金屬材料裂紋自愈合的熱處理試驗方法及結(jié)果分析

摘 "要：該文探究不同熱處理方式對金屬材料內(nèi)部裂紋自愈合的影響。選擇20鋼和45鋼這2種材料，采用鉆孔壓縮法制作內(nèi)部帶有裂紋的試件。試驗設(shè)有2個變量，分別是加熱溫度（800、850、900、950和1 000 ℃）和保溫時間（30、45、60 min），對比不同加熱溫度和不同保溫時間下，試件內(nèi)部裂紋的自愈合情況。結(jié)果表明，加熱溫度越高，保溫時間越長，內(nèi)部裂紋的自愈合效果越好。在加熱至1 000 ℃、保溫時間為60 min的情況下，原裂紋已經(jīng)完全消失，實現(xiàn)裂紋的自愈合。

關(guān)鍵詞：裂紋自愈合；熱處理；金相觀察；20鋼；45鋼

中圖分類號：TB301 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0059-04

Abstract：

This paper investigates the effect of different heat treatment methods on the self-healing of internal cracks in metallic materials. Two kinds of materials， 20 steel and 45 steel， are selected， and the specimens with internal cracks are made by drilling compression method. There were two variables in the experiment， namely heating temperature （800，850，950，950，1 000 ℃） and holding time （30， 45， 60 min）. The self-healing of internal cracks was compared under different heating temperature and different holding time. The results show that the higher the heating temperature is and the longer the holding time is， the better the self-healing effect of internal cracks is. Under the condition of heating to 1000 ℃ and holding time of 60 min， the original crack has disappeared completely and the crack self-healing has been realized.

Keywords： crack self-healing; heat treatment; metallographic observation; 20 steel; 45 steel

自愈合（Self-healing）是材料能夠主動從周圍環(huán)境中吸收、轉(zhuǎn)化能量，使自身存在的裂紋愈合的一種現(xiàn)象。材料裂紋自愈合是現(xiàn)階段材料智能化研究領(lǐng)域的熱門課題，目前金屬材料的裂紋自愈合方式有多種，例如高溫加熱法、微波加熱法等。20鋼和45鋼是工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域常用的2種材料，探究金屬材料內(nèi)部裂紋自愈合的熱處理技術(shù)，對工業(yè)和制造業(yè)向高端轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)健康發(fā)展有積極幫助。

1 "金屬材料裂紋自愈合的熱處理試驗

1.1 "試驗材料與設(shè)備

本次試驗中使用的材料主要有20鋼、45鋼。2種材料中主要元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)見表1。

表1 "2種試驗材料的化學(xué)成分 " " " " "（%）

本次試驗中使用到的儀器設(shè)備有SX2-4-10熱處理爐、Z512B臺式鉆床、BX6-315交流弧焊機(jī)及PMG-3金相顯微鏡等。

1.2 "制作含內(nèi)部裂紋的試樣

本試驗采用鉆孔壓縮法制作含內(nèi)部裂紋的試驗，具體加工方法：選擇某一種類型的試驗材料，將其加工成直徑為30 mm、高度為25 mm的圓柱體；然后使用Z512B臺式鉆床，在該圓柱體的中心處鉆孔，孔徑為2 mm，孔深為10 mm。鉆完孔后，使用棉簽蘸取丙酮和無水乙醇清潔鉆孔，在干燥以后選取一根直徑為2 mm、長度為5 mm的低碳鋼銷釘插入鉆孔內(nèi)。使用手工電弧焊將銷釘與試樣焊接成為整體，從而得到一個內(nèi)部有5 mm圓形孔的圓柱試樣，如圖1所示。

將制得的空心圓柱體進(jìn)行加熱，在200 ℃環(huán)境下保溫30 min后，將其轉(zhuǎn)移到WE-300B型液壓萬能材料試驗機(jī)上，設(shè)定加載速度為0.5 m/s，設(shè)定加工方式為自由鐓粗，加工后自然放冷，即可得到含有內(nèi)部裂紋的試樣。

在鐓粗加工環(huán)節(jié)，鐓粗的壓下量不同，內(nèi)部孔洞產(chǎn)生的裂紋尺寸也會有明顯差異。如果壓下量偏多，可能導(dǎo)致孔洞完全壓合，后期無法自愈合；相反，如果壓下量偏少，則難以形成裂紋。在本次試驗中，采取了遞增法尋找最佳的壓下量。準(zhǔn)備4個加熱處理后的試樣，按照壓下量為15%、20%、25%和30%分別進(jìn)行鐓粗，然后沿中軸線剖開，觀察4個試樣內(nèi)部裂紋的形成情況。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓下量為25%時，孔洞變形產(chǎn)生的裂紋寬度在1.0～1.5 μm之間，可以在高溫處理下實現(xiàn)自愈合。

1.3 "裂紋自愈合處理工藝

裂紋自愈合的熱處理工藝見表2。

表2 "金屬材料裂紋自愈合的熱處理參數(shù)

如表2所示，在金屬材料內(nèi)部裂紋的自愈合處理中，設(shè)有5組熱處理，初始加熱溫度為800 ℃，溫度增量為50 ℃，通過橫向?qū)Ρ扰袛嗖煌訜釡囟葘饘俨牧蟽?nèi)部裂紋愈合情況的影響。同時，每一種加熱條件下還設(shè)有3個保溫時間，目的是判斷不同保溫時間對金屬材料內(nèi)部裂紋愈合情況的影響。以加熱溫度1 000 ℃為例，首先將SX2-4-10熱處理爐的溫度升高到1 000 ℃，然后將準(zhǔn)備好的9個試樣放入爐內(nèi)，保溫30 min后，隨機(jī)取出3個試樣，放于實驗室內(nèi)自然冷卻；剩余6個試樣繼續(xù)在爐內(nèi)1 000 ℃環(huán)境下保溫，在第45分鐘時，再取出3個試樣，按照同樣的方式冷卻；最后在第60分鐘時，將剩余的3個取出并冷卻[1]。按照上述試驗處理方案，每一種材料需要準(zhǔn)備45個試樣。

1.4 "試樣的金相觀察

按照上述試驗操作流程完成試樣的熱處理后，將自然冷卻至室溫的試樣放于DK7735線切割機(jī)上，沿著試樣的中軸線進(jìn)行切割。使用M7120平面磨床打磨試樣的剖面，完成拋光后用毛刷蘸取適量體積分?jǐn)?shù)為5%的硝酸酒精在拋光面上均勻涂抹2～3遍。等到表面干燥后，將處理后的試樣轉(zhuǎn)移到PMG-3金相顯微鏡下，觀察內(nèi)部裂紋的愈合情況，并拍攝金相照片，使用該照片與試驗所得照片做對比。

2 "金屬材料裂紋自愈合試驗結(jié)果

2.1 "20鋼內(nèi)部裂紋自愈合處理結(jié)果及分析

2.1.1 "不同溫度對裂紋自愈合的影響

選取了20鋼在加熱溫度為800、850、900和1 000 "℃，保溫時間為60 min，冷卻至室溫后的金相照片，如圖2所示。

觀察加熱至800 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫的20鋼金相照片（圖2（a）），可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋并無愈合的跡象。另外，裂紋機(jī)體組織仍然保持拉長的晶粒，未發(fā)生再結(jié)晶。

觀察加熱至850 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫的20鋼金相照片（圖2（b）），可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋形態(tài)開始發(fā)生一定的改變，原來呈連續(xù)狀態(tài)的裂紋，局部發(fā)生了愈合，使得長裂紋呈間斷狀態(tài)，說明在此處理條件下裂紋開始愈合。另外，裂紋機(jī)體晶粒為等軸狀分布，這一變化說明了機(jī)體已經(jīng)再結(jié)晶。

觀察加熱至900 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫的20鋼金相照片（圖2（c）），可以發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)域的變化更加明顯。隨著加熱溫度的升高、保溫時間的延長，斷續(xù)狀裂紋的長度進(jìn)一步變短，從條狀逐漸變成了點狀，說明裂紋愈合效果增強(qiáng)。在原來裂紋痕跡處，只留下零散分布的幾個小孔洞。此外，受到裂紋機(jī)體再結(jié)晶的影響，在原裂紋分布的區(qū)域出現(xiàn)了大量細(xì)晶粒帶（愈合帶）[2]。

將20鋼加熱至1 000 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫（圖2（d）），小孔洞完全消失，原來裂紋分布的區(qū)域只留下一條白色的細(xì)晶粒帶。

2.1.2 "不同保溫時間對裂紋自愈合的影響

本次試驗中，對比了不同保溫時間對金屬材料內(nèi)部裂紋自愈合的影響。以加熱溫度900 ℃為例，將保溫時間從30 min分別延長至45 min、60 min，裂紋的寬度和長度均有不同程度的縮小，說明適當(dāng)增加保溫時間，對裂紋自愈合也有積極影響。

2.1.3 "愈合帶組織成分變化

綜合對比還發(fā)現(xiàn)，加熱溫度與愈合帶的寬度呈反比，即加熱溫度從800 ℃升高至1 000 ℃，保溫時間不變，愈合帶的寬度收窄。分析其原因，在加熱溫度升高以后，微觀結(jié)構(gòu)上原子的擴(kuò)散速度進(jìn)一步加快，在裂紋邊緣、靠近機(jī)體的區(qū)域，晶粒變大、變長，并逐漸與機(jī)體晶粒保持一致；但是在裂紋中心區(qū)域，晶體的長度、體積無法變大，仍然為細(xì)小晶粒，與機(jī)體晶粒之間的差異明顯。溫度越高，變大、變長的晶體數(shù)量越多，相應(yīng)的由細(xì)小晶粒組成的愈合帶越窄。有研究表明，當(dāng)20鋼的加熱溫度達(dá)到1 200 ℃、保溫時間達(dá)到60 min，愈合帶將會完全消失，表明裂紋也實現(xiàn)了完全愈合[3]。

2.2 "45鋼內(nèi)部裂紋自愈合處理結(jié)果及分析

2.2.1 "不同溫度對裂紋自愈合的影響

選取了45鋼在加熱溫度為800、850、900 ℃，保溫時間為60 min，冷卻至室溫后的金相照片，如圖3所示。

觀察圖3（a），與室溫下45鋼的金相照片進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)裂紋寬度雖然略有縮小，但是整體上仍然保持了連續(xù)狀態(tài)。同時，裂紋區(qū)域內(nèi)的組織與周邊機(jī)體組織也有明顯的差異，表現(xiàn)出共析鐵素體的帶狀特征。分析其原因，45鋼裂紋周邊有良好的應(yīng)變能力，在高溫環(huán)境下為共析鐵素體的形成提供了有利條件。

觀察圖3（b），可以發(fā)現(xiàn)原來連續(xù)狀的裂紋，在尾部已經(jīng)開始出現(xiàn)斷裂，并且出現(xiàn)了與20鋼愈合時相同的愈合帶，這一現(xiàn)象表明在該處理條件下45鋼也開始愈合。愈合最先發(fā)生在裂紋寬度最小的尾部，隨后依次向中部、端部延伸。45鋼在加熱至850 ℃時，機(jī)體已經(jīng)呈現(xiàn)魏氏組織形貌，而20鋼則需要加熱至1 000 ℃才會出現(xiàn)此狀況，分析認(rèn)為這一差異的出現(xiàn)與45鋼的AC-3溫度低于20鋼有關(guān)。

觀察圖3（c），可以發(fā)現(xiàn)裂紋已經(jīng)由短裂紋變成了圓形孔洞，說明愈合程度進(jìn)一步提高。

從整體變化規(guī)律上來看，45鋼從800 ℃升高至1 000 ℃的內(nèi)部裂紋變化，與20鋼基本一致。即隨著加熱溫度的升高，愈合帶收窄，從細(xì)長而連續(xù)的裂紋，逐漸變成斷裂的小裂紋，再變成小的圓形孔洞，最后完全消失。在升溫過程中，裂紋愈合區(qū)域的組織成分也發(fā)生了變化，逐漸與周圍機(jī)體的組織成分相同。

2.2.2 "不同保溫時間對裂紋自愈合的影響

3種保溫時間下45鋼內(nèi)部裂紋自愈合的規(guī)律，與20鋼基本一致，即同一加熱溫度條件下，隨著保溫時間的延長，裂紋自愈合效果越好。

2.2.3 "愈合帶組織成分變化

使用JEM-6700F掃描電子顯微鏡對45鋼裂紋愈合帶進(jìn)行掃描并分析其成分，可以發(fā)現(xiàn)愈合帶處細(xì)晶粒的含碳量（相對能譜強(qiáng)度在6～8 μm之間）要明顯少于周圍集體組織的含碳量（相對能譜強(qiáng)度在12～18 μm之間）。但是細(xì)晶粒邊緣的含碳量極高，個別情況下相對能譜強(qiáng)度可以達(dá)到30 μm。根據(jù)這一分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：45鋼愈合帶的細(xì)晶粒主要成分為鐵素體，并且鐵素體的含量較高。細(xì)晶粒的邊緣部位主要成分是含碳量更高且具有放射性特征的珠光體，因此相對能譜強(qiáng)度明顯高于其他區(qū)域[4]。

3 "金屬材料內(nèi)部裂紋自愈合的機(jī)制分析

3.1 "裂紋自愈合的驅(qū)動力

相比于無裂紋的金屬材料，裂紋帶來的晶格畸變、錯位等微觀結(jié)構(gòu)上的變化，會使系統(tǒng)的自由能產(chǎn)生一個增量。這樣一來，為了保證能量守恒，系統(tǒng)必須要通過其他途徑降低自由能，而裂紋愈合則是一種最有效的途徑。從這一點來看，裂紋帶來的系統(tǒng)自由能的增量，是裂紋自愈合的驅(qū)動力。為了讓裂紋實現(xiàn)自愈合，需要提供外界能量，并且要求外界能量產(chǎn)生的驅(qū)動力大于裂紋愈合的阻力，才能達(dá)到愈合的目的。能夠提供這種驅(qū)動力的外界能量有多種，例如熱量、脈沖電流等。以本文研究為例，當(dāng)加熱溫度在800 ℃時，產(chǎn)生的驅(qū)動力小于裂紋愈合的阻力，因此裂紋沒有愈合；當(dāng)加熱溫度升高至1 000 ℃后，熱量產(chǎn)生的驅(qū)動力大于裂紋愈合的阻力，因此裂紋愈合。需要注意的是，雖然升高溫度會加快裂紋自愈合的速度和效率，但在實際處理帶有內(nèi)部裂紋的金屬材料時，一味升高加熱溫度也會導(dǎo)致操作成本的上漲，甚至當(dāng)溫度升高到一定程度后，金屬材料還會熔化。因此，在金屬材料內(nèi)部裂紋的自愈合處理中，選擇合適的臨界溫度至關(guān)重要。

3.2 "裂紋自愈合的機(jī)制

將內(nèi)部含有裂紋的金屬材料視作獨立的封閉系統(tǒng)，那么在裂紋自愈合的熱處理中，封閉系統(tǒng)與外部環(huán)境之間只存在能量交換，而沒有發(fā)生物質(zhì)交換。這種情況下金屬材料內(nèi)部裂紋要想自動愈合，只能依靠原子擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)變化來實現(xiàn)。其中，原子擴(kuò)散為裂紋自愈合提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而裂紋愈合帶的晶粒變長、變大，則是實現(xiàn)裂紋自愈合的主要機(jī)制[5]。結(jié)合前文試驗，在保溫時間一致的前提下，隨著加熱溫度的升高，金屬材料內(nèi)部裂紋實現(xiàn)愈合大體可分為3個階段。

階段一：裂紋分隔。最初的細(xì)長條形裂紋從某個或多個位置斷開，形成多個斷續(xù)狀的短裂紋。

階段二：短裂紋愈合。尾部的裂紋最先愈合，然后中部和端部的裂紋也逐漸縮小，形成小孔洞。

階段三：孔洞進(jìn)一步縮小，并且數(shù)量也逐漸減少，最終完全消失。

內(nèi)部裂紋愈合的過程如圖4所示。

4 "結(jié)論

金屬材料在加工制作過程中，因為車間環(huán)境、材料特性、加工方法等因素的影響，不可避免地會產(chǎn)生一些微小的裂紋或空隙，通過熱處理的方式讓金屬材料內(nèi)部的這些裂紋、空隙自動愈合，能夠有效提高材料整體強(qiáng)度，避免裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，延長了材料的使用壽命。本文試驗表明，對于20鋼和45鋼這2種含碳量不同的鋼材，將其加熱至1 000 ℃、保溫60 min，可以讓內(nèi)部的微小裂紋自動愈合，效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張亞軍，張欣耀，張云浩.金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率Paris模型中材料常數(shù)的相關(guān)性[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2021，36（4）：1-8.

[2] 李一磊，李朋洲，姚迪，等.金屬材料裂紋沖擊韌性評定方法研究[J].核動力工程，2021，42（5）：114-118.

[3] 王亮，楊洋，王翔，等.表面自愈合涂層2D-SiC_f/SiC復(fù)合材料的蠕變性能及損傷機(jī)理[J].中國陶瓷，2022，58（6）：43-52.

[4] 趙迎祥，肖亞航.工程材料微裂紋自愈合技術(shù)及其機(jī)理[J].熱加工工藝，2003（4）：44-46.

[5] 殷志明，徐龍勇，倪平.真空熱處理對鋼中微裂紋自愈合行為的影響[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2013（9）：201.