金属材料内部裂纹高温愈合实验研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.03.015 第22卷第3期 北京科技大学学报 Vol.22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 金属材料内部裂纹高温愈合实验研究 韦东滨 韩静涛谢建新 胡海萍陈军 贺毓辛 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要给出对纯铜和45号及80号优质碳素钢内部裂纹高温愈合处理的一些实验结果.研 究表明：内部裂纹愈合过程中存在比较强烈的原子书散迁移行为，钢中F原子更易于向裂纹 愈合区扩散迁移：较长裂纹段的愈合可能依赖于一种分隔愈合机制. 关键词金属：内部裂纹：愈合 分类号TG151:TG111.91 目前对断裂问题的研究通常是着眼于损伤的 对修复热处理方法作了较为系统的分类，认为 产生及其向宏观裂纹方向的发展.80年代以来， 必须使用高温修复热处理才可能明显降低金属 国内外材料科学与工程领域进行的材料智能化、 的损伤程度，减少缺陷并最终完全恢复组织1o, 高性能化、高效率化和长寿化研究则为此问题的 韩静涛等☒通过高温处理及在高静水压 解决提供了另一条思路，即使损伤以至裂纹向着 力、大塑性变形和有动态再结晶条件下的实验 愈合的方向发展 研究证实20MnMo钢在一定的条件（可无塑性 赵晓鹏四提出材料损伤愈合的核心问题是 变形)下，内部裂纹的萌生与扩展是一可逆过 物质补给和能量补给，为实现普通金属材料内 程，认为内部裂纹愈合过程主要受控于基体金 部损伤的愈合，外部能量补给的作用尤显重要， 属内的原子扩散，并将愈合过程分为空洞填充 研究采用的外部能量补给形式各有不同，加热 与晶粒长大2个阶段.在初步总结20MnMo钢 与施加电流脉冲是2种主要方式.其中加热又 内部裂纹愈合规律的基础上，对实际生产中经 包括常规加热、微波加热和激光加热等方式.沈 超声探伤检验证实己报废的大型锻件进行了较 以赴等四研究了低碳钢经大电流脉冲处理后改 为成功的愈合试验，取得显著的社会效益和经 善疲劳性能的可能性.肖永亮等研究了钴基合 济效益.钟志平W对20MnMo钢进行了内部裂 金疲劳裂纹的愈合与延寿.周本濂应用耗散结 纹的高温修复实验研究，认为当裂纹宽度小于 构的观点，提出愈合的本质是一开放体系和周 1.3m时，可以仅通过高温处理将其修复，而对 围环境进行物质与能量交换，并进行自组织的 超过此尺寸的裂纹，则必须佐以加压条件才能 过程. 修复. 对于钢的内部损伤愈合，国内外研究报导 国内外在材料内外部损伤愈合领域的理论 很少.文献[5,6们的研究发现，金属在热加工条件 研究水平相近，就普通金属材料内部损伤愈合 下，损伤的发展会受到某种机制的抑制，其结果 问题而言，到目前为止还主要限于对现象的 是在微裂纹扩展的同时，可能存在一可逆的愈 讨论，理论研究尚处于较低的层次.最近，周国 合过程.俄罗斯学者较早研究通过热处理消除 辉采用分子动力学方法，在原子尺度上模拟 金属材料内部损伤的可能性.B.M.KyMAHIH等 了材料内部微裂纹的愈合过程. 分析了金属材料损伤的发展剧，明确指出在金 属材料使用阶段或使用后，采用修复热处理方 1试样选材、制作及实验方法 法消除金属材料内部损伤，从而达到恢复使用 实验所用试样材质为纯铜及45号和80号 性能和延长寿命的目的；并依据处理条件不同， 优质碳素钢.将其加工制成8mm×12mm圆柱 1999-09-15收稿韦东滨男，29岁，傅士生 体，在圆柱体侧面中心部位钻Φ3mm×6mm盲 *国家自然科学基金重点资助项目No.59889101) 国家自然科学基金资助项目QN0.59771068) 孔，剔除孔内残屑，以丙酮和无水乙醇清洗后晾

第 卷 第 期 侧月 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 饱 金属材料 内部裂纹 高温愈合实验研究 韦东滨 韩静涛 谢建新 胡海萍 陈 军 贺毓辛 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 摘 要 给 出对纯铜和 号及 号优质 碳素钢 内部裂纹 高温 愈合 处 理 的一 些实验 结果 研 究表 明 内部裂 纹 愈合 过程 中存在 比较么烈 的原子扩 散迁移行 为 ， 钢 中 原子 更 易于 向裂 纹 愈合 区扩 散迁 移 较长 裂纹段 的愈合 可 能依赖 于 一种 分 隔愈合 机制 关键词 金 属 内部裂 纹 愈合 分 类号 目前对断裂 问题 的研究通常是着眼于损伤的 产生及其 向宏观裂纹方 向的发展 年代 以来 ， 国 内外材料科学与工程领域进行 的材料智能化 、 高性能化 、 高效率化和长寿化研究则为此 问题 的 解 决提供 了另一条思路 ， 即使损伤 以至裂纹 向着 愈合 的方 向发展 赵 晓鹏 ‘，，提 出材 料 损 伤 愈 合 的核 心 问题 是 物质补给和 能量补 给 为实现 普通金 属材料 内 部损伤 的愈合 ， 外 部 能量补给 的作用 尤显 重 要 研 究采用 的外 部 能量 补给形 式各有 不 同 ， 加热 与施加 电流 脉 冲 是 种 主 要 方 式 其 中加 热又 包括常规 加 热 、 微波加 热和 激光加热等方式 沈 以赴 等 口，研 究 了低碳 钢 经 大 电流 脉冲 处 理 后 改 善疲劳性能 的可 能性 肖永亮 等‘ 研 究了钻基合 金疲 劳裂纹 的愈合 与延 寿 周 本镰 应 用 耗 散结 构 的观 点 ， 提 出愈 合 的本 质 是 一 开 放 体 系和 周 围环 境进行 物质与能量 交换 ， 并进行 自组 织 的 过程 对 于 钢 的 内部损伤 愈合 ， 国 内外研 究报 导 很 少 文 献 【 ， 的研究发 现 ， 金 属 在 热 加 工 条件 下 ， 损伤 的发展 会 受 到某 种机制 的抑 制 ， 其结 果 是 在 微裂 纹 扩 展 的 同 时 ， 可 能存在 一 可 逆 的 愈 合过程 俄 罗 斯 学 者 较 早 研 究通过 热 处 理 消 除 金属材料 内部损伤的可 能性 且 等 分析 了金属 材料损 伤 的 发 展 〔， ， 明确 指 出在 金 属材料使用 阶段或 使用 后 ， 采用 修复热 处 理 方 法消除金 属材料 内部损 伤 ， 从 而 达 到恢复使用 性能和 延长 寿命 的 目的 并依据 处 理 条件不 同 ， 臾月砚旧 一 收稿 韦东滨 男 ， 岁 ， 博士 生 国家 自然科学基金重点资助项 目 困 国家自然科学基金资助项 目 对修复热处 理方法作 了较为系统 的分类 ， 认 为 必 须使用 高温修复热 处理才 可 能 明显 降低 金 属 的损伤程度 ， 减少缺 陷并最终完全恢 复组织， ， 韩静涛等 「， 通 过 高温 处 理 及在 高静水 压 力 、 大塑 性 变形 和 有 动 态 再 结 晶条件下 的实验 研 究证 实 钢在 一 定 的条 件 可 无 塑 性 变形 下 ， 内部 裂纹 的萌生 与扩 展 是 一可 逆过 程 ， 认 为 内部裂 纹 愈合过程主 要 受控于 基体金 属 内的原子扩散 ， 并将 愈合过程分为空 洞填充 与 晶粒长大 个阶段 在初步总结 。 钢 内部裂 纹 愈合规律 的基础 上 ， 对 实际 生产 中经 超声探伤检验证实 已报废 的大型锻件进行 了较 为成 功 的愈合试验 ， 取 得 显 著 的社 会 效益 和 经 济效益‘ 钟志平‘ 对 创功。 钢进行 了内部裂 纹 的高温修 复实验研 究 ， 认 为 当 裂纹 宽度 小 于 卿 时 ， 可 以仅通过 高温 处 理将其修复 ， 而 对 超过 此尺 寸 的裂纹 ， 则 必 须佐 以加压 条件才 能 修 复 国 内外在材料 内外部损伤愈合领域 的理论 研 究水平 相 近 就普 通 金 属 材 料 内部 损 伤 愈合 问题 而 言 ， 到 目前 为止 还 主 要 限 于 对 现 象 的 讨 论 ， 理 论研 究 尚处 于 较低 的层 次 最 近 ， 周 国 辉 ‘， 采 用分 子 动 力学 方 法 ， 在 原 子 尺 度 上 模拟 了材料 内部微 裂纹 的 愈 合 过程 试样选材 、 制作及实验方法 实验 所用试样材质为纯 铜 及 号和 号 优 质碳 素钢 将 其 加 工 制 成邺 圆柱 体 ， 在 圆柱体侧面 中心 部位钻 帕 ‘ 盲 孔 ， 剔 除孔 内残屑 ， 以丙 酮 和 无水 乙 醇清洗后 晾 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．03．015

·246· 北京科技大学学报 2000年第3期 干，采用氩弧焊将盲孔外端封死，将铜试样加热内可看到仍存在一些微小孔洞.此两末端间距 到900℃，钢试样加热到1100℃，在材料实验机 约为4630m,相当于预置裂纹长度.据此及阴 上徵粗得到高为5mm、直径约为12mm的圆饼 影域在观察面上所处位置可以确证其处于原预 状试样，压后水冷，试样内部形成一预置裂纹， 置裂纹所在区域，应强调指出的是，在二次电子 铜试样分别在炉温达800和900℃时入炉加热保 扫描方式下看不到该阴影域，由于二次电子扫 温15mi血，钢试样则分别在炉温达800,900， 描方式是根据被观察表面凸凹成像，因而表明 1000,1100,和1200℃时入炉加热保温1Smin, 阴影域与周围基体表面高度是一致的，上述现 到时取出水冷，沿垂直于原盲孔轴向的圆饼状 象未见文献报导，因而本文予以较多关注， 试样直径所在位置线切割剖分试样得裂纹面， 由于背散射扫描方式主要依据被扫描部位 研磨、抛光，对部分铜试样和钢试样分别采用过 原子序数的差异成像，因而推测出阴影域与其 疏酸氨水溶液(0.111g/mL)和硝酸酒精溶液 周围基体相比，所含化学元素及其含量可能有 4:100(体积比)浸蚀. 所不同.为此作了跨基体、阴影域及裂纹区域的 线扫描.扫描路径如图1b白色线条所示，由左 2实验结果及分析 至右对应图2中横坐标正向.几种主要化学元 含预置内部裂纹的80号钢试样于900℃下 素Fe,C,Si,Mn的分布如图2所示，可以看到， 裂纹域与基体或阴影域相比，化学元素含量存 入炉加热保温15min后，由背散射SEM像发现 裂纹区城（未浸蚀）如图1ac所示，其中图1b是 在较明显的差异，然而可能受限于线扫描对较 观察面上裂纹宽度最大处，距裂纹周边约3m 细徽差异的分辨能力，所反映出基体与阴影域 范图内的区域呈现一村度与基体明显不同的阴 间化学元素含量的差异并不十分明显， 影，此阴影域向裂纹两端延伸出去，直至图1a 为进一步确定和比较正常基体和阴影城中 与图1c所示的裂纹2个末端，裂纹末端阴影域 元素组成及含量，采用能谱分析方法对以上4 图180号钢试样内部粱纹意合区键的背散射SEM像.(a)裂纹上端：b)梨纹中部：(c)烫纹下端 Fig.1 Back scattered electron image of inner crack healing area in 80 steel 1400a Fe 70r(d) Mn 0 80 1000 0 800 020406080100120 020406080100120 30g20406080100120 020406080100120 图2即号试样跨基体、阴影域及裂坟区域嫂扫描所得主要化学成分分布 Fig.2 Distribation of compositions across matrix,shadow area and crack by line scan 种化学元素进行了半定量检测，表】为检测数 C,Si,M如的质量分数相对差值分别为0379%， 据.由表可见，Fe元素在基体中含量最高，已基 -22.4%,-3.51%,-732%:尚未愈合的裂纹周边 本愈合的裂纹尖端中含量次之，而裂纹周边阴 阴影域与基体相比，Fe,C,Si,Mn含量相对差值则 影域中含量最少：优质碳素钢中最重要的合金 分别为0.543%，-36.4%，-28.1%，36.6%.数据表 元素C在各部分中含量的排序恰好与Fe相反： 明各元素在基体中与在裂纹尖端的含量差异较 以基体含量为基准，裂纹尖端与基体相比，F, 小，而在未愈合的裂纹周边阴影域中的含量差

VoL22 No.3 韦东滨等：金属材料内部裂纹高温愈合实验研究 ·247· 异较大 其中一段裂纹接近中部愈合区的尖端部位（浸 表1试样表面不同区域化学元素含量（质量分数）半定量检 蚀)的二次电子SEM像.可以看到裂纹愈合区 测结果 城内部组织形貌与基体差异很大，晶粒尺寸明 Fig.I Semlqnantitative measured results of composi tion in 显比基体细小，而且愈合区域内部及其与基体 different areas on observed surface 的边界均有残余微孔洞存在.在文献[11,2]中针 区域 Fe C Si Mn合计 对20MMo钢观察到过类似现象，但未见文献 基体 97.591.430.570.41100 有对包括纯铜在内的纯金属进行类似的研究. 图1a阴影区 97.961.110.55038100 图1b裂纹周边阴影区98.120.910.410.56100 图4所示是含预置内部裂纹的纯铜试样在 900℃下入炉加热保温15min后裂纹区域（浸蚀） 本文认为所观察到的阴影域实际上是裂纹 的背散射SEM像，能够清晰地看到左裂纹面边 愈合过程中一个阶段的产物，在愈合处理过程 缘有规则的凸起，这似乎是一种后面称之为“分 中存在大量的原子扩散迁移，由于钢内各元素 隔墙”的现象将要出现的先兆， 分子动力学位势不同，扩散趋势不一致，Fe原子 80号钢试样于800℃下入炉加热保温15min 首先向裂纹愈合区扩散迁移，但因时间较短，处 后，预置裂纹区域（没蚀）的二次电子SEM像显 理结束后，各元素在基体与愈合区之间的分布 示出其被分隔的迹象，所观察到的裂纹段总长 都还未达到均匀化的程度，于是在背散射扫描 度约4400m,裂纹最宽处约8m,沿裂纹长度 方式下，显现出阴影域，而恰恰是这个阴影域留 方向有许多分隔墙，墙与周围基体组织连通，组 下裂纹愈合过程的踪迹.由于按本文实验方法 织形貌一致，墙厚度由2~11m左右不等，图5 预置裂纹时，裂纹尖端首先形成并可能出现压 所示是这些墙之一，本文认为这可能是裂纹愈 合的情形，所以裂纹尖端愈合程度远大于裂纹 合机理中极为重要的一个阶段，在此阶段，由于 中部，除阴影域外，仅残存一些徽孔洞而己，可 某种条件的作用，裂纹面上某些点处率先凸起 以推测欲使阴影域消失或使图1a,1c中裂纹尖 并与相对的另一面接触连接融为一体形成分隔 端阴影域内的残余微孔洞弥合，均需要在高温 墙，于是长裂纹被分隔为小段的裂纹，之后它们 下经较长时间的扩散处理. 逐渐演化为沿原裂纹长度方向分布的边缘光滑 图3反映了纯铜试样在800℃下入炉加热 的小段裂纹或圆孔洞，再后的阶段将是这些小 保温15min后内部裂纹愈合区域内填充物质的 段裂纹或孔洞的愈合， 组织形貌.处理后，此试样原预置内部裂纹区域 图6a是纯铜试样于900℃下入炉加热保温 的总体概貌是整段裂纹的中部已部分愈合，将 l5min后，所观察到的裂纹尖瑞（浸蚀）的二次 裂纹段切分为两小段明显可见的裂纹，图3是 图3纯铜试样内部裂纹愈合 图4纯铜试样内都裂纹惠合 图580号铜试样内部裂纹 域的二次电子SEM像 区城的背散射sEM像 区罐出现的分隔墙 Fig.3 Second electron image of Fig.4 Back seattered electron image Fig.5 A partition in inner erack in inner crack area in pure copper of inner crack area in pure copper 80 steel 电子SEM像：图6的是45号钢试样于1100℃下 仅依据以上实验结果作进一步的理论分析 入炉加热保温15min后，裂纹区域（未浸蚀）的 尚比较困难.虽然本文及文献[11~13)所研究的 二次电子SEM像.两图较为典型地展示了长裂 内部裂纹尺度明显大于烧结材料颗粒间空隙或 纹转变为沿原裂纹方向分布的边缘光滑的小段 金属扩散焊接中两待焊表面间缝隙，但从现象 裂纹以及圆孔洞的情形， 上看，通过高温处理或在高静水压力、大塑性变

·248· 北京科技大学学报 2000年第3期 图6经意合处理后沿预置额纹方向分布的边嫌光滑的小段裂垃和圆孔洞()纯铜：（心5号铜 Fig.6 The smoothty short subcracks and hole along the direction of precrack after healing treatment 形以及有动态再结晶条件下进行的金属材料内 4 Zhou B L.The Biomimetic Study of Composite Materials. 部裂纹愈合与烧结和扩散焊接仍有相似之处， J0M,1994.46(2):57 尤其是在裂纹愈合过程中出现圆孔洞的情形同 5曹起疆，韩静涛，大型管板锻件夹杂性裂纹形成机理 探讨.塑性工程学报，1994,1(1)少14 文献中报导的烧结和金属扩散焊接后期状态颇 6Shapiro E,Dieter G E.High Temperarure-High Strain Rate 为接近.尽管目前对烧结和扩散焊接机理的研 Fracture of Inconel 600.Metallurgical Transactions,1970. 究也在不断完蓉之中，但其中仍有不少可资借 1(6):1711 鉴之处 7 KyMAHHH B H,COKOJIOBA M JI.ToBpexneHHocn MeTANIHRCCKHX MaTePHANOB H cnoco6w ce ycTpaHcHM 3结论 Meraoneaeie H TeMpHgecKas o6paboTa MeTannoB, 1995(4:2 1)已存在于纯铜及钢等金属材料内部的裂8安散竹.金属材料损伤的发展.国外金属热处理，196， 纹在一定条件下有愈合的可能：2)内部裂纹愈 17(4少2 合过程中存在比较强烈的原子扩散迁移行为， 9 KyMAHHH B H,KOBAJIEBA JI A.YerpaneHHe nonpe 钢中各元素在扩散迁移过程中的扩散趋势不同， xeHHOCTH MeTaLTHeCKHx MaTepHaon c NOMOmbIO BOCC Fe原子更易于向裂纹愈合区扩散迁移：3)较长 TaHoBHTenbHOA TepMHecKoH o6paGoTKH.MerannoseneH He H TeMpHecKax 06pa6oTKa MeTaoB,1995(4):7 裂纹段的愈合可能依赖于一种分隔愈合机制， 10安酸竹.以修复热处理消除金属材科的损伤.国外金 分隔墙的形成在此愈合机制中是一个极为重要 属热处理，1996,17(5小：2 的阶段，此阶段导致较长裂纹段被分隔并使其 11韩静海，赵钢.20外MMo钢内裂纹接复规律的研究.中 逐渐演化为一系列边缘光滑的小段裂纹或圆孔 国科学E辑).1997.27(1上23 洞。 12韩静海，赵钢.20MMo钢内裂纹修复现象的发现及 其金属组纵的变化.金属学拟.199%.32(7：723 参考文献 13韩静神，许树森.大型锻件的夹杂性裂纹与控制锻造 】赵晓副，周本速.具有自售复行为的智能材料横型.材 T艺.钢铁，1997,32333 料研究学报，1996,10(1)上101 14钟志平，人型筒体锻件组织性能控制与高温裂纹修 2沈以赴，周本德.材料疲劳恢复新逸径的探察I一低 复实验研究：[学位论文】.北京：清华人学，1998 碳铜疲劳老命的延长.材料研究学报，1996,10(2》：165 【S周1国辉.断裂和环境断裂的分了动力学模拟：[学位论 3肖永亮，郭义.C0基高温合金疲劳裂纹的修复，材料 文1.北京：北京科技大学，1998 研究学报，1996,10(3)：271 Study on Inner Crack Healing at Elevated Temperature in Metals WEI Dongbin.HAN Jingtao.XIE Jianxin.HU Haiping.CHEN Jun.HE Yuxin Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijingl00083.China ABSTRACT The results of research on the healing in pure copper and carbon steel are shown herewith.The inner crack could be healed at elevated temperature.It suggests that the healing of long crack could depend on the "separate healing"mechanism,in which forming of partition is an important stage.It results in that the long crack transformed into a row of tiny smooth cracks and round holes.The diffusivity of Fe atoms to crack healing area is higher than other elements. KEY WORDS metal;inner crack;healing