納米晶304不銹鋼斷裂表面的粗糙度分析

劉詩瑩，沈長斌，王勝剛

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)*

納米晶304不銹鋼斷裂表面的粗糙度分析

劉詩瑩1，沈長斌1，王勝剛2

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)*

對普通鑄態(tài)粗晶304不銹鋼 (CP-SS304) 進行深度軋制，制備出納米晶304不銹鋼 (BN-SS304) 板材，將兩試樣經(jīng)過同種磨削加工后在室溫下恒速率拉伸.通過激光共聚焦顯微鏡對斷裂試樣不同位置表面輪廓的觀察，得到試樣斷口附近和夾持端的表面粗糙度.結果表明，拉伸斷裂后BN-SS304在任一位置的粗糙度均小于CP-SS304.越靠近斷口，表面粗糙度越大，且BN-SS304在斷口附近表面粗糙度增幅較大.

深度軋制; 納米晶; 表面粗糙度; 磨削

0 引言

R.Feynman在1959年的美國物理年會上首先提出“small scale”這一納米單位的概念[1].由于當時技術條件的不成熟，納米材料的思想一直沒有得到實現(xiàn).20世紀60年代，人們提出納米分子模型的構想[2]，并在1985年通過激光蒸發(fā)石墨實驗發(fā)現(xiàn)了富勒烯C60零維納米分子[3].20世紀80年代初，Gleiter利用原位加壓成形法制備三維納米金屬[4]，真正實現(xiàn)了納米材料的可控制備.現(xiàn)階段，國內外學者大多采用等通道擠壓法(Equal channel angular pressing, ECAP)、高壓扭轉法(High pressure torsion, HPT)與動態(tài)塑性變形法(Dynamic plastic deformation, DPD)[5-7].這些方法雖然可以將原始粗晶制備成納米晶體材料，但需要原材料具有較低的硬度，較高的延展性.

表面粗糙度是機械加工過程中的重要影響因素，它直接反應了表面微觀形貌的起伏程度[8].表面粗糙度一般與加工方法有密切的聯(lián)系，通常，評定材料磨削表面的表面質量一般取表面輪廓的算術平均偏差Ra.304不銹鋼在電力、冶金、化工等行業(yè)應用廣泛，是一種通用型不銹鋼.其硬度約為40HRC[9]，屈服強度約為280MPa，延伸率可達到60%以上，且屈服強度和延伸率對拉伸速率的變化不敏感[10].本文利用深度軋制技術[12]對硬度較高的普通鑄態(tài)粗晶304不銹鋼(CP-SS304，晶粒尺寸約為120μm)進行加工，得到納米晶304不銹鋼板材(BN-SS304，晶粒尺寸約為150nm)[11]，并采用統(tǒng)一加工方法對兩種材料進行加工.通過測量拉伸實驗后斷裂樣品的表面粗糙度，分析兩種材料的斷裂機制和性能差異的原因，為材料的可加工性提供實驗基礎.

1 實驗方法

1.1 拉伸實驗

按照圖1尺寸線切割，磨削加工后進行室溫恒速率拉伸實驗，恒定拉伸速率2mm/min.為了便于詳細分析材料拉伸斷裂后的表面變化， 將斷裂后樣品從斷口處逐段切割，每段長度為10 mm，并將試樣從下端至上端依次編號，如圖2所示.

圖1 304不銹鋼拉伸試樣尺寸圖(單位：mm)

圖2 拉伸斷裂試樣測試位置示意圖

1.2 表面輪廓及表面粗糙度測量

材料的斷裂過程不僅反映在斷口形貌上，同時也會影響其表面狀態(tài)的變化，激光掃描共焦顯微鏡可以將材料的表面形貌以及三維形態(tài)直觀的反應出來.激光掃描共聚焦顯微鏡型號為LEXT OLS4000.將上述分段樣品進行表面形態(tài)觀察，并通過奧林巴斯激光共聚焦軟件FV1000測試其三維表面粗糙度，模擬出三維表面輪廓.

2 實驗結果與討

2.1 拉伸性能分析

經(jīng)過測試得出304不銹鋼應力應變曲線如圖3所示，BN-SS304的抗拉強度為805 MPa、屈服強度為701 MPa，斷后伸長率為20.9%，斷面收縮率為73.9%，最大彈性應變?yōu)?.05%.CP-SS304的抗拉強度為599 MPa，屈服強度為252 MPa，斷后伸長率為62.2%，斷面收縮率為66.7%，最大彈性應變?yōu)?.22%.可見，BN-SS304的抗拉強度、屈服強度均明顯高于CP-SS304.雖然延伸率有所下降，但BN-SS304的彈性區(qū)成比例提高，即彈性應變階段增大.

圖3 納米晶和普通304不銹鋼的應力應變曲線

對于CP-SS304，BN-SS304的晶粒尺寸小，約為150 nm，晶粒尺寸由微米級到納米級的變化，使得Hall-Petch公式σy=σο+Κδ-1/2中d-1/2顯著增大，其強度必然增加.延伸率的降低可能是由于在軋制納米晶的過程中引入了其它的缺陷，例如微裂紋，孔洞，夾雜物等，這些缺陷損傷了納米不銹鋼的塑性.

2.2 表面輪廓起伏及表面粗糙度

圖4為在拉伸方向上兩試樣在不同位置的表面輪廓圖，從圖中可以看出，兩種材料的斷口附近的表面輪廓起伏較大，加持段附近起伏較小，且BN-SS304的表面輪廓起伏比CP-SS304平穩(wěn).試樣拉伸斷裂的最后階段形成杯狀的剪切唇，即頸縮部分.通過軟件對兩試樣斷口附近表面輪廓進行模擬，得到圖5和圖6.

圖4 拉伸斷裂試樣在不同位置的表面輪廓圖

圖5 BN-SS304斷口平面3D渲染圖(單位：μm)

圖6 CP-SS304斷口平面3D渲染圖(單位：μm)

圖5為BN-SS304斷口平面3D渲染圖，從圖中可以看出BN-SS304的剪切唇較為平整，表面起伏小.圖6為CP-SS304斷口平面3D渲染圖，從圖中可以看出CP-SS304的剪切唇較為粗糙，表面起伏大.

根據(jù)圖5和圖6，利用軟件分析得到兩試樣在拉伸方向上的表面粗糙度，結果如下：斷口附近BN-SS304Ra= 0.563μm，CP-SS304Ra= 0.842μm.夾持端附近：BN-SS304Ra= 0.203μm，CP-SS304Ra= 0.777μm.而在拉伸實驗前，兩試樣在拉伸方向(磨削方向)上的表面粗糙度：BN-SS304Ra= 0.037μm，CP-SS304Ra= 0.049μm.由此可見，拉伸實驗引起表面起伏程度劇烈，表面粗糙度增加.與拉伸前試樣相比，在斷口附近，BN-SS304的表面粗糙度增長約14.23倍，CP-SS304的表面粗糙度增長約16.18倍.對于整個拉伸試樣而言，BN-SS304在斷口附近表面粗糙度增長約1.77倍，CP-SS304在斷口附近表面粗糙度增幅僅為8.3%.

未經(jīng)過拉伸實驗的試樣在共聚焦顯微鏡下，其拉伸方向上的表面輪廓可以反映出在磨削過程中的抗力因素.在拉伸實驗前，BN-SS304的表面粗糙度小于CP-SS304，是強度與塑性的綜合體現(xiàn)，同時，經(jīng)過拉伸變形后，BN-SS304在各位置的表面粗糙度均小于CP-SS304.拉伸過程的表面起伏程度是晶粒大小和塑性變形的綜合反應，越靠近斷口，塑性變形嚴重，則表面起伏程度大.對于BN-SS304而言，由于其晶粒尺寸小，所以在拉伸過程中產(chǎn)生的微孔較小，同時由于其塑性較差，晶粒之間的協(xié)調能力差，在拉伸過程中不會出現(xiàn)較大范圍晶粒的凹陷，所以其表面輪廓的平均偏差較小.

對于拉伸試樣而言，相對于夾持端，BN-SS304在斷口附近的表面粗糙度增加量較大，而CP-SS304表面粗糙度增幅很小，說明在拉伸斷裂過程對BN-SS304 影響區(qū)域較小.由于表面變形程度小，拉伸過程產(chǎn)生縮頸，為阻礙橫截面積減小，且晶粒之間的協(xié)調能力差，拉伸過程產(chǎn)生的應力集中難以釋放，所以在斷口截面有微裂紋的地方產(chǎn)生空隙來補償.整個拉伸變形過程伴隨著晶粒之間的協(xié)調過程，BN-SS304的延伸率較小，但仍屬于韌性斷裂，且彈性區(qū)顯著增加，延伸率大于20%，即塑性變形階段短，這正是BN-SS304拉伸過程影響區(qū)域小的原因.

3 結論

(1) 納米晶304不銹鋼屈服強度、抗拉強度均高于普通304不銹鋼，其彈性區(qū)呈比例增加，但延伸率低于普通304不銹鋼;

(2) 拉伸斷裂后納米晶304不銹鋼在任一位置的粗糙度均小于普通304不銹鋼.對于兩種材料而言，越靠近斷口，表面粗糙度越大.納米晶304不銹鋼在斷口附近表面粗糙度增幅較大.兩種材料所含元素相同且經(jīng)過磨床磨平后拉伸，相對于普通304不銹鋼，納米晶304不銹鋼表面較平整，表面粗糙度小，拉伸過程產(chǎn)生凹凸不平的區(qū)域小.

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Roughness Analysis of Fracture Surface of Bulk Nanocrystalline 304 Stainless Steel

LIU Shiying1, SHEN Changbin1, WANG Shenggang2

(1.School of Material Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Bulk nanocrystalline 304 stainless steel (BN-SS304) was prepared by severe rolling technique with its conventional polycrystalline counterpart (CP-SS304). The two samples for tensile test were processed by the same grinding method, and the tensile test with a constant rate was carried out at room temperature. The surface roughness near the fracture and the gripped end was obtained by the observation of the fracture surface profile in different positions with laser scanning confocal microscopy. The results show that the values of roughness of BN-SS304 at any position are less than those of CP-SS304 after tensile test. The closer to the fracture, the greater the surface roughness is. The values of surface roughness of BN-SS304 near the fracture increase more than those of CP-SS304.

severe rolling; nanocrystalline; surface roughness; grinding

1673- 9590(2017)02- 0063- 04

2016-03-14 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51171199)

劉詩瑩(1991-)，女，碩士研究生; 沈長斌(1972-)，男，教授，博士，主要從事納米晶板材力學性能方面的研究

A

E- mail:shencb@djtu.edu.cn.