金属材料内部裂纹愈合规律的研究

【摘要】：本文研究工作是国家自然科学基金重点项目“金属材料内部裂纹愈合研究”和面上项目“金属材料内部损伤自修复机制及控制模式研究”的重要组成部分。研究金属材料内部裂纹愈合规律,目的是延长普通金属材料使用寿命、提高其品质,并力图揭示材料损伤的发展与演化过程。采用平板撞击方法在纯铜和45 号钢中预置内部裂纹,采用钻孔压缩方法在纯铜、20 号、45 号和20MnMo 钢及80 号钢中预置内部裂纹,通过扫描电子显微镜下的准原位观察、超声扫描探测及金相观察,发现单纯高温愈合处理条件下,各种材料试样的内部裂纹尺度均有减小趋势,尤以裂纹尖端愈合最为明显。纯铜和亚共析钢愈合区组织远比基体组织细密,在亚共析钢中这种组织是细晶的铁素体,形成细晶组织的主要原因是愈合区内存在的大量微孔洞拖曳晶界迁移,抑制了晶粒长大。合金元素C、Mn 和Mo 含量的差异对裂纹愈合没有明显影响。根据平板撞击试样内部裂纹愈合情形判断,单纯高温愈合处理条件下可出现较明显愈合迹象的裂纹尺度大约为几十微米。而对20 号和20MnMo 钢的实验表明,在一定的热塑性变形条件下,预置内部裂纹在相当短的时间内即可实现完全的愈合,但愈合区内仍然呈现细晶铁素体组织。单纯高温扩散处理条件下金属材料内部裂纹愈合过程基本可划分为四个阶段。拉伸实验表明在1000-1100℃进行愈合处理,保温时间达到60min 以上对含预置内部裂纹的45 号钢试件拉伸强度的恢复最为有利。采用分子动力学方法在纳观尺度上模拟了BCC-Fe 内部裂纹愈合过程,结果表明,只有在临界温度673K以上,BCC-Fe 内部裂纹出现愈合趋势,伴随裂纹愈合产生空位、位错和孪晶等晶体缺陷,愈合过程中这些缺陷形态和位置可能变化,但很难消失。 结合工业生产实际,对石家庄钢铁股份有限公司45 号钢圆棒材内部裂纹的控制与抑制进行了研究,发现最主要的缺陷类型为位于圆棒材横截面径向1/4 部位的成簇长裂纹,是连铸坯柱状晶间聚集的塑性夹杂物在轧制变形时聚合的结果,改进连铸工序可消除夹杂性裂纹产生的根源。为抑制内部裂纹在最终轧材中出现,除需改进连铸工序外,研究还表明,应将终轧温度控制在900℃以上,同时应选择适宜的总变形程度和道次变形程度以抑制裂纹的产生。对于已经出现于45 号钢圆棒材内部金属基体间的裂纹,在150~300℃保温2 小时以上及在常温下经过较长时间自然放置后,可以实现一定程度的愈合。