第8期 段桂花等：铁素体和珠光体含量影响变形过程的原位研究 ·1037· 布的韧窝区，如图5(b)中的浅亮色区域，这与变形 也伴有一些准解理区，这与不连续微裂纹贯穿珠光 主要沿先共析铁素体形核、扩展相对应；同时断口上 体时相对应. 4 20KU 16 012 图5扫描电镜拉伸试样断口形貌.(a)纯净钢（厚度1.0mm)：(b)车轮钢（厚度0.5mm) Fig.5 SEM micrographs of fracture surfaces:(a)pure HSS sample with 1.0 mm thickness;(b)wheel steel sample with 0.5 mm thickness 由此可见，无论是纯净钢还是车轮钢，当试样很 程遵循延性断裂机制.这一断裂过程并不受试样厚 薄时（平面应力状态），厚度不满足平面应变条件， 度的影响 即使材料中的韧性相（先共析铁素体）很少，变形也 尽管车轮钢中先共析铁素体含量很少，但对于 首先发生在其中，并通过这些韧性相的局部塑性导 厚度为0.5mm的试样，无论是加载的初始阶段 致开裂而形成微裂纹，从而在断口上出现韧性特征. (图4(a))还是主裂纹形成后（图4(c)),变形也是 2.6两种钢变形特点对比 首先发生在先共析铁素体上，形成不连续的形变带 由于组成相的化学成分和结构不同，先共析铁 一般认为，孔洞的形核是局部塑性变形不协调的结 素体和珠光体的弹性模量不一样，这样外部施加一 果，在较低的外载荷，即较低的主应变下，局部塑性 定的应力时在两个相内会产生不同的应变，从而导 变形就达到临界值，从而导致孔洞形核☒.由于珠 致界面处形变不协调，通过形成微裂纹加以释放. 光体与铁素体的变形能力差异巨大，在界面处形变 纯净钢的本质是碳在aFe中的固溶体即铁素 不协调而使得主应变达到临界值因而产生开裂，造 体，拥有bcc结构，具有多个易开动的滑移系，因而 成裂纹不连续形核和扩展的特点.这与车轮钢厚试 易变形，强度低.渗碳体是一种具有复杂结构的铁 样的加载开裂特征不同.笔者以前的工作表 碳间隙化合物，一般以Fe,C来表示.它具有很高的 明1,1)，对于厚度为30mm的车轮钢楔形加载 硬度，但塑性几乎为零 (wedge-open-oad,WOL)试样，断口绝大部分呈现 对于纯净钢试样，拉伸时缺口顶端有应力集中， 解理特征，只有很少部分有韧性撕裂特征，如图6， 此处的铁素体晶粒首先被拉长产生变形，晶粒内的 而解理特征的断口只有珠光体中的渗碳体开裂才会 位错滑移并运动到晶界处.有文献表明，拉伸时缺 出现.这表明对于厚试样，裂纹形核和扩展主要沿 口试样的最大主应变在缺口根部，如Lee等☒对 珠光体（或渗碳体界面）片层发生，材料中含有的少 1095钢测量了缺口半径为0.59mm试样缺口根部 量先共析铁素体在满足平面应变的条件下，不会优 的最大主应变，发现孔洞开始形核时对应的缺口根 先变形.由此看来，断口的形貌与试样的厚度密切 部最大主应变为0.13，裂纹开始形核对应的值为 相关. 0.36,它们和缺口曲率半径无关.沿试样中截面剖 为了进行验证，本文对于厚度为5mm的纯净钢 开后抛光侵蚀，发现孔洞优先沿特征滑移带形核. 试样拉伸后的断口也进行观察，结果与1mm厚试样 当位错滑移累积到一定程度后发生开裂（如图3(d) 相同，也是韧窝状断口.这是可以理解的，因为纯净 中C2),形成微裂纹.进一步加大载荷，会使得已 钢的主要组成相是铁素体，无论试样的厚度多大，满 形成的裂纹尖端处应力集中更大，从而形成裂纹连 足平面应变与否，拉伸时都是铁素体相滑移变形，积 续扩展的模式.当裂纹扩展路径上有珠光体时，珠 累到一定程度开裂，因而出现韧窝断口. 光体只能被动地随着周围铁素体而变形或剪切破 因此，当试样很薄时（平面应力条件），无论是 碎0，对整个裂纹扩展过程没有影响，因而断裂过 以珠光体组织为主的车轮钢，还是以铁素体组织为第 8 期 段桂花等: 铁素体和珠光体含量影响变形过程的原位研究 布的韧窝区，如图 5( b) 中的浅亮色区域，这与变形 主要沿先共析铁素体形核、扩展相对应; 同时断口上 也伴有一些准解理区，这与不连续微裂纹贯穿珠光 体时相对应． 图 5 扫描电镜拉伸试样断口形貌． ( a) 纯净钢( 厚度 1. 0 mm) ; ( b) 车轮钢( 厚度 0. 5 mm) Fig． 5 SEM micrographs of fracture surfaces: ( a) pure HSS sample with 1. 0 mm thickness; ( b) wheel steel sample with 0. 5 mm thickness 由此可见，无论是纯净钢还是车轮钢，当试样很 薄时( 平面应力状态) ，厚度不满足平面应变条件， 即使材料中的韧性相( 先共析铁素体) 很少，变形也 首先发生在其中，并通过这些韧性相的局部塑性导 致开裂而形成微裂纹，从而在断口上出现韧性特征． 2. 6 两种钢变形特点对比 由于组成相的化学成分和结构不同，先共析铁 素体和珠光体的弹性模量不一样，这样外部施加一 定的应力时在两个相内会产生不同的应变，从而导 致界面处形变不协调，通过形成微裂纹加以释放． 纯净钢的本质是碳在 α-Fe 中的固溶体即铁素 体，拥有 bcc 结构，具有多个易开动的滑移系，因而 易变形，强度低． 渗碳体是一种具有复杂结构的铁 碳间隙化合物，一般以 Fe3C 来表示． 它具有很高的 硬度，但塑性几乎为零． 对于纯净钢试样，拉伸时缺口顶端有应力集中， 此处的铁素体晶粒首先被拉长产生变形，晶粒内的 位错滑移并运动到晶界处． 有文献表明，拉伸时缺 口试样的最大主应变在缺口根部，如 Lee 等［12］ 对 1095 钢测量了缺口半径为 0. 59 mm 试样缺口根部 的最大主应变，发现孔洞开始形核时对应的缺口根 部最大主应变为 0. 13，裂纹开始形核对应的值为 0. 36，它们和缺口曲率半径无关． 沿试样中截面剖 开后抛光侵蚀，发现孔洞优先沿特征滑移带形核． 当位错滑移累积到一定程度后发生开裂( 如图 3( d) 中 C2 ) ，形成微裂纹［8］． 进一步加大载荷，会使得已 形成的裂纹尖端处应力集中更大，从而形成裂纹连 续扩展的模式． 当裂纹扩展路径上有珠光体时，珠 光体只能被动地随着周围铁素体而变形或剪切破 碎［9--10］，对整个裂纹扩展过程没有影响，因而断裂过 程遵循延性断裂机制． 这一断裂过程并不受试样厚 度的影响． 尽管车轮钢中先共析铁素体含量很少，但对于 厚度 为 0. 5 mm 的 试 样，无 论 是 加 载 的 初 始 阶 段 ( 图 4( a) ) 还是主裂纹形成后( 图 4( c) ) ，变形也是 首先发生在先共析铁素体上，形成不连续的形变带． 一般认为，孔洞的形核是局部塑性变形不协调的结 果，在较低的外载荷，即较低的主应变下，局部塑性 变形就达到临界值，从而导致孔洞形核［12］． 由于珠 光体与铁素体的变形能力差异巨大，在界面处形变 不协调而使得主应变达到临界值因而产生开裂，造 成裂纹不连续形核和扩展的特点． 这与车轮钢厚试 样的加载开裂特征不同． 笔 者 以 前 的 工 作 表 明［11，13］，对于 厚 度 为 30 mm 的车轮钢楔形加载 ( wedge-open-load，WOL) 试样，断口绝大部分呈现 解理特征，只有很少部分有韧性撕裂特征，如图 6， 而解理特征的断口只有珠光体中的渗碳体开裂才会 出现． 这表明对于厚试样，裂纹形核和扩展主要沿 珠光体( 或渗碳体界面) 片层发生，材料中含有的少 量先共析铁素体在满足平面应变的条件下，不会优 先变形． 由此看来，断口的形貌与试样的厚度密切 相关． 为了进行验证，本文对于厚度为 5 mm 的纯净钢 试样拉伸后的断口也进行观察，结果与 1 mm 厚试样 相同，也是韧窝状断口． 这是可以理解的，因为纯净 钢的主要组成相是铁素体，无论试样的厚度多大，满 足平面应变与否，拉伸时都是铁素体相滑移变形，积 累到一定程度开裂，因而出现韧窝断口． 因此，当试样很薄时( 平面应力条件) ，无论是 以珠光体组织为主的车轮钢，还是以铁素体组织为 · 7301 ·