冷轧压下量及时效温度对内生

1、无冷轧压下量及时效温度对内生冷轧压下量及时效温度对内生复合钢板弱界面结合强度的影响复合钢板弱界面结合强度的影响蔡大勇张春玲荆天辅摘摘要要：通过力学性能测试、扫描电镜及透射电镜观察，研究了冷轧压下量及时效温度对内生复合钢板弱界面结合强度的影响。结果表明：随着冷轧压下量的增加，弱界面的结合强度明显降低；而随着时效温度的上升，弱界面的结合强度呈现上升的趋势。关键词关键词：内生复合钢板； 弱界面； 冷轧压下量； 时效温度中图分类号中图分类号：TG355.5；TG142.1文献标识码：A文章编号文章编号：1001-3814(2000)01-0007-03EffectsEffects ofof Cold-

2、rolledCold-rolled ReductionReduction andand AgingAging TemperatureTemperature ononCohesionCohesion StrengthStrength ofof WeakWeak InterfaceInterface ofof DISCDISCCAI Da-yong, ZHANG Chun-ling, JING Tian-fu（College of Mate.Sci.& Chemi.Eng., Yanshan University）AbstractAbstract：Mechanical properties

3、 testing、SEM and TEM was used to study the effectsof cold-rolled reduction and aging temperature on the cohesion of the weak interfaceof DISC.The results show that the more the cold-rolled reduction,the lower thecohesion strength of the weak interface;and the higher the aging temperature,thehigher t

4、he cohesion strength of the weak interface.KeyKey wordswords：DISC; weak interface; cold-rolled reduction; aging temperature1 1引言引言金属板材尤其是钢板在传统加工变形过程中，由于轧制工艺参数或夹杂物控制不当，常常发生分层开裂而导致报废。国内外研究人员为解决这一问题进行了大量工作，但都是在分析开裂机理的基础上，采用各种方法控制这类缺陷的产生或使之消除，使材料的力学性能恢复到原有水平13。但是，Embury 将多层同材质金属薄板复合成金属层压板后，发现层压板中弱界面的存在使

5、该种材料表现出优异的力学性能4，5。所以，如果能把金属在传统变形中形成的层状缺陷转化为类似金属层压板中的有益层状界面， 那将是材料研究中突破性的进展。对 15CrMnMoV 钢淬火后得到的板条马氏体组织进行冷轧后，对其组织特征研究发现：其显微组织为均匀分布的层片状结构，层片沿轧面和轧向近平行排列。这样，通过冷轧在材料内部引入了大量的类似金属层压板的层片状结构，为区别于传统层压板，我们称之为塑性变形诱发内生复合钢板(Deformation induced in-situ composite plates)，简称 DISC 钢板。初步研究表明：DISC 钢板具有超高强韧性，是解决超高强度材料易于低

6、应力脆断这一世界难题的有效新途径。同时，DISC 钢板在超高强度水平对裂纹和应力腐蚀不敏感，这主要归因于该复合板内部的弱界面，弱界面降低了板厚方向的约束，使得材料的韧性大大提高，从而使材料的强度潜力得到了充分的发挥6，7。目前对 DISC 钢板的研究还仅局限于一些常规力学性能方面，对于 DISC 钢板的复合机制以及弱界面的形成条件、结构、结合强度和力学行为的关系还有待深入研究。本文在前期工作的基础上，研究了冷轧压下量及时效温度对 DISC 钢板弱界面结合强度的影响。2 2试验材料及研究方法试验材料及研究方法无试验用 15CrMnMoV 钢，由抚顺特殊钢有限公司提供，熔炼方法为电炉加真空自耗，其

7、化学成分 w(%)为：0.16C，1.20Cr，0.80Mn，0.81Mo，0.28V，0.36Si,0.008S,0.015P,其余 Fe。将 60 mm60 mm 铸造方坯改锻为不同厚度的冷轧板坯，8752 h 退火，94025 min盐炉加热奥氏体化，油冷获得低碳板条马氏体组织，55090 min 时效后精加工到不同厚度，冷轧到同一厚度(3 mm)，以获得不同的冷轧压下量(=(H0-3)/H0，H0为原始厚度，3 mm为终轧厚度)。时效处理后，即可获得具有层状晶粒结构的内生复合板，复合板中的弱界面平行于板面。通过拉伸及剪切试验测试不同冷轧压下量及时效温度 DISC 钢板的弱界面结合强度，

8、 利用透射电镜(TEM)及扫描电镜(SEM)观察材料的显微组织结构及断口形貌。3 3试验结果试验结果图 1a 为 DISC 钢板弱界面抗拉强度(b)及剪切强度()随冷轧压下量的变化关系。 可见，随着冷轧压下量的增加，DISC 钢板的弱界面b及逐渐降低，即 DISC 钢板的弱界面结合强度随着冷轧变形量的增加呈现出下降的趋势。图 1弱界面结合强度与冷轧压下量(a)、时效温度(b)的关系图 1b 为 DISC 钢板弱界面抗拉强度随时效温度的变化关系。可见，随着时效温度的升高，DISC 钢板的弱界面抗拉强度呈现逐渐升高的趋势。4 4分析讨论分析讨论4.14.1DISC 钢板的显微组织图 2 为 DIS

9、C 钢板的显微组织结构。可以看出：DISC 钢板的显微组织为近平行排列的马氏体板条构成的层片结构，层片平均厚约 90 nm，且层片内存在高密度的位错。图 2DISC 钢板的微观结构(TEM)4.24.2DISC 钢板的弱界面断口形貌图 3 为 DISC 钢板的弱界面拉伸及剪切破坏的断口形貌。可以看出：DISC 钢板的断口分层裂纹表面具有显著河流花样特征，可见 DISC 钢板沿弱界面的破坏方式为典型的解理断裂。无(a)75%，冷轧态弱界面拉伸断口形貌(b)75%，58090 min 弱界面拉伸断口形貌(c)75%，冷轧态弱界面剪切断口形貌(d)75%，62590 min 弱界面劈开断口形貌图 3

10、弱界面断口形貌4.34.3DISC 钢板弱界面的菊池花样分析对沿弱界面劈开试样分层裂纹表面所作的菊池花样如图 4 所示。结果表明分层裂纹表面为(001)解理面。可见，DISC 钢板的分层裂纹的扩展过程沿(100)解理面进行，这与分层裂纹表面的 X-ray 衍射谱结果一致8。无图 4分层裂纹表面的菊池花样4.44.4DISC 钢板弱界面结合强度的影响因素金属材料在冷塑性变形过程中，虽然外部所加的大部分能量将转变为热能而散发出去，但其中约有 3%的能量将储存在材料的内部9。由此造成位错密度和点阵缺陷(原子空穴等)密度的上升，以点阵畸变等形式残留在钢中(如图 2)。随着冷轧压下量的增加，储存在晶粒内

11、的畸变能增加，尤其是在晶界处畸变能储存更多，由此造成裂纹极易在弱界面处形核。在垂直于弱界面的正应力作用下，裂纹沿(100)解理面急剧扩展而开裂(图 3、图 4)。所以随着冷轧压下量的增加，储存在弱界面处的畸变能增加，裂纹易在弱界面处形核扩展，导致 DISC钢板弱界面的结合强度下降。时效过程中，DISC 钢板冷轧时获得的储存能以热的形式释放，同时点缺陷消失，位借重排，使得点阵畸变程度降低9，储存在晶粒内的畸变能减少。能量的减少将不利于解理裂纹形核，并且随着时效温度的升高，释放的储存能增加，使裂纹的形核更加困难。所以，随着终时效温度的升高，DISC 钢板的弱界面结合强度呈现上升的趋势。对于 DIS

12、C 钢板而言，其弱界面结合强度的影响因素主要是冷轧压下量和终时效温度。由以上的试验结果可以看出：通过改变 DIS 钢板的冷轧压下量和终时效温度可以调整和控制其弱界面结合强度，从而达到实际应用中对该种材料强韧化要求。5 5结论结论(1)随着冷轧压下量的增加，内生复合钢板的弱界面的结合强度明显降低。(2)随着终时效温度的上升，内生复合钢板的弱界面的结合强度呈现上升的趋势。基金项目基金项目：国家自然科学基金资助项目，59681006；河北省自然科学基金资助项目，595165。作者简介作者简介：蔡大勇(1970-)，男，河北唐山人，讲师，博士研究生。作者单位作者单位：蔡大勇（燕山大学 材料化工学院，河北 秦皇岛 066004）张春玲（燕山大学 材料化工学院，河北 秦皇岛 066004）荆天辅（燕山大学 材料化工学院，河北 秦皇岛 066004）参考文献参考文献：1 井上尚志.国外低合金高强度钢进展， 裂纹选辑 M .北京： 冶金部情报研究所， 1986：90.2 夏并桢一.国外低合金高强度钢进展， 裂纹选辑 M .北京： 冶金部情报研究所， 1986：无295.3 小山伸二.国外低合金高强度钢进展， 裂纹选辑 M .北京： 冶金部情报研究所， 1986：303.4吴人洁.J.复合材料学报，1987，