的方法。為了便于研究裂紋修復(fù)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(yàn)機(jī)上將試件壓縮至長(zhǎng)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(fù)情況;2) 10mm×15mm的試件中部鉆 2mm的通孔,在材料試驗(yàn)機(jī)上壓縮至試件長(zhǎng)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59775056),大型鍛件是冶金、電力、石油、化工、礦山、交通運(yùn)輸和原子能工業(yè)等大型設(shè)

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(xiàn)孔隙性缺陷,即孔隙性裂紋,當(dāng)裂紋尺寸大到一定值時(shí),產(chǎn)品將報(bào)廢,而大型鍛件的報(bào)廢往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為減少孔隙性裂紋導(dǎo)致的產(chǎn)品報(bào)廢,研究材料內(nèi)部缺陷的自修復(fù)機(jī)理日益引起重視,特別是應(yīng)用鐘約先,等:材料內(nèi)部裂紋自修復(fù)中組織生長(zhǎng)機(jī)制513紋修復(fù)情況;3)將2個(gè) 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(jié)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(qū)別主要是第1種裂紋在修復(fù)時(shí)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(fù),這樣在中間孔隙修復(fù)時(shí)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(fù)中典型金屬組織如圖1所示,其中圖1a是在1200時(shí)恒溫保溫60min時(shí)原孔隙塞塊尖端的修復(fù)情況;圖1b是在1200時(shí)恒溫保溫40min時(shí)原模擬裂紋中部的修復(fù)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(fù)情況。圖1第1種模擬裂紋恒溫保溫修復(fù)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(xiàn)了組織向內(nèi)生長(zhǎng)現(xiàn)象,同時(shí),在原孔隙附近出現(xiàn)了新孔隙;從圖1b可以看到,裂紋自由面上出現(xiàn)了向內(nèi)部孔隙坍塌,同時(shí)可以觀察到裂紋自由面向內(nèi)生長(zhǎng)所留下的不規(guī)則突起;圖1c中在接觸面處出現(xiàn)不同于基

9、體組織的特殊組織區(qū)。第2種模擬裂紋修復(fù)情況如圖2所示,其中圖2a是1150恒溫保溫15min缺陷修復(fù)情況;圖2b是1150保溫25min的修復(fù)情況;圖2c是試件1150保溫40min修復(fù)情況。從圖2a2b2c裂紋修復(fù)過程,可以看到裂紋修復(fù)過程中自由面結(jié)合的過程,裂紋自由面上組織逐漸向內(nèi)生長(zhǎng)。從圖2可以看到裂紋自由面上出現(xiàn)的特殊組織區(qū),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(fù)情況第3種模擬裂紋修復(fù)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(fù)情況。圖3a中,試件保溫5min后,在原孔隙內(nèi)部出現(xiàn)了散落的顆粒,同時(shí)在自由面附近出現(xiàn)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(gè)接觸面的部分已經(jīng)結(jié)合,在殘留的小孔隙中,同樣含有一些小顆粒,在自由面出現(xiàn)向孔隙內(nèi)部延伸的突起物;圖3c中在原接觸面處出現(xiàn)密集縮松區(qū),這是在逐漸凝固過程中,鑄件心部經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象;在圖3d中出現(xiàn)了較大枝晶,此現(xiàn)象非常類似于鑄件凝固過程中出現(xiàn)的枝晶偏析現(xiàn)象。514清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2002,42(4)的結(jié)果應(yīng)是孔隙向球形或橢球形發(fā)展,而不可能是向更不規(guī)則的形狀擴(kuò)散?？紫断罅粝碌闹霈F(xiàn)象

11、也不是擴(kuò)散的結(jié)果。金屬凝固過程中出現(xiàn)的枝晶偏析與此類似,都是金屬結(jié)晶的緣故。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)修復(fù)中,在原孔隙處出現(xiàn)了密集縮松、縮孔現(xiàn)象,而縮松、縮孔現(xiàn)象一般是在大型鑄件緩慢凝固時(shí),由于粘稠的鋼液不能補(bǔ)充凝固體積收縮所致,產(chǎn)生的在最后凝固區(qū)。凝固時(shí)縮松、縮孔主要是結(jié)晶的結(jié)果,但是在裂紋自修復(fù)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(xiàn),當(dāng)然也不存在凝固過程,因而出現(xiàn)的縮松和縮孔是由再結(jié)晶造成的。3孔隙性裂紋修復(fù)中自由面生長(zhǎng)機(jī)制圖3第3種模擬裂紋修復(fù)情況一般認(rèn)為孔隙性缺陷的修復(fù)分為2個(gè)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(kuò)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(zhǎng)分析近期研究已經(jīng)證明在適當(dāng)?shù)母邷貤l件下孔隙性裂紋可以自修復(fù),特別是對(duì)于厚度為微米級(jí)的缺陷,在適當(dāng)?shù)臈l件下可以完全修復(fù)15。要消除裂紋的自由面,就必須在兩個(gè)自由面之間形成金屬鍵,此時(shí)原子擴(kuò)散是必不可少的,但是只靠原子的擴(kuò)散不可能修復(fù)尺寸較大的孔隙性裂紋。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),靠變溫保溫可以修復(fù)幾百微米厚度的裂紋,此時(shí)沒有外壓,不存在裂紋孔隙閉合的過程,此時(shí)裂紋孔隙閉合不是由于外壓導(dǎo)致,而自由面組織生長(zhǎng)是主要原因。自由面組織生長(zhǎng)有2種途徑,一是通過自由面上及其附近原子擴(kuò)散完成,二是通過結(jié)晶實(shí)現(xiàn)自由面組織生長(zhǎng),而在自由面上不存在液體金屬,所以此時(shí)

13、的結(jié)晶只可能是再結(jié)晶。使用再結(jié)晶理論能夠很容易解釋在裂紋修復(fù)過程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中裂紋部分自由面上,由于此處再結(jié)晶的條件適宜,再結(jié)晶首先在這些地方開始,突出物在這些部位優(yōu)先生長(zhǎng),使得自由面變得更不規(guī)則。如果條件特別適宜再結(jié)晶,則可能在整個(gè)自由面上同時(shí)發(fā)生,如果再結(jié)晶速度大到一定值,則再結(jié)晶形成新晶粒所需材料供給不上,就會(huì)導(dǎo)致自由面的塌陷,即自由面與基體脫離,或與基體結(jié)合強(qiáng)度極低,在磨試件時(shí)很容易脫落。如果只是在自由面上局部再結(jié)晶速度快,同時(shí)原子擴(kuò)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(jié)晶充分發(fā)展,上述實(shí)驗(yàn)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(gè)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(kuò)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(nèi)部生長(zhǎng),而是局部?jī)?yōu)先向內(nèi)生長(zhǎng)。由于孔隙較大,消除孔隙需要大量材料補(bǔ)充,而這些材料只能由基體補(bǔ)充,在自由面附近出現(xiàn)新孔隙就是由于此處的材料通過擴(kuò)散以填充孔隙。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的自由面塌陷不是由擴(kuò)散引起,因?yàn)閿U(kuò)散不可能產(chǎn)生如此大的缺陷,只可能是由于外壓或組織生長(zhǎng)所致。在特殊組織區(qū)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為裂紋可以完全修復(fù),但是由于在保溫時(shí),沒有施加外壓,因此孔隙的消除不是塑性變形導(dǎo)致的孔隙閉合。在裂紋修復(fù)后,原接觸面處出現(xiàn)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(jiǎn)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(nèi)部裂紋自修復(fù)中組織生長(zhǎng)機(jī)制515區(qū)晶粒較小現(xiàn)象主要是由于自由面再結(jié)晶速度快,新形成的晶粒來不及長(zhǎng)大,又發(fā)生了再結(jié)晶造成的。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),缺陷修復(fù)過程中出現(xiàn)縮孔、縮松和偏析現(xiàn)象,主要出現(xiàn)在恒溫高溫保溫(溫度大于1000),在恒溫保溫實(shí)驗(yàn)中基本沒有發(fā)現(xiàn)自由面坍塌現(xiàn)象,特殊組織區(qū)現(xiàn)象也非

16、常不明顯,很難觀察出來。說明高溫恒溫保溫時(shí),再結(jié)晶速度快,而原子擴(kuò)散速度相對(duì)較慢,此時(shí)修復(fù)較快。在低溫恒溫保溫時(shí),上述缺陷基本沒有出現(xiàn),修復(fù)速度慢,同時(shí)整個(gè)自由面上再結(jié)晶速度均勻,表現(xiàn)為孔隙均勻縮小,孔隙形狀向球形或橢球形方向發(fā)展。說明原子擴(kuò)散速度和再結(jié)晶速度相差不多,此時(shí)兩者在修復(fù)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(chǎn)生了塑性變形的條件下保溫時(shí),出現(xiàn)了明顯的特殊組織區(qū)現(xiàn)象,說明這些條件有利于進(jìn)行再結(jié)晶。此時(shí)裂紋孔隙消除較快,但是在消除裂紋過程中出現(xiàn)的特殊組織帶很難消除?，F(xiàn)象。修復(fù)的條件不同,修復(fù)有可能只是在自由面局部?jī)?yōu)先進(jìn)行,也可能整個(gè)自由面較均勻的生長(zhǎng)。2)孔隙

17、性裂紋修復(fù)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(zhǎng)。如果外壓使得孔隙縮小,會(huì)不同程度縮短消除孔隙所需時(shí)間,更有利于缺陷修復(fù)。3)孔隙性裂紋自由面生長(zhǎng)主要是通過自由面上組織再結(jié)晶實(shí)現(xiàn),擴(kuò)散提供再結(jié)晶所需材料。4)在缺陷修復(fù)初期修復(fù)條件應(yīng)有利于自由面上組織再結(jié)晶進(jìn)行,以快速消除孔隙。在修復(fù)后期,應(yīng)有利于晶粒長(zhǎng)大,以快速消除修復(fù)后遺留的缺陷。參考文獻(xiàn)(References)1鐘志平.大型筒體鍛件組織性能控制與高溫裂紋修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究D.北京:清華大學(xué),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(jī)理及控制鍛造工藝研究D.北京:清華大學(xué),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(guī)律的研

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