关于高锰钢加工硬化机理的几个假说

关于高锰钢加工硬化机理的几个假说

1高锰钢加工硬化的理论证据高锰钢是在强影响的条件下，高强度、高弹性、良好耐候性的材料。从理论上解释高锰钢加工硬化现象还存在不少的疑点,至今还没有一种很完美、能得到各方面接受的理论来很好地解释高锰钢的加工硬化现象。下面将就这个问题做一些简单的研究和探讨。2高锰钢的变形问题形变诱发马氏体相变硬化假说认为奥氏体高锰钢加工硬化的原因是由于高锰钢形变诱发高锰钢中的奥氏体转变成马氏体。由于两者的体积不同,后者的体积较大产生了膨胀阻碍滑移面滑移引起的。1929年HALL用X-射线衍射分析证明奥氏体高锰钢变形层中确实发生了奥氏体转变成马氏体的相变。同年KRIVOBOK提出了马氏体会在奥氏体变形滑移带上形成的观点。但是后来DNICINOF在一个相当宽的温度范围内对高锰钢加工硬化现象进行了研究,在高锰钢形变后的加工硬化层中并没有发现形变诱发的马氏体存在,因而否定了奥氏体高锰钢在变形过程中会发生马氏体相变的观点。文献在研究高锰钢中奥氏体的稳定性与形变能力时提出奥氏体高锰钢由于层错能低,在形变过程中容易形成层错,在层错处会出现ε马氏体或形成形变孪晶,但是并不容易出现α马氏体,并且在形变后也没有达到更高硬化程度。而文献则认为高锰钢奥氏体有不同的转变方式,既可以按γ→层错→马氏体→α马氏体这种转变方式转变,γ也可以直接转变成α马氏体。究竟是按什么方式转变的,关键在于高锰钢的成份。通常10%～14%Mn,1%～1.4%C的锰钢经变形后只能出现层错并发展成为形变孪晶或ε马氏体,而不能出现α马氏体。3高锰钢的变形硬化层孪晶硬化假说认为高锰钢加工硬化是由于高锰钢形变时是按“孪生”机制进行塑性变形形成孪晶引起的,所谓孪生是以晶体中一定的晶面(孪晶面)沿着一定的晶向(孪生方向)移动而形成的。在形变过程中会有大量的形变孪晶形成。这些形变孪晶将金属基体切割成很多小块,位错被锁住,位错运动困难;另外由于孪晶界的存在能垒也阻碍了位错的运动,使得高锰钢发生塑性变形需克服更大的阻力。由于存在这两种阻力,因此高锰钢在形变时出现硬化现象。晶体以孪晶方式形变时,整个孪晶区域作了均匀切变,其余各层晶面的相对位移距离是孪晶方向原子间距的分数值,这表明孪生时每层晶面的位移是借助一个不全位错的移动而造成的。文献研究超高锰钢加工硬化及耐磨性时,通过对高锰钢变形硬化层进行TEM观察发现确实有孪晶存在,还有交叉孪晶。α-Fe中也可以观察到形变孪晶的存在,即纽曼带。但是DrobnjakDJParJG研究不同条件下高锰钢的形变孪晶形成情况后得出了不同的结论:在-50℃时高锰钢形变时会有大量形变孪晶形成。但高锰钢的加工硬化率不高;在225～300℃高锰钢形变时几乎不形成形变孪晶。但高锰钢表现出了很高的加工硬化率;在室温到196℃之间变形时高锰钢形成形变孪晶的数量和流变应力之间并不存在简单的对应关系。4高锰钢基架中的位错运动机理位错硬化假说认为高锰钢加工硬化的机制是由于奥氏体高锰钢在形变时产生高位错密度,大量位错形成高密度位错区,高密度位错区会阻碍位错运动而产生强化效应,从而导致高锰钢的加工硬化。文献认为高锰钢的形变加工硬化可分为3个阶段:(1)易滑移阶段,滑移只在一个滑移系内发生。在平行的滑移系面上移动的位错很少受到其他的位错干扰,故可移动相当长的距离并可能到达晶体表面。这样位错源就能增殖出新位错。(2)第2阶段随着变形量加大,滑移在多个晶面族和滑移系内发生,此时硬化机制有3种:①位错交割产生割阶、固定位错使位错运动困难;②位错交割和再交割成位错缠结或三维网络,位错在某一滑移面运动时会以不同的角度穿过此滑移面并与其他的位错形成林位错。此时由于位错间的弹性相互作用使位错运动受阻;③位错相互作用形成胞状结构或亚晶粒互相锁住,同时胞壁成为位错运动的障碍。(3)第3阶段开始后,足够高的应力使被阻挡的位错借助于交滑移而运动。当高锰钢受到外加载荷作用时由于Mn的原子半径大于Fe的原子半径,在正刃位错的上半边(受压缩边)交互作用能是正值,溶质原子受到排斥;而在下半边(受压缩边)交互作用是负值。在发生形变时溶质原子Mn会被吸到位错附近。C原子处于α-Fe的[0,0,1/2][1/2,1/2,0]间隙位置上。对点阵造成不对称的畸变,与螺位错发生交互作用。Mn、C原子与位错的交互作用它们将聚集在位错附近以降低体系的畸变能,形成所谓溶质原子气团(柯垂尔气团)。当发生塑性变形时气团会阻止位错的运动,引起加工硬化现象。Mn、C这两种溶质原子还会与位错发生电交互作用,自由电子会从点阵受压地区移至受张地区,形成了局部电偶极。Mn原子与Fe原子的价电子不同,自由的电子会离开而形成正离子,与位错之间会产生短程的静电相互作用。Mn、C原子与位错之间还有Suzuki交互作用使扩展位错形成层错区局部的偏聚,也会阻碍位错的移动,同时随层错能的下降,扩展位错会加宽,也产生强化作用。要使高锰钢发生塑性形变必须克服上述所有阻碍位错运动的力,就必须消耗一定的能量才能实现,而这在宏观上就表现为加工硬化现象。5高锰钢的冷加工晶体之所以能发生塑性变形是由于位错运动引起的,据此动态应变时效硬化假说认为,晶体发生塑性变形时溶质原子受到与位错周围扭曲的原子结构所伴生的高能应变能的影响,将被吸引到位错中心处形成“柯氏气团”,使系统的应变能降低并对位错的运动起钉扎作用,即产生了动态应变时效强化效应,从而导致了加工硬化现象的出现。奥氏体锰钢的穆斯堡尔谱试验显示出其冷加工时碳原子的群集,且群集程度随时效的增加而增大。文献提出高锰钢的强化效应是由于位错心部的C-Mn原子对的钉扎强化,但在进行拉伸试验时发现在-40℃以下的温度C原子在位错核心或基体点阵中运动很困难,不能产生明显的动态应变时效,不能再钉扎住位错的运动,而高锰钢仍有高的加工硬化率。文献认为动态应变时效实际上是按屈服和时效两种形式交替进行的,而应变时效是碳原子在位错周围扩散的结果,因此保证C原子在位错应力场中的微扩散是必要的。6高锰钢加工硬化机理综合作用硬化假说认为是由于几种机理综合作用引起形变高锰钢的加工硬化,而不是由单独一种机理引起的。文献研究了高锰钢爆破处理后会出现硬化现象,提出了这是由于冷作硬化、晶粒细化、位错、堆垛层错和挛晶的综合作用引起高锰钢加工硬化的观点。文献通过X-射线衍射、透射电镜等多种方法研究后认为高锰钢加工硬化机理包含:(1)高位错密度区强化;(2)动态应变时效强化;(3)形变孪晶界强化。认为这几种机制都起作用,但是不同条件下有一种或几种起主要作用。文献研究了不同锰、碳含量的高锰钢加工硬化机理后,提出高锰钢加工硬化是由于高锰钢形变时会有大量形变孪晶的出现,孪晶间距减小,孪晶带变薄,并有一定数量的交叉孪晶综合作用的结果。还有很多根据不同的实验提出其他的几种不同的机理同时对高锰钢加工硬化起作用的观点,这些观点有一个共同点,就是认为是几种机制同时起作用引起了高锰钢的加工硬化现象。7显微组织中的晶体结构及应变能力1996年李士同等研究者通过热分析、磁分析、声分析、XRD、SEM、TEM、EDAX、穆斯堡尔谱和电子探针等现代化检测手段,研究了不同的C、Mn含量的奥氏体高锰钢的加工硬化行为,提出了奥氏体高锰钢加工硬化是由于奥氏体高锰钢中形成的Fe-Mn-C原子团偏聚区,这些偏聚区会阻碍滑移系启动和位错的运动,因此导致了高锰钢加工硬化能力的观点。文献提出高锰钢加工硬化的微观结构模型,C原子是位于奥氏体晶胞八面体间隙的中心,并同时位于两个相邻的(111)面之间。在变形过程中,当运动的位错与散乱分布在奥氏体基体中的Fe-Mn-C原子团偏聚区相遇时,C原子会陷入位错中心区,Mn原子和Fe原子对C原子的强烈的牵制作用将有效地限制C原子随位错运动,因此对位错的运动产生强烈牵制作用。当运动位错切过Fe-Mn-C短程有序区时,不但要拆散许多强C-Mn键,而且还会降低短程有序度,这都会消耗能量,从而使奥氏体锰钢在变形过程中表现出异常高的加工硬化能力。但是文献研究了高锰钢中的奥氏体稳定性与形变强化能力后认为降低Mn、C的含量会降低高锰钢中奥氏体的稳定性,因而会提高高锰钢的加工硬化能力。当非金属原子与金属原子半径之比大于0.59时会形成具有复杂晶体结构的间隙固溶体化合物。α-Fe和γ-Fe原子的半径分别为1.24A°和1.26A°,而C原子的半径为0.77A°,两者的比值为0.63,二者能形成间隙固溶体。Mn原子的半径与Fe的相差不超过5%,一部分Fe原子可以被Mn原子置换形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C,使晶体点阵发生畸变。在实践中发现奥氏体高锰钢的耐磨性随Mn、C含量的提高而提高,超高锰钢的耐磨性就较高锰钢好,其硬度也相应有所提高,当C含量(质量百分比)由0.5提高到0.8时高锰钢的硬度会提高很多。文献也提出增加高锰钢中Mn、C含量会提高高锰钢的加工硬化能力的观点。8实际实验及结果从前面说明可以看出,关于高锰钢加工硬化的机理有很多解释,不过有一点是相同的,即都认为是由于某种原因阻碍了位错的运动而引起高锰钢的加工硬化。通过SEM、TEM、EDAX、穆斯堡尔谱实验、电子探针等现代化检测手段研究了奥氏体高锰钢形变时加工硬化的现象,在这里不具体谈实验的过程,只简单地介绍得到的结论,具体实验的过程在另外的文章再作介绍。奥氏体高锰钢形变时诱发马氏体相变引起高锰钢的硬化,这不是高锰钢硬化的主要原因,因为在奥氏体高锰钢变形时都在高