·1542· 工程科学学报，第39卷，第10期 3试验结果与讨论 35 30 3.1氧化铁皮的组成 图3为通过X射线衍射仪分析Q235-A试样的物 25 相组成.X射线衍射仪分析的结果表明，氧化铁皮物 20 相组成主要为Fe,O,、Fe,0,和Fe,其中含有少量的 Fe0,此结果与张清东等Chen与Yeum2及顾其德 10 等[2研究结果接近. 3000 I-Fe 2500 0-fe,0, 060620040.060.080.100.120.140.160.180.200.22 M-Fe,0 应变% 2000 M N-Fe0 图5氧化铁皮应变一裂纹条数曲线 1500 N Fig.5 Strain-crack curve of the oxide scale 1000 续增加，裂纹条数开始增多，在0.05%~0.07%范围 500 内裂纹条数增加较为缓慢，且出现位置无规律性，裂纹 间距大小不一，如图6(a)和6(b)所示.应变达到 40 60 80 I00 0.08%~0.10%范围时，随应变增加裂纹条数急刷增 20) 多，裂纹方向大致与拉伸方向垂直且平行度较好，如图 图3氧化铁皮的物相分析 6(c)和图6(d)所示.当应变超过0.10%后，随应变增 Fig.3 Phase composition of the oxide scale 加裂纹条数变化不大，且裂纹间距趋于均匀，如图6 3.2氧化铁皮的截面观察 (d)和图6(e)所示.当应变超过0.15%后，试样裂纹 图4为通过扫描电子显微镜观察Q235-A氧化铁 条数几乎不再增加，达到饱和状态，如图6(e)和图6 皮截面形貌图.从氧化铁皮的截面形貌可以看出：热 ()所示 轧带钢表面形成的氧化铁皮连续致密，厚度比较均匀， 图7为通过扫描电子显微镜观察氧化铁皮裂纹的 约为l0μm,并无明显分层，说明存在明显的Fe0,/Fe 微观形貌图.从微观形貌图可以看出，裂纹宽度均为 共析组织，氧化层中FeO会发生4Fe0=Fe,O,+Fe的 2.5μm,纹路工整，裂纹内散布着开裂时剥落的碎屑. 共析转变[21-2] 3.4氧化铁皮开裂规律性分析 常温张力作用下金属材料的断裂失效行为目前主 试样保护层 要有两种观点 断裂力学学者们认为，材料内部存在微观缺陷并 -氧化铁皮 在外力下的生长产生裂纹，临界应力σ，达到式(1)的 基体组织 临界条件时，材料裂纹产生[2]： 2Ey (1) 7 其中，E是弹性模量，Y是表面能，c为材料原始微观裂 图4氧化铁皮截面形貌 纹长度的一半 Fig.4 Cross-section morphology of the oxide scale Evans()、Robertson与Manning()、Nagl与Ev- 3.3氧化铁皮的拉伸开裂行为 ans]对氧化铁皮开裂的研究均基于上述公式. 利用4XB-TV型金相显微镜观测各试样表面裂 带钢表面氧化层分布相对均匀、致密，然而不可避 纹，在图样中心位置宽度为500μm区域统计裂纹条 免的存有微观缺陷，初生裂纹及随后增加的裂纹的产 数.图5为本实验各试样裂纹条数随应变变化关系 生，是氧化层内部缺陷在外界张力下生长导致的.由 图，图6为不同应变下氧化层开裂微观形貌. 式(1)可知，最大缺陷位置处产生初生裂纹，较小的缺 初始试样观测没有发现任何裂纹，随着张力增加 陷处随应变增加随后开裂，缺陷位置的随机性导致这 试样表面氧化铁皮裂纹条数增加呈先慢，后快，再慢的 些裂纹出现位置无任何规律性 规律.当应变为0.05%时，试样表面氧化层开始出现 材料力学学者们则基于材料均匀无缺陷，认为脆 裂纹（同时出现两条），如图6(a)所示.随着应变的继 性材料的应变e达到其临界值ε时材料断裂失效[2].工程科学学报,第 39 卷,第 10 期 3 试验结果与讨论 3郾 1 氧化铁皮的组成 图 3 为通过 X 射线衍射仪分析 Q235鄄鄄A 试样的物 相组成. X 射线衍射仪分析的结果表明,氧化铁皮物 相组成主要为 Fe3 O4 、 Fe2 O3 和 Fe,其中含有少量的 FeO,此结果与张清东等[17] 、Chen 与 Yeun [21] 及顾其德 等[22]研究结果接近. 图 3 氧化铁皮的物相分析 Fig. 3 Phase composition of the oxide scale 3郾 2 氧化铁皮的截面观察 图 4 为通过扫描电子显微镜观察 Q235鄄鄄A 氧化铁 皮截面形貌图. 从氧化铁皮的截面形貌可以看出:热 轧带钢表面形成的氧化铁皮连续致密,厚度比较均匀, 约为 10 滋m,并无明显分层,说明存在明显的 Fe3O4 / Fe 共析组织,氧化层中 FeO 会发生 4FeO = Fe3O4 + Fe 的 共析转变[21鄄鄄22] . 图 4 氧化铁皮截面形貌 Fig. 4 Cross鄄section morphology of the oxide scale 3郾 3 氧化铁皮的拉伸开裂行为 利用 4XB鄄鄄TV 型金相显微镜观测各试样表面裂 纹,在图样中心位置宽度为 500 滋m 区域统计裂纹条 数. 图 5 为本实验各试样裂纹条数随应变变化关系 图,图 6 为不同应变下氧化层开裂微观形貌. 初始试样观测没有发现任何裂纹,随着张力增加 试样表面氧化铁皮裂纹条数增加呈先慢,后快,再慢的 规律. 当应变为 0郾 05% 时,试样表面氧化层开始出现 裂纹(同时出现两条),如图 6(a)所示. 随着应变的继 图 5 氧化铁皮应变—裂纹条数曲线 Fig. 5 Strain鄄crack curve of the oxide scale 续增加,裂纹条数开始增多,在 0郾 05% ~ 0郾 07% 范围 内裂纹条数增加较为缓慢,且出现位置无规律性,裂纹 间距大小不一,如图 6 ( a) 和 6 ( b) 所示. 应变达到 0郾 08% ~ 0郾 10% 范围时,随应变增加裂纹条数急剧增 多,裂纹方向大致与拉伸方向垂直且平行度较好,如图 6(c)和图 6(d)所示. 当应变超过 0郾 10% 后,随应变增 加裂纹条数变化不大,且裂纹间距趋于均匀,如图 6 (d)和图 6(e)所示. 当应变超过 0郾 15% 后,试样裂纹 条数几乎不再增加,达到饱和状态,如图 6 ( e) 和图 6 (f)所示. 图 7 为通过扫描电子显微镜观察氧化铁皮裂纹的 微观形貌图. 从微观形貌图可以看出,裂纹宽度均为 2郾 5 滋m,纹路工整,裂纹内散布着开裂时剥落的碎屑. 3郾 4 氧化铁皮开裂规律性分析 常温张力作用下金属材料的断裂失效行为目前主 要有两种观点. 断裂力学学者们认为,材料内部存在微观缺陷并 在外力下的生长产生裂纹,临界应力 滓f达到式(1)的 临界条件时,材料裂纹产生[23] : 滓f = 2E酌 仔c . (1) 其中,E 是弹性模量,酌 是表面能,c 为材料原始微观裂 纹长度的一半. Evans [13] 、 Robertson 与 Manning [14] 、 Nagl 与 Ev鄄 ans [15]对氧化铁皮开裂的研究均基于上述公式. 带钢表面氧化层分布相对均匀、致密,然而不可避 免的存有微观缺陷,初生裂纹及随后增加的裂纹的产 生,是氧化层内部缺陷在外界张力下生长导致的. 由 式(1)可知,最大缺陷位置处产生初生裂纹,较小的缺 陷处随应变增加随后开裂,缺陷位置的随机性导致这 些裂纹出现位置无任何规律性. 材料力学学者们则基于材料均匀无缺陷,认为脆 性材料的应变 着 达到其临界值 着c时材料断裂失效[24] . ·1542·