钢材冷作硬化机理及工程使用注意事项.doc

钢材冷作硬化机理及工程使用注意事项 李晓月LIXiao-yue （长安大学建筑工程学院，西安710018） （CollegeofCivilEngineering，ChanganUniversity，Xian710018，China） 摘要：从金属晶体结构角度研究钢材冷作硬化的机理，并运用结论解释实验现象。通过对实验现象的分析，深入探究影响钢材力学性能变化的因素。结果表明，为保证钢材在使用过程中有良好的强度及塑性，并避免脆性造成的损害，在施工过程中应合理选择变形量和时效温度及时间。 Abstract:Thispaperstudiesthemechanismofcold-workhardeningofsteelfromtheperspectiveofmetalcrystalstructureandusetheconclusiontoexplainsomeexperimentalphenomena.Byanalyzingtheexperimentalphenomena,thefactorsaffectingtheperformancesofsteelmaterialswerefound.Theresultsshowthatinordertoensurethesteelmaterialshavegoodintensityandplasticityandavoidthebrittlenessdamage,reasonabledeformation,agingtemperatureandtimeshouldbeusedintheprocessofconstruction. 关键词：金属晶体结构；变形量；时效温度及时间 Keywords:metalcrystalstructure；deformation；agingtemperatureandtime ：TG156.92：A：1006-4311（xx）34-0070-02 作者简介：李晓月（1994-），女，河北邯郸人，本科，从事土木工程材料研究。 1冷作硬化机理 在研究钢材冷作硬化机理时，先对钢材中主要成分即铁（Fe）的晶体结构进行分析。在对金属晶体的研究中，我们了解到，除Po为简单立方堆积外，大部分金属采用面心立方、体心立方或六方最密堆积中的一种。用致密度和配位数描述晶体中原子排列的紧密程度。见表1。 由表1可知，纯铁在常温下采用体心立方堆积，其致密度及配位数相对较小，即原子排列紧密程度较低。在低温或常温下进行冷轧、冷拉或冷拔时，易发生晶格的扭曲、 畸变，从而使晶粒受剪力滑移或变形，晶粒受剪力滑移后产生摩擦力；晶粒发生变形时，金属原子发生相对位置的变化，金属内正负电荷平衡被打破，产生电场力，需要电子重新分布来恢复平衡，由于电子不断运动恢复平衡，致使磁平衡也将被破坏，因此表现出在一段时间内的磁性。晶格的扭曲、畸变使金属塑性和韧性变差；摩擦力和磁力使屈服点、硬度提高。由此可推测，在工程常用金属中，铁较其他金属易发生冷作硬化。 铁在不同条件下晶体结构会发生改变。纯铁到了912C以上就转化为了面心立方体堆积。面心立方晶格的铁并没有铁磁性。在铁中添加其他元素，晶格转变温度会下降。如：在铁中加入碳后，晶格转化温度将下降到727C。大量加入其它合金元素，这个转化温度甚至可以降到室温以下。在室温仍可以保持面心立方堆积的不锈钢称为奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢无磁性。根据这一特点，可在钢材冷作硬化过程中测定磁性变化来分析其机理。奥氏体不锈钢开始表现为无磁性，进行冷轧、冷拉或冷拔处理后，由于错位塞积和形变诱发马氏体相变，从而产生磁性（马氏体存在磁性）。在冷却条件不同的情况下，表现出的磁性变化不同，从而强度和塑性变化不同。 金属塑性变形时，根据晶体结构变化，大致可分为三阶段。第一阶段为弹塑性变形，在晶粒范围内发生晶块破碎和错位塞积。第二阶段主要是塑性变形，并有非位错性的破坏性变形。第三阶段材料发生破坏。在冷作硬化施工过程，金属主要发生第一和第二阶段的变化。 错位塞积和形变诱发马氏体相变，形变量不同，对金属内磁平衡的破坏不同，恢复磁平衡难度和所需时间也不同。形变量越大，马氏体产生越多。冷却温度过低时，金属内电子难以迅速运动恢复至磁力平衡，导致马氏体持续一段时期；当冷却时间足够长时，金属内电子逐步恢复至磁力平衡，可使由形变引起的马氏体部分消失。 2实验现象及分析 2.1选取0.1/s，1/s，2.5/s，5/s的变形速率，在不同应变速率下选取10%、20%、30%和50%的应变程度进行试验。经显微分析及磁性分析后可发现，在相同变形速率下，变形量大于10%后，随变形量增加，马氏体增加。变形量为30%-50%的马氏体增加速率大于形变量为10%-30%的马氏体增加速率。而且，在20%、30%及50%三种形变量的不同速率下，磁性均增加，说明奥氏体不锈钢在冷变形过程中有磁性相产生。该磁性相即为马氏体。变形量增大，引起金属内磁力平衡破坏大，从而产生磁力，产生马氏体这种“硬化相”。作为直线与错位线相互作用的“硬相”，阻碍错位运动，提高错位密度，以致形成复杂的错位强化结构1。形变诱发马氏体的量随形变量增加而增加。因此为避免马氏体过多引起的脆硬性，形变量应控制在10%以下。 2.2控制时效时间及其他条件，在不同温度下测定屈服强度。由图1可得，500C时，屈服强度为1150MPa，而650C时，屈服强度已经降为550MPa。在实验温度范围内，时效温度越高，屈服强度和硬度越低2。在一定温度范围内，温度越高，电子运动速度越快，恢复磁平衡的效率越高，由形变诱发的马氏体逐步部分消失，塑性提高，强度降低。 2.3由图2-图3可知，随时效增加，晶体内弥散碳化物数量增多并有长大趋势；呈弥散均匀分布的层片状析出物增多，与奥氏体相互交错使硬度提高，强度和塑性降低。但根据理论分析，随时间增长，金属内电子逐步恢复平衡，电场力应减小，磁效应应减弱，马氏体也应部分减少，强度减小，塑性提高。然而实验表明材料硬度发生提高，塑性降低，与理论分析不相符。其原因在于，由于铁素体原子排列较为稀疏，钢材中合金元素在铁素体中渗透扩散速度远远大于在奥氏体中。因此，固溶不锈钢在750C时效过程中，铁素体或铁素体奥氏体晶界处会析出相（回火马氏体）。相在材料中占有主导地位。相属于脆硬相，硬度高、脆性大，材料在未发生变形前便在金属间相附近产生裂纹源和脆性相开裂3，使材料塑性减小。因此，要通过控制析出物的数量、大小和分布，使钢材获得更佳的强化效果4。 3结论 钢材受自身晶体结构影响，形变量越大，金属内部磁力越大，形变马氏体越多，强度提高，塑性降低。为避免脆硬性造成的损害，形变量应不超过10%。 冷作硬化的时效温度和时间会共同影响钢材的强度、硬度和塑性，应综合考虑材料的力学性质，合理控制时效温度和时间。 参考文献： 1童金涛，张麦仓，等.302HQA钢的冷变形硬化机理研究J.塑性工程学报，xx（5） 2李国明，陈珊，等.时效温度对新型马氏体沉淀硬化不锈钢性能的影响