層狀納米晶低碳鋼板的力學(xué)性能與變形量關(guān)系研究

李德志 楊坤 張靜武

摘 要：層狀納米晶材料不僅具有納米材料的優(yōu)秀的物理性能，而且其內(nèi)生的弱界面對港版的力學(xué)性能有明顯變化，隨變形量的增加抗拉強(qiáng)度和硬度都顯著提高，通過掃描電鏡觀察，可以看到斷口明顯的分層狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：納米材料;層狀結(jié)構(gòu);力學(xué)性能;變形量

1.前言

近些年，低碳鋼作為重要的工程結(jié)構(gòu)材料，正在向細(xì)晶、超細(xì)晶、甚至納米晶的方向發(fā)展，細(xì)晶粒材料備受關(guān)注，是由于它優(yōu)秀的物理和力學(xué)性能，例如細(xì)晶粒鋼在低溫下，保持高強(qiáng)度同時(shí)還保持好延展性和塑性，是唯一一種強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的強(qiáng)化機(jī)制[1]。

本文對冷軋低碳鋼的力學(xué)性能進(jìn)行研究，這種低碳鋼在室溫下經(jīng)多道次大變形量軋制，板條馬氏體取向逐漸趨于一致，板條的寬度不斷減小，可以達(dá)到納米級，具有內(nèi)生層狀納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，對這種新型材料的力學(xué)性能的研究有重要意義。

2.實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料是典型的低碳鋼板（化學(xué)成分為C，0.12%;Si，0.04%;Mn，0.13%;P，0.01%;S，0.004%;Cr，0.48%;Mo，0.46%;V，0.04%），將實(shí)驗(yàn)鋼板加熱至900℃保溫，在10%的氯化鈉冰水淬火，得到板條馬氏體組織，然后在輥鍛機(jī)上進(jìn)行同方向多道次軋制。冷軋時(shí)，分別按照60%、70%和80%取樣。根據(jù)緊湊拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)制成拉伸試樣，尺寸如圖1所示。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 原始冷軋組織

該實(shí)驗(yàn)用鋼具有相同的化學(xué)成分的低碳鋼的組織為退火鐵素體和珠光體，淬火后主要為馬氏體，圖2可以看出該實(shí)驗(yàn)鋼板經(jīng)冷軋后馬氏體板條取向趨于一致，基本達(dá)到平行排列（圖2a），表面則形成薄餅狀晶粒（圖2b）。

3.2 力學(xué)性能

經(jīng)冷軋后的試樣，其靜載拉伸曲線沒有明顯的屈服，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到，三種變形量試樣的拉伸強(qiáng)度與變形量的關(guān)系曲線（如圖3所示）?？估瓘?qiáng)度和硬度都隨變形量的增加而增加，80%變形試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1524.1MPa，HRC硬度為55，明顯高于普通Q235鋼。

3.3? 變形量對力學(xué)性能的影響

對于板條組織的馬氏體體鋼，有人證實(shí)，斷裂強(qiáng)度與板條束寬的平方根成反比，其表達(dá)式為[2]：

其中（2rs+rp）—有效界面能，dp—板條束寬度。這個(gè)公式說明減小馬氏體的寬度能提高裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力，使金屬材料的脆性降低。低碳鋼在淬火后形成板條馬氏體，如圖4是不同變形量試樣側(cè)面的TEM像，可以看出這些板條馬氏體經(jīng)多道次冷軋后，板條沿軋面和軋向近似平行排列，多數(shù)相鄰板條間存在較大的位相差。隨變形量的增加馬氏體板條的寬度逐漸減小，變形量為60 %、70 %和80 %的平均板條寬度分別為187 nm、132 nm和78 nm;板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是位錯(cuò)，位錯(cuò)被界面所束縛。{110}織構(gòu)的強(qiáng)度加強(qiáng)，材料的抗拉強(qiáng)度也隨著增加[3]。

3.4 斷口分析

靜載拉伸后對80%變形試樣的斷口進(jìn)行觀察（圖5），出現(xiàn)明顯的分層，這是由于其內(nèi)生層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。

4.結(jié)論

低碳鋼經(jīng)淬火-不同變形量冷軋后，形成層狀晶粒，經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：三種變形量試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度隨變形量的增加而增加。

參考文獻(xiàn)

[1]翁宇慶.超細(xì)晶鋼理論及技術(shù)發(fā)展.鋼鐵，2005，40（3）：1-8

[2]束德林.金屬力學(xué)性能.機(jī)械工業(yè)出版社：1986

[3]X.Zhao，T.F.Jing，Y.W.Gao，G.Y.Qiao，J.F.Zhou，W.Wang.Annealing behavior of nano-layered steel produced by heavy cold-rolling of lath martensite.Materials Science and Engineering：A，397（2005）：117–121