D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2006.02.030 第28卷第2期 北京科技大学学报 Vol.28 No.2 2006年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb,2006 16Mn钢内裂纹愈合区域的微观分析 张永军1,2)韩静涛1)任秀平3)赵中里1) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)首钢技术研究院，北京1000413)冶金工业信息标准研究院，北京100730 摘要对经过热愈合处理的16M钻孔压缩试样的内裂纹愈合形态、愈合区域组织结构、显微硬 度进行了测试与分析.扫描电镜分析结果显示，愈合区内精细组织主要为侠素体，并存在许多大小 为儿百纳米级的多边晶块.维氏硬度测试结果显示，出现在愈合区铁素体组织的维氏硬度高于基 体区铁素体组织，其可能原因是愈合区中出现的多边晶块结构所引发的强化 关键词金属；内裂纹；愈合；精细组织 分类号TG111.9 金属材料的失效问题一直是世界各国专家学 丝得到M3×5mm螺纹，剔除盲孔内残屑，用丙 者关注的热点问题.金属材料主要失效方式为断 酮和无水乙醇清洗后晾干，分别用同材质的M3 裂、衡蚀和磨损.断裂虽不是一个可逆的过程，但 螺钉封堵盲孔外端，并采用氩弧焊将盲孔外端焊 裂纹很小时，对材料进行高温热处理，通过热激活 封.这样在圆柱体试样内部形成一个2mm,长 使两个裂纹面上的原子处于相互作用的区域内， 度为2mm的密闭孔腔.将该圆柱体试样加热到 有可能实现裂纹的愈合，对于金属材料而言，内 1050℃后，在600kN材料实验机上，以1.5mm 裂纹愈合机理是扩散导致的热愈合，人们正是基 s1的压下速度进行压下量为3.5mm的压缩变 于该机理进行着内裂纹的愈合研究1-12] 形，得到高度为8.5mm的鼓形试样，压缩结束后 金属材料因其不透明性很难对内裂纹愈合区 空冷试样.这样试样内部就会存在因密闭孔腔被 域进行原位检测分析，因此只能采用剖分观察的 压扁而带来的内裂纹.对采用这种方法制备的含 方法来研究内裂纹的愈合效果.本文对愈合后的 有内部裂纹的试样被称为钻孔压缩试样 钻孔压缩试样进行轴向剖分，对试样剖分面上的 图1显示了采用上述方法所制备的钻孔压缩 愈合区域进行了裂纹愈合形态、组织结构、显微硬 试样.由图可见，在16Mn试样内部预制出了由 度进行了测试与分析，利用扫描电镜对对剖分面 孔洞闭合而形成的一次内裂纹及在其周边出现的 上的裂纹愈合区域进行了低倍组织、高倍组织和 呈放射状的二次微内裂纹（尤以一次裂纹的两端 精细组织观察；利用显微硬度仪对愈合区域进行 最为明显).如图1所示.由于钻孔压缩法是采用 了维氏硬度测量 压缩变形，使预置在试样内的圆柱型孔洞发生闭 合而制成.因此，试样在压缩变形过程中，孔洞的 1愈合实验 端部变形较孔洞中部大，组织沿变形方向延长，如 采用钻孔压缩法)在金属试样中制备出形 图1(b). 态、位置可预知的内裂纹，以保证研究工作顺利进 本文所进行的热愈合实验是以整个试样为愈 行.钻孔压缩试样的制备过程：将各所选金属材 合对象，这种方法的优点在于保持了试样预制内 料加工成12mm×12mm圆柱体，在圆柱体端面 部裂纹的状态，使愈合处理是对真实的内部裂纹 中心部位钻2mm×7mm盲孔，在盲孔外端处攻 进行的.对所制备的16Mn钢钻孔压缩试样进行 高温热愈合处理.具体方法是将制备好的钻孔压 收稿日期：200505-23修回日期：2005-10-28 缩试样置于4kW的高温箱式电阻炉中，在1050 基金项目：国家自然科学基金(No.59889101):高等学校博士学 科点专项科研基金(No.20030008001):北京市优秀人才培养专项 ℃下分别保温30,60min.处理后的试样随炉冷 经费资助项目(No.20041D0101109) 却至室温， 作者简介：张永军(1969一)，男，在站博士后，高级工程师，博士第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 比 《褪汀 幼 钢内裂纹愈合 区域的微观分析 张永 军‘ ， 韩 静涛‘ 任 秀平 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 首钢技术研究院 ， 北京 赵 中里 ‘ 冶金工业信息标准研究院 ， 北京 摘 要 对经过热愈合处理 的 钻孔压缩试样 的内裂纹愈合形 态 、 愈合区域组织结构 、 显微硬 度进行 了测试与分析 扫描 电镜分析结果显示 ， 愈合区 内精细组织 主要为铁 素体 ， 并存在许多大小 为几百纳米级的多边 晶块 维 氏硬度测试结果显 示 ， 出现 在愈合 区铁素体组织 的维 氏硬度高于 基 体 区铁素体组织 ， 其可能原 因是愈合区 中出现 的多边 晶块结构所引发的强化 关键词 金属 内裂纹 愈合 精细组织 分类号 · 金属材料的失效 间题 一直是世界各国专家学 者关注 的热点 问题 金属 材料 主要 失效方式 为断 裂 、 腐蚀和 磨损 断裂虽不是 一个可逆 的过 程 ， 但 裂纹很 小时 ， 对材料进行高温热处理 ， 通过热激 活 使两个裂纹面 上 的原子 处 于 相互 作用 的 区域 内 ， 有可能 实现 裂 纹 的愈 合 对 于 金属 材料而 言 ， 内 裂纹愈合机理 是扩散 导 致 的热 愈 合 ， 人 们正 是 基 于该机理进行着 内裂纹 的愈合研 究〔 ‘ 一 金属材料因其不透 明性很难对 内裂纹愈合区 域进行原位检 测分析 ， 因此 只能 采 用剖分 观 察的 方法来研究 内裂纹 的愈合效果 本文对 愈合后 的 钻孔压缩试样 进 行轴 向剖分 ， 对试 样 剖分面 上 的 愈合区域进行 了裂纹愈合形 态 、 组织结构 、 显微硬 度进行 了测试与分析 利用扫描 电镜对 对 剖分 面 上 的裂纹愈合 区域进 行 了低倍组 织 、 高倍 组 织 和 精细组织观察 利用 显 微硬 度仪 对 愈合 区域进 行 了维 氏硬度测量 愈合实验 采用钻 孔 压 缩 法 川 在 金 属 试 样 中制 备 出形 态 、 位置可预知的 内裂纹 ， 以保证研究工作顺利进 行 钻孔 压缩试 样 的制备过 程 将各所选金 属 材 料加工成 小 火 圆柱体 ， 在圆柱体端面 中心部位钻 似 盲孔 ， 在盲孔外端处 攻 收稿 期 习 一 修回 日期 一 一 荃金项 目 国家 自然 科学 基 金 高等学校博士 学 科点专项科研基金 北京市优秀人才培养专项 经费资助项 目 加 作者简介 张永军 一 ， 男 ， 在站博士后 ， 高级工程师 ， 博士 丝得到 螺 纹 ， 剔 除盲 孔 内残 屑 ， 用 丙 酮 和 无 水 乙 醇 清 洗 后 晾干 ， 分别 用 同材 质的 螺钉封堵盲孔 外端 ， 并采 用 氢 弧 焊将盲孔 外端焊 封 这样在 圆柱 体 试 样 内部形 成 一 个 似 ， 长 度为 的密闭孔腔 将该 圆柱 体试样 加 热到 ℃ 后 ， 在 材料 实验 机 上 ， 以 · 一 ’的压下 速 度进行 压 下 量 为 的压 缩 变 形 ， 得到高度为 的鼓形 试 样 ， 压缩 结束后 空冷试样 这样试样 内部就会存在 因密 闭孔腔 被 压扁而带来的内裂纹 对采用这种方法制备的含 有 内部裂纹 的试样被称为钻孔压缩试样 图 显示 了采用上述方法所制备的钻孔压缩 试样 由图可 见 ， 在 试 样 内部 预 制 出 了 由 孔洞 闭合而形 成的一次 内裂纹及在其周边 出现 的 呈放射状 的二次微 内裂纹 尤 以一 次裂纹 的两端 最为明显 如 图 所示 由于钻孔压缩法是采用 压缩变形 ， 使预 置 在试 样 内的圆柱 型 孔 洞 发 生 闭 合而制成 因此 ， 试样在压缩变形过程 中 ， 孔洞 的 端部变形 较孔洞 中部大 ， 组织 沿变形 方 向延长 ， 如 图 本文所进行的热愈合实验是 以整个试样为愈 合对象 这种方法 的优点在于保持 了试样预制 内 部裂纹 的状态 ， 使愈合处 理 是 对 真实 的 内部裂纹 进行 的 对所制备的 钢钻孔 压 缩试 样 进 行 高温热愈合处理 具体方法是将制备好 的钻孔压 缩试样置于 的高 温 箱式 电阻 炉 中 ， 在 ℃ 下分别保温 ， 处理 后 的试 样 随炉 冷 却至 室温 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．02．030