用電磁知識(shí)解讀微淬火和思索微淬火超塑性機(jī)理

喬占琪

（太原工具廠，山西太原 030008）

用電磁知識(shí)解讀微淬火和思索微淬火超塑性機(jī)理

喬占琪

（太原工具廠，山西太原 030008）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)解讀微淬火（超臨界淬火）的本質(zhì)：α→γ相變與磁疇瓦解同步；（高溫型）板條馬氏體相變與“司南魚(yú)”超磁化共生；微淬火（微觀層面）囊括了所有已知超塑形變類(lèi)型，是獲?。ê暧^層面）高頻熱軋超塑性的最佳工藝；微淬火高頻熱軋超塑性無(wú)須具備諸多苛刻條件，是一種獨(dú)特的理想的超塑性。

金屬超塑性 α→γ相變 磁疇瓦解 高溫型板條馬氏體相變 “司南魚(yú)”超磁化 再結(jié)晶晶粒異常長(zhǎng)大萘斷口

早前，為了探究W6MO5 HSS直柄麻花鉆高頻熱軋熱塑性欠佳的原因，我們做了大量實(shí)驗(yàn)，取得14組規(guī)律性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)，其中有13組數(shù)據(jù)屬于熱塑性范疇[1]。然而，另一組，預(yù)先微淬火的數(shù)據(jù)卻具有異常超塑性，全部約200件試樣沿著切削刃全長(zhǎng)，似液體溢出較寬、較薄的雙螺旋飛邊，且呈銀灰色的溝、背、刃帶及飛邊均規(guī)整、光潔、無(wú)瑕疵。這種微淬火高頻熱軋超塑性前所未有，既意外，又費(fèi)解。

這種“微淬火高頻熱軋超塑性”的產(chǎn)生機(jī)理是什么？

1 實(shí)驗(yàn)材料、方法及試驗(yàn)結(jié)果

1.1 細(xì)紋和裂縫大多分布于槽根和鉆尖附近的刃帶上的原因

將麻花鉆四輥熱軋分解為一對(duì)溝板或一對(duì)背板簡(jiǎn)單縱軋，軋件由軋前截面軋到軋后截面時(shí)，金屬水平方向移動(dòng)速度和軋輥沿水平方向的分速度由入口到出口均不斷增加，但增加的規(guī)律不同，僅沿變形區(qū)中間某一位置（中性面）兩者的速度一致。軋件咬入端截面到中性面的變形區(qū)內(nèi)金屬沿軋制方向流動(dòng)速度小于軋輥沿軋制方向分速度（后滑區(qū)），從中性面到軋件吐出截面的變形區(qū)金屬沿軋制方向流動(dòng)速度大于軋輥沿軋制方向分速度（前滑區(qū)），滑區(qū)內(nèi)軋件表面質(zhì)點(diǎn)與工具表面質(zhì)點(diǎn)之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，咬入端和吐料端表層受拉應(yīng)力最大。而實(shí)際麻花鉆四輥熱軋過(guò)于復(fù)雜，使咬入端和吐料端在刃帶附近表層受到更大的拉應(yīng)力（摩擦因數(shù)和軋輥直徑對(duì)前滑、后滑的影響最大）[2]26-34。當(dāng)軋件熱塑性欠佳時(shí)此處最易產(chǎn)生細(xì)紋和裂縫。

1.2 冷拔M2鋼絲多種預(yù)先熱處理（見(jiàn)表1）

表1 對(duì)高頻熱軋熱塑性的影響（件數(shù)的百分比）

2 分析討論（為何微淬火后有高頻熱軋超塑性？）

2.1 古往今來(lái)對(duì)磁的認(rèn)知（從司南魚(yú)到微淬火）

2.1.1 北宋初年（公元1044年）對(duì)磁的認(rèn)知

“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚(yú)型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鉗拑魚(yú)首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒(méi)尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無(wú)風(fēng)處平放，魚(yú)在水面，令浮，其首常向午也”[3]156。其實(shí)，這就是微淬火。古代只關(guān)注水淬可瞬間實(shí)現(xiàn)“司南”功能，順著地磁力線（網(wǎng)上可查各地的磁力線傾角）水淬效果最佳，密器可防熱、防磕碰。

2.1.2 近代磁性物理基礎(chǔ)對(duì)磁的認(rèn)知

鐵磁質(zhì)內(nèi)電子的自旋磁矩沿平行方向排列能量最低，而形成大量宏觀小、微觀大的磁矩方向各異的自發(fā)磁化的磁疇，此時(shí)鐵磁質(zhì)對(duì)外不呈現(xiàn)宏觀磁性。鐵磁質(zhì)處于外磁場(chǎng)中時(shí)那些自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場(chǎng)的增大而擴(kuò)大并使磁疇的磁化方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，這時(shí)鐵磁質(zhì)對(duì)外才呈現(xiàn)宏觀磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)增大時(shí)，上述效應(yīng)相應(yīng)增大，直到所有磁疇都沿外磁場(chǎng)排列達(dá)到飽和磁化，磁介質(zhì)中的場(chǎng)是外場(chǎng)的幾百倍到幾萬(wàn)倍。一旦達(dá)到飽和磁化，即使外磁場(chǎng)減小到零，磁矩也不會(huì)回到零，而剩余了技術(shù)磁化的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br[4]1-7。疇壁一般不穿過(guò)晶界。

2.1.3 當(dāng)代對(duì)與磁相關(guān)的（高溫型）板條馬氏體相變的認(rèn)知

當(dāng)今，多專(zhuān)注于普通淬火M-體相變的研究。微淬火在高溫型板條馬氏體相變溫區(qū)“如影隨形”、“水漲船高”的地磁場(chǎng)引起“司南魚(yú)”超磁化，此附加相變驅(qū)動(dòng)力對(duì)板條M-體相變影響的研究不足（如新-母相間的關(guān)系）。

2.1.4 用電磁知識(shí)解讀試樣加熱-緩冷膨脹曲線

“工具鋼”[5]一書(shū)有5章反復(fù)介紹超臨界淬火，而第27節(jié)引用的加熱-緩冷膨脹曲線（圖1）則是其他4章對(duì)超臨界淬火論述的主要依據(jù)。那么，圖中的“ref”、“sp”是哪些詞組的縮略詞？

或許ref=讀數(shù)起點(diǎn)、剩磁、還原/重做；sp=自然（自發(fā)）磁化。

即先用技術(shù)磁化的ref試樣測(cè)出加熱和冷卻時(shí)長(zhǎng)度變化數(shù)據(jù)△Lref，緩冷到起點(diǎn)溫度ref試樣已還原為自發(fā)磁化的sp試樣，然后用此sp試樣重新測(cè)出加熱和冷卻時(shí)長(zhǎng)度變化數(shù)據(jù)△Lsp，最后將數(shù)據(jù)整理為△Lref-△Lsp，繪出的就是圖1中的曲線。這條曲線的特點(diǎn)是加熱到居里點(diǎn)時(shí)磁疇瓦解（壓應(yīng)力陡增）導(dǎo)致長(zhǎng)度（體積）急劇收縮。

圖16 X3ФC鋼加熱和冷卻時(shí)試樣長(zhǎng)度的變化（膨脹曲線）[5]148

2.1.5 微淬火工藝的由來(lái)及功效

加熱到居里點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)度（體積）強(qiáng)烈收縮引起蓋烈爾先生的關(guān)注，提出用tA1＋（30～50）℃加熱-快冷的淬火工藝保留體積的強(qiáng)烈收縮。大量的不同工具鋼種的實(shí)驗(yàn)揭示了這種淬火能將長(zhǎng)度（體積）的強(qiáng)烈收縮保留到最終淬火之后，并將這種淬火工藝命名為“超臨界淬火”，業(yè)內(nèi)俗稱“毛淬火”，而“微淬火”或更簡(jiǎn)潔、貼切。

那么，微淬火高頻熱軋超塑性的形成機(jī)理又是什么？

2.2 當(dāng)代對(duì)室溫塑性形變本質(zhì)的認(rèn)知

2.2.1 冷拉的本質(zhì)

在拉絲力切應(yīng)力τ作用下多晶體的錯(cuò)位滑移和晶間變形是冷拉的本質(zhì)，冷拉時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到了障礙而塞積，在位錯(cuò)塞積群前端就會(huì)引起應(yīng)力集中。冷拔時(shí)，表面和芯部的應(yīng)力、應(yīng)變不同，表面的形變量最大。一方面此處的顯微缺陷最多，最易產(chǎn)生熱軋開(kāi)裂，另一方面此處的晶界和相界因位錯(cuò)塞積而有較高的界面能，這又是α→γ相變時(shí)能產(chǎn)生更多晶核而細(xì)化晶粒的條件之一。

冷拉導(dǎo)致鋼的顯微缺陷劇增、冷作硬化、密度驟降、熱塑性極低。冷拉產(chǎn)生的一些多晶體缺陷非常穩(wěn)定，很難被后序的預(yù)先熱處理徹底清除（參見(jiàn)上頁(yè)表1）。

2.2.2 鐵的表面改性和鎳納米晶的塑性行為

鐵制品，通過(guò)表面機(jī)械摩擦，使表面產(chǎn)生反復(fù)劇烈的塑性變形，可將純鐵板材表面層顯微織構(gòu)細(xì)化到納米尺度[6]74-79。

粗晶（μm級(jí)）鎳試樣的塑性行為，主要是由晶體內(nèi)位錯(cuò)源產(chǎn)生的位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，相互作用，合并或湮滅等給出的功能，導(dǎo)致殘余位錯(cuò)網(wǎng)的產(chǎn)生和堆積，從而產(chǎn)生不均勻應(yīng)變[6]74-79。

納米晶（nm級(jí)），其形變過(guò)程無(wú)法在小于幾十納米的晶?？臻g內(nèi)位錯(cuò)源正常形核、長(zhǎng)大和運(yùn)動(dòng)。塑性形變只可能為晶界所容納，晶界原子活動(dòng)可能增強(qiáng)晶界的滑移過(guò)程。加載時(shí)位錯(cuò)增加，卸載時(shí)位錯(cuò)消失，并不造成殘余位錯(cuò)網(wǎng)。電沉積納米鎳塑性形變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：晶界可以作為晶格位錯(cuò)產(chǎn)生源和消失源，但一定會(huì)改變晶界位錯(cuò)網(wǎng)。對(duì)完全致密的納米金屬晶測(cè)定表明，其中含有不依賴于樣品制備工藝的尺寸為10～20個(gè)空位的納米小泡，這些空位可能處在晶界上或三晶粒間的交界處。晶界斷裂是由位錯(cuò)活動(dòng)與微裂紋尖端的空位群相互作用造成的（氣泡、雜質(zhì)以及較高的內(nèi)應(yīng)力常也歸結(jié)于結(jié)構(gòu)缺陷）[6]18- 21；74-79。

當(dāng)今，對(duì)納米晶超塑性機(jī)理的觀點(diǎn)不同[7]10- 16；33-38，上述認(rèn)知是對(duì)金屬薄膜加載時(shí)的觀測(cè)結(jié)論，很可貴。

2.3 用電磁知識(shí)解讀試樣加熱-快冷的微淬火工藝

2.3.1 選用ΔLref-ΔLsp加熱-緩冷膨脹曲線的理由

因?yàn)?，ΔLref揭示的是加熱和緩冷時(shí)剩磁、加熱元件磁場(chǎng)和熱對(duì)試樣長(zhǎng)度影響的規(guī)律，ΔLsp揭示的是加熱和冷卻時(shí)加熱元件磁場(chǎng)和熱對(duì)試樣長(zhǎng)度影響的規(guī)律，唯有ΔLref-ΔLsp能揭示加熱和緩冷時(shí)剩磁Br對(duì)試樣長(zhǎng)度影響的規(guī)律。

2.3.2 讀數(shù)起點(diǎn)的已磁致伸長(zhǎng)的ref試樣加熱過(guò)程

隨加熱溫度的逐漸增高，原子熱震動(dòng)不斷增強(qiáng)，Br逐漸被干擾而消弱，磁致伸長(zhǎng)成比例地縮小，測(cè)出的就是圖1那條斜實(shí)線及其延長(zhǎng)的虛線?；蛟S因試件之前經(jīng)過(guò)了不同的預(yù)先處理，如W6MO5 HSS處于沿原奧氏體晶界因冷速差異而有數(shù)量不等的析出碳化物的退火態(tài)，加熱時(shí)析出碳化物逐漸溶解、晶界畸變逐漸減輕，使延長(zhǎng)線散布在影線三角區(qū)（蓋烈爾先生認(rèn)為原因在于試樣軟化）。

加熱到居里點(diǎn)，原子熱震動(dòng)嚴(yán)重干擾，磁疇瓦解而成為順磁體，強(qiáng)烈的收縮使內(nèi)部出現(xiàn)了極大的壓應(yīng)力，同時(shí)發(fā)生α→γ相變，因而產(chǎn)生相變、細(xì)晶超塑形變。眾所周知的α→γ相變超塑性，是sp試樣在機(jī)械力作用下的宏觀α→γ相變超塑形變，唯峰尖效果最佳，溫度稍有偏差塑性就會(huì)陡降，且需在一定苛刻條件下方可實(shí)現(xiàn)。微淬火則不同，陡增的壓應(yīng)力和α→γ相變及細(xì)晶同時(shí)自發(fā)地產(chǎn)生，這一微觀超塑形變能根除常規(guī)預(yù)先熱處理而不能徹底根除影響熱塑性的顯微缺陷（比如氣泡、空位群、晶粒內(nèi)和晶界上的位錯(cuò)網(wǎng)、顯微裂紋），高致密度（參考第2.3.7節(jié)中圖4）能保持到最終淬火后[5]148。

獲得體積收縮效果的最大直徑（邊長(zhǎng)），碳鋼為20 mm、合金鋼為30～50 mm[5]148。

2.3.3 微淬火加熱溫度是tA1+（30～50）℃的原因

磁性轉(zhuǎn)變自由能模型證明鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變成順磁態(tài)并不是在一個(gè)固定的溫度下完成的，居里點(diǎn)僅是磁矩的有序度σ為0的溫度，高于此溫度時(shí)即成為完全順磁態(tài)，而一級(jí)相變溫度則是完全鐵磁態(tài)所能保持的最高溫度[8]34-36；又因工業(yè)加熱爐的加熱速度不同而使A1溫度tA1不同。tA1+（30～50）℃才是α→γ相變和磁疇瓦解相互作用的溫區(qū)，陡增的壓應(yīng)力下的γ相均萌生易滑移位向（特別是易滑移方向）的晶核（或隨后轉(zhuǎn)出易滑移位向的細(xì)晶），而呈現(xiàn)不同于微淬火超塑性的相變-組織超塑性。

在此，α→γ相變、磁疇瓦解和細(xì)晶如同一個(gè)圓餅的三個(gè)面。

2.3.4 HSS微淬火與最終淬火馬氏體相變的差異

因淬火溫度不同，γ-體含碳量不同，M-體相轉(zhuǎn)變溫區(qū)也不同（見(jiàn)圖2）[5]366。前者在高于300℃的溫區(qū)產(chǎn)生橫截面似橢圓的高溫型板條M-體晶束，淬火組織沒(méi)有殘余奧氏體和顯微裂紋；而后者在約± 100℃溫區(qū)緩冷產(chǎn)生互成60°夾角的片狀M-體，淬火組織室溫有殘余奧氏體和顯微裂紋。

圖2 P18和P12HSS不同淬火溫度下的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始和終止溫度[5]366

從微淬火加熱溫度快冷到高于300℃溫區(qū)的Ms點(diǎn)起，或許在γ-體每個(gè)細(xì)晶內(nèi)“如影隨形、水漲船高”的地磁場(chǎng)影響下晶核或瞬間長(zhǎng)大的板條M-體單簇晶束，均萌生或隨后轉(zhuǎn)出既易磁化又易滑移的方向和位向而產(chǎn)生超磁化和超塑形變，板條M-體單簇晶束使原奧氏體細(xì)晶再碎化。

α-Fe體心立方晶格滑移系6×2=12，滑移面和滑移方向與外力成45°角，為軟取向，易磁化軸[100]。

低碳鋼普通淬火板條馬氏體內(nèi)有位錯(cuò)，在機(jī)械壓力下冷變形位錯(cuò)密度增大，再結(jié)晶晶粒細(xì)化至nm級(jí)[9]。

2.3.5640 ℃回火

板條M-體溶解，呈現(xiàn)回火超塑形變。實(shí)際上640℃保溫1 h或許也有一些再結(jié)晶功能，且Br被干擾而消弱。

在此，高溫型板條M-體相變、“司南魚(yú)”超磁化和細(xì)晶再碎化如同另一個(gè)圓餅的三個(gè)面。

2.3.6 直接最終淬火產(chǎn)生“穿晶斷裂”的根源

《工具鋼》[5]用7頁(yè)篇幅介紹“穿晶斷口”（中譯本譯為“晶間斷口”），要點(diǎn)是在很高溫度下才溶解的M6C與較低溫度下就能溶解的M2C在加熱時(shí)對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用[5]469-475。

“司南魚(yú)”超磁化下萌生或隨后轉(zhuǎn)出既易磁化又易滑移的方向和位向的、在嚴(yán)重堆積碳化物周?chē)厝怀霈F(xiàn)的碳化物特別稀疏區(qū)每粒細(xì)晶中的、單一板條M-體束中的α-相頗似絲織構(gòu)的亞晶，直接最終淬火加熱到相變溫度，因溶解掉了大量的阻止晶粒長(zhǎng)大的碳化物及α-相位向趨同，頗似塑性變形后再結(jié)晶晶粒的異常長(zhǎng)大（見(jiàn)圖3）[7]29-30而合并成γ相巨晶，巨晶與堆積碳化物線脹系數(shù)不同，快冷時(shí)針狀M-體膨脹以及α-相磁致伸長(zhǎng)的張應(yīng)力（變形與開(kāi)裂之源）使γ相巨晶，快冷后的針狀M-體中的α-相和殘余γ相沿原子排列密集晶面滑移，回火時(shí)在這些滑移面析出彌散碳化物，而成為外力撞擊下原子間結(jié)合力遭破壞的解理面[7]14-20?；蛟S這才是W18高速鋼微淬回火+最終淬回火會(huì)產(chǎn)生“穿晶斷口”而鏟磨刀具直接淬火即使過(guò)燒也絕無(wú)巨晶的原因。深入研讀圖2和“M2鋼1 205℃加熱后的熱動(dòng)力學(xué)圖”[5]372或可理清其萘斷口形成和防止的詳實(shí)而繁雜的現(xiàn)象。

圖3 再結(jié)晶晶粒的異常長(zhǎng)大[7]25-30

2.3.7 微淬火態(tài)相對(duì)退火態(tài)最終淬火后體積收縮倍增的原因

試樣初始均為sp狀態(tài)，微淬火后ref試樣體積收縮（微觀缺陷被清除）能保持到最終淬火之后，而快冷疊加上的司南超磁化磁致膨脹能保持到最終淬火之前。長(zhǎng)度收縮被超磁化的可觀的膨脹（含M-體膨脹）暫時(shí)“沖淡”而顯得很小，此磁致膨脹在最終淬火加熱到居里點(diǎn)時(shí)會(huì)消失，微淬火實(shí)際收縮量才真正顯現(xiàn)出來(lái)（圖4）。最終淬火，實(shí)際上是在空氣中緩冷進(jìn)行M-體相變，或許，原γ-粗晶內(nèi)互呈60°角的片狀M-體的α-相只能自發(fā)磁化。

2.3.8 超磁化的特點(diǎn)

無(wú)處不在的相對(duì)恒定的地磁場(chǎng)在微淬火及其存放地不會(huì)減弱更不會(huì)歸零，使超磁化只可能是飽和磁化，并且nm晶的矯頑力最大，因此超磁化的作用既強(qiáng)又相對(duì)穩(wěn)定。

3 微淬火高頻熱軋超塑形變的最佳工裝

3.1 電極鹽浴

圖4 試樣（L=100 mm，D=10 mm），超臨界淬火+回火（下面一組折線）和隨后的最終淬火+回火（上面一組折線）對(duì)試樣長(zhǎng)度的影響[5]447

大量的相關(guān)數(shù)據(jù)均始于sp狀態(tài)。入電極鹽浴瞬間立即被50 Hz低電壓、強(qiáng)電流的電磁場(chǎng)磁化為ref狀態(tài)，加熱到居里點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)度（體積）收縮最強(qiáng)烈；電爐的電磁場(chǎng)較弱，效果次之；燃油、燃?xì)夥瓷錉t沒(méi)有技術(shù)磁化功能[5]151。

3.2 高頻加熱

“感應(yīng)加熱速度可高達(dá)100～1 000℃/s，甚至更高（鹽浴加熱僅約10℃/s，箱式爐加熱約0.8℃/s）。居里點(diǎn)以下工件加熱速度較高，居里點(diǎn)以上工件在略高于A1點(diǎn)電流密度和加熱速度降低”[5]277。“與鹽浴爐相比，感應(yīng)加熱晶粒長(zhǎng)大的開(kāi)始溫度較高，長(zhǎng)大尺寸較小。當(dāng)加熱速度增大到1 000℃/s時(shí)奧氏體形核速度比其長(zhǎng)大速度快許多倍，晶粒很細(xì)”[5] 277；453-456。

4 結(jié)論

1）微淬火（超臨界淬火、毛淬火）五要素：具有α→γ相變的鋼；最好冷變形；電極鹽浴；tA1+（30～50）℃加熱；根據(jù)鋼種選擇油淬或水淬。

2）微淬火囊括了固態(tài)多晶金屬已知的所有超塑性類(lèi)型，根除了降低熱塑性的顯微缺陷。四次微細(xì)化晶粒，形成了既易磁化又易滑移的方向和位向等的顯微結(jié)構(gòu)。軋前高頻加熱的晶粒再細(xì)化是獲取高頻熱軋超塑性的最佳工藝。

3）微淬火高頻熱軋超塑性有別于已知固態(tài)多晶金屬超塑形變類(lèi)型，無(wú)需具備諸多苛刻條件：一定的溫度區(qū)間和應(yīng)變速率；一定的細(xì)晶尺寸的熱穩(wěn)定性；一定負(fù)荷下tA1、tA3溫度間的反復(fù)淬火。

4）微淬火高頻熱軋超塑性呈現(xiàn)“納米（微晶）固體材料”超塑性的特征：短短數(shù)秒完成高頻加熱四輥軋制全過(guò)程，“一軋了之”地實(shí)現(xiàn)超塑性研究者和應(yīng)用者孜孜以求的夙愿。

[1]喬占琪.冷變形高速鋼結(jié)晶構(gòu)造缺陷的穩(wěn)定性對(duì)軋制開(kāi)裂的影響[J].工具技術(shù)，1981（10）：22-29

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（編輯：胡玉香）

Micro-duenching Interpretation by Electromagnetic Knowledge Micro-guenching Superrplastic Mechanism Reflection

QIAO Zhanqi
（Taiyuan Tools Factory,Taiyuan Shanxi 030008）

The nature of the micro-quenching(supercritical quenching)is：α→γ phase transformation and magnetic domain collapse synchronize；(high temperature type)lath martensitic transformation and"guide fish"super magnetization accompany.Micro-quenching(micro level)encompasses all known superplastic types,which is an optimum process to obtain(macro-level)high-frequency hot-rolled superplasticity.Micro-quenching superplastic does not have a lot of harsh conditions,which is a unique ideal superplasticity.

superplastic,α→γ phase transition,high temperature type lath martensite phase transition,"guide fish" super magnetization,abnormal growth of recrystallized grains,naphthalene fracture

TG1

A

1672-1152（2016）06-0010-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.03

2016-10-18

喬占琪（1938—），男，成績(jī)優(yōu)異的高級(jí)工程師。