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 ·1033· 比第二相更软，而对珠光体钢，则基体往往比第二相 620℃等温5h后粗加工，经870℃淬火后在500℃ (如先共析铁素体)更硬.钢的微观组织结构不同， 回火4h再精加工.车轮钢的主要力学性能为：屈服 变形断裂过程也不同.铁素体为单纯的体心立方结 强度σ.=575MPa,抗拉强度o=960MPa,延伸率 构，而珠光体由于是片层组织且有不同的取向，使得 8=25%,断裂韧性Kc=56.9MPam1n 其变形更加复杂.到目前为止，微结构（如铁素体的 从纯净钢的钢板上和车轮钢的轮辋部位，分别 含量及分布，珠光体的形貌及片层间距)对钢的服 切取带单边缺口的工字形板状拉伸试样，中心部分 役寿命的影响并不十分清楚，有必要研究拉伸或疲 尺寸为5mm×10mm,缺口深约2mm,缺口半径为 劳时裂纹形核、扩展和微结构的相关性.例如，对车 0.15mm.纯净钢试样的厚度约为1.0mm,车轮钢的 轮钢的原位观察表明，疲劳裂纹在先共析铁素体中 厚度为0.5mm. 形核并沿品界上网状铁素体扩展，疲劳裂纹往往受 金相组织观察前用5%硝酸乙醇溶液进行金相 阻于珠光体山.若如此，则降低或细化先共析铁素 侵蚀.拉伸试样用1200#水砂纸机械抛光后，再在 体将有助于提高车轮钢的抗开裂性能.国内外己有 5%高氯酸乙醇溶液中电解抛光.然后将试样夹持 很多人在扫描电镜下对各种材料进行了原位拉 在JSM5800型扫描电镜配备的TEOL动态拉伸台 伸，研究了不同材料局部塑性变形以及裂纹形 上，通过手动螺旋逐步加载，跟踪观察加载过程中的 核、扩展和组织结构的关系.本文将通过对含碳量 组织变形及裂纹的形核、扩展过程，并用二次电子像 较低的纯净高强厚板钢（以下简称纯净钢）和含碳 摄照.拉断后对试样断口进行观察.由于TEOL动 量较高的车轮钢的原位拉伸，揭示铁素体和珠光体 态拉伸台的加载能力最大为1.96N,而两种试样的 两种组织不同含量如何影响钢的变形和开裂过程. 强度不同，所以选取不同的试样厚度 对于缺口试样，应力场强度因子为K=σY√a. 1 实验材料和方法 式中σ为试样所受应力，MPa;Y为与裂纹形状、加 纯净钢的化学成分（质量分数)为：0.145%C, 载方式以及试样几何相关的因子：a为裂纹长度，m. 1.4%Mn,0.296%Si,0.001%P,0.005%S, 对于无限大试样中心贯穿裂纹，Y=√石，则K= 0.01%Cu,0.015%Nb,0.02%Ni,0.02%Cr,其 σ√Ta,K,和外加应力以及裂纹长度有关 余为F.采用一般的控制轧制工艺：先高温热轧，在 利用Hysitron公司的Tribolndenter”纳米压痕 板坯轧制到68mm的时候待温度降到900℃后，再 仪，对两种钢进行了微区硬度和模量测试 进行第二阶段轧制.纯净钢的主要力学性能：屈服 强度g.=338MPa,抗拉强度σb=520MPa,延伸率 2实验结果 6=22%,条件断裂韧性K0=53.7 MPa-m回. 2.1微观组织 车轮钢的成分（质量分数)为：0.62%C, 图1(a)为纯净钢和车轮钢的微观组织扫描电 0.29%Si,0.74%Mn,0.18%Cr,0.015%P, 镜(scanning electron microscopy,SEM)照片.可以 0.011%S,0.005%Al,其余为Fe.热轧车轮钢经 明显的看出，纯净钢以铁素体相为主，有少量的珠光 a (b) 10m 图1钢的微观组织扫描电镜像，灰黑色为铁素体或先共析铁素体，浅色为珠光体.()纯净钢：(b)车轮钢 Fig.1 SEM microstructures of test steels,which are all composed of pearlite (bright areas)and proeutectoid ferrite (dark gray regions):(a)pure HSS:(b)wheel steel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 比第二相更软，而对珠光体钢，则基体往往比第二相 ( 如先共析铁素体) 更硬． 钢的微观组织结构不同， 变形断裂过程也不同． 铁素体为单纯的体心立方结 构，而珠光体由于是片层组织且有不同的取向，使得 其变形更加复杂． 到目前为止，微结构( 如铁素体的 含量及分布，珠光体的形貌及片层间距) 对钢的服 役寿命的影响并不十分清楚，有必要研究拉伸或疲 劳时裂纹形核、扩展和微结构的相关性． 例如，对车 轮钢的原位观察表明，疲劳裂纹在先共析铁素体中 形核并沿晶界上网状铁素体扩展，疲劳裂纹往往受 阻于珠光体［1］． 若如此，则降低或细化先共析铁素 体将有助于提高车轮钢的抗开裂性能． 国内外已有 很多人在扫描电镜下对各种材料进行了原位拉 伸［2--11］，研究了不同材料局部塑性变形以及裂纹形 核、扩展和组织结构的关系． 本文将通过对含碳量 较低的纯净高强厚板钢( 以下简称纯净钢) 和含碳 量较高的车轮钢的原位拉伸，揭示铁素体和珠光体 两种组织不同含量如何影响钢的变形和开裂过程． 图 1 钢的微观组织扫描电镜像，灰黑色为铁素体或先共析铁素体，浅色为珠光体． ( a) 纯净钢; ( b) 车轮钢 Fig． 1 SEM microstructures of test steels，which are all composed of pearlite ( bright areas) and proeutectoid ferrite ( dark gray regions) : ( a) pure HSS; ( b) wheel steel 1 实验材料和方法 纯净钢的化学成分( 质量分数) 为: 0. 145% C， 1. 4% Mn，0. 296% Si，0. 001% P，0. 005% S， 0. 01% Cu，0. 015% Nb，0. 02% Ni，0. 02% Cr，其 余为 Fe． 采用一般的控制轧制工艺: 先高温热轧，在 板坯轧制到 68 mm 的时候待温度降到 900 ℃ 后，再 进行第二阶段轧制． 纯净钢的主要力学性能: 屈服 强度 σs = 338 MPa，抗拉强度 σb = 520 MPa，延伸率 δ = 22% ，条件断裂韧性 KIQ = 53. 7 MPa·m1 /2［12］． 车轮 钢 的 成 分 ( 质 量 分 数) 为: 0. 62% C， 0. 29% Si，0. 74% Mn，0. 18% Cr，0. 015% P， 0. 011% S，0. 005% Al，其余为 Fe． 热轧车轮钢经 620 ℃等温 5 h 后粗加工，经 870 ℃ 淬火后在 500 ℃ 回火 4 h 再精加工． 车轮钢的主要力学性能为: 屈服 强度 σs = 575 MPa，抗拉强度 σb = 960 MPa，延伸率 δ = 25% ，断裂韧性 KIC = 56. 9 MPa·m1 /2［13］． 从纯净钢的钢板上和车轮钢的轮辋部位，分别 切取带单边缺口的工字形板状拉伸试样，中心部分 尺寸为 5 mm × 10 mm，缺口深约 2 mm，缺口半径为 0. 15 mm． 纯净钢试样的厚度约为 1. 0 mm，车轮钢的 厚度为 0. 5 mm． 金相组织观察前用 5% 硝酸乙醇溶液进行金相 侵蚀． 拉伸试样用 1200 #水砂纸机械抛光后，再在 5% 高氯酸乙醇溶液中电解抛光． 然后将试样夹持 在 JSM 5800 型扫描电镜配备的 TEOL 动态拉伸台 上，通过手动螺旋逐步加载，跟踪观察加载过程中的 组织变形及裂纹的形核、扩展过程，并用二次电子像 摄照． 拉断后对试样断口进行观察． 由于 TEOL 动 态拉伸台的加载能力最大为 1. 96 N，而两种试样的 强度不同，所以选取不同的试样厚度． 对于缺口试样，应力场强度因子为 KI = σY a槡． 式中 σ 为试样所受应力，MPa; Y 为与裂纹形状、加 载方式以及试样几何相关的因子; a 为裂纹长度，m． 对于无限大试样中心贯穿裂纹，Y = 槡π，则 KI = σ 槡πa，KI 和外加应力以及裂纹长度有关． 利用 Hysitron 公司的 TriboIndenter 纳米压痕 仪，对两种钢进行了微区硬度和模量测试． 2 实验结果 2. 1 微观组织 图 1( a) 为纯净钢和车轮钢的微观组织扫描电 镜( scanning electron microscopy，SEM) 照片． 可以 明显的看出，纯净钢以铁素体相为主，有少量的珠光 · 3301 ·