金屬材料裂紋自愈合的熱處理試驗方法及結果分析

摘 "要：該文探究不同熱處理方式對金屬材料內部裂紋自愈合的影響。選擇20鋼和45鋼這2種材料，采用鉆孔壓縮法制作內部帶有裂紋的試件。試驗設有2個變量，分別是加熱溫度（800、850、900、950和1 000 ℃）和保溫時間（30、45、60 min），對比不同加熱溫度和不同保溫時間下，試件內部裂紋的自愈合情況。結果表明，加熱溫度越高，保溫時間越長，內部裂紋的自愈合效果越好。在加熱至1 000 ℃、保溫時間為60 min的情況下，原裂紋已經完全消失，實現裂紋的自愈合。

關鍵詞：裂紋自愈合；熱處理；金相觀察；20鋼；45鋼

中圖分類號：TB301 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0059-04

Abstract：

This paper investigates the effect of different heat treatment methods on the self-healing of internal cracks in metallic materials. Two kinds of materials， 20 steel and 45 steel， are selected， and the specimens with internal cracks are made by drilling compression method. There were two variables in the experiment， namely heating temperature （800，850，950，950，1 000 ℃） and holding time （30， 45， 60 min）. The self-healing of internal cracks was compared under different heating temperature and different holding time. The results show that the higher the heating temperature is and the longer the holding time is， the better the self-healing effect of internal cracks is. Under the condition of heating to 1000 ℃ and holding time of 60 min， the original crack has disappeared completely and the crack self-healing has been realized.

Keywords： crack self-healing; heat treatment; metallographic observation; 20 steel; 45 steel

自愈合（Self-healing）是材料能夠主動從周圍環境中吸收、轉化能量，使自身存在的裂紋愈合的一種現象。材料裂紋自愈合是現階段材料智能化研究領域的熱門課題，目前金屬材料的裂紋自愈合方式有多種，例如高溫加熱法、微波加熱法等。20鋼和45鋼是工業和制造業領域常用的2種材料，探究金屬材料內部裂紋自愈合的熱處理技術，對工業和制造業向高端轉型和實現健康發展有積極幫助。

1 "金屬材料裂紋自愈合的熱處理試驗

1.1 "試驗材料與設備

本次試驗中使用的材料主要有20鋼、45鋼。2種材料中主要元素的質量百分數見表1。

表1 "2種試驗材料的化學成分 " " " " "（%）

本次試驗中使用到的儀器設備有SX2-4-10熱處理爐、Z512B臺式鉆床、BX6-315交流弧焊機及PMG-3金相顯微鏡等。

1.2 "制作含內部裂紋的試樣

本試驗采用鉆孔壓縮法制作含內部裂紋的試驗，具體加工方法：選擇某一種類型的試驗材料，將其加工成直徑為30 mm、高度為25 mm的圓柱體；然后使用Z512B臺式鉆床，在該圓柱體的中心處鉆孔，孔徑為2 mm，孔深為10 mm。鉆完孔后，使用棉簽蘸取丙酮和無水乙醇清潔鉆孔，在干燥以后選取一根直徑為2 mm、長度為5 mm的低碳鋼銷釘插入鉆孔內。使用手工電弧焊將銷釘與試樣焊接成為整體，從而得到一個內部有5 mm圓形孔的圓柱試樣，如圖1所示。

將制得的空心圓柱體進行加熱，在200 ℃環境下保溫30 min后，將其轉移到WE-300B型液壓萬能材料試驗機上，設定加載速度為0.5 m/s，設定加工方式為自由鐓粗，加工后自然放冷，即可得到含有內部裂紋的試樣。

在鐓粗加工環節，鐓粗的壓下量不同，內部孔洞產生的裂紋尺寸也會有明顯差異。如果壓下量偏多，可能導致孔洞完全壓合，后期無法自愈合；相反，如果壓下量偏少，則難以形成裂紋。在本次試驗中，采取了遞增法尋找最佳的壓下量。準備4個加熱處理后的試樣，按照壓下量為15%、20%、25%和30%分別進行鐓粗，然后沿中軸線剖開，觀察4個試樣內部裂紋的形成情況。對比發現，當壓下量為25%時，孔洞變形產生的裂紋寬度在1.0～1.5 μm之間，可以在高溫處理下實現自愈合。

1.3 "裂紋自愈合處理工藝

裂紋自愈合的熱處理工藝見表2。

表2 "金屬材料裂紋自愈合的熱處理參數

如表2所示，在金屬材料內部裂紋的自愈合處理中，設有5組熱處理，初始加熱溫度為800 ℃，溫度增量為50 ℃，通過橫向對比判斷不同加熱溫度對金屬材料內部裂紋愈合情況的影響。同時，每一種加熱條件下還設有3個保溫時間，目的是判斷不同保溫時間對金屬材料內部裂紋愈合情況的影響。以加熱溫度1 000 ℃為例，首先將SX2-4-10熱處理爐的溫度升高到1 000 ℃，然后將準備好的9個試樣放入爐內，保溫30 min后，隨機取出3個試樣，放于實驗室內自然冷卻；剩余6個試樣繼續在爐內1 000 ℃環境下保溫，在第45分鐘時，再取出3個試樣，按照同樣的方式冷卻；最后在第60分鐘時，將剩余的3個取出并冷卻[1]。按照上述試驗處理方案，每一種材料需要準備45個試樣。

1.4 "試樣的金相觀察

按照上述試驗操作流程完成試樣的熱處理后，將自然冷卻至室溫的試樣放于DK7735線切割機上，沿著試樣的中軸線進行切割。使用M7120平面磨床打磨試樣的剖面，完成拋光后用毛刷蘸取適量體積分數為5%的硝酸酒精在拋光面上均勻涂抹2～3遍。等到表面干燥后，將處理后的試樣轉移到PMG-3金相顯微鏡下，觀察內部裂紋的愈合情況，并拍攝金相照片，使用該照片與試驗所得照片做對比。

2 "金屬材料裂紋自愈合試驗結果

2.1 "20鋼內部裂紋自愈合處理結果及分析

2.1.1 "不同溫度對裂紋自愈合的影響

選取了20鋼在加熱溫度為800、850、900和1 000 "℃，保溫時間為60 min，冷卻至室溫后的金相照片，如圖2所示。

觀察加熱至800 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫的20鋼金相照片（圖2（a）），可以發現內部裂紋并無愈合的跡象。另外，裂紋機體組織仍然保持拉長的晶粒，未發生再結晶。

觀察加熱至850 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫的20鋼金相照片（圖2（b）），可以發現內部裂紋形態開始發生一定的改變，原來呈連續狀態的裂紋，局部發生了愈合，使得長裂紋呈間斷狀態，說明在此處理條件下裂紋開始愈合。另外，裂紋機體晶粒為等軸狀分布，這一變化說明了機體已經再結晶。

觀察加熱至900 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫的20鋼金相照片（圖2（c）），可以發現裂紋區域的變化更加明顯。隨著加熱溫度的升高、保溫時間的延長，斷續狀裂紋的長度進一步變短，從條狀逐漸變成了點狀，說明裂紋愈合效果增強。在原來裂紋痕跡處，只留下零散分布的幾個小孔洞。此外，受到裂紋機體再結晶的影響，在原裂紋分布的區域出現了大量細晶粒帶（愈合帶）[2]。

將20鋼加熱至1 000 ℃、保溫60 min后冷卻至室溫（圖2（d）），小孔洞完全消失，原來裂紋分布的區域只留下一條白色的細晶粒帶。

2.1.2 "不同保溫時間對裂紋自愈合的影響

本次試驗中，對比了不同保溫時間對金屬材料內部裂紋自愈合的影響。以加熱溫度900 ℃為例，將保溫時間從30 min分別延長至45 min、60 min，裂紋的寬度和長度均有不同程度的縮小，說明適當增加保溫時間，對裂紋自愈合也有積極影響。

2.1.3 "愈合帶組織成分變化

綜合對比還發現，加熱溫度與愈合帶的寬度呈反比，即加熱溫度從800 ℃升高至1 000 ℃，保溫時間不變，愈合帶的寬度收窄。分析其原因，在加熱溫度升高以后，微觀結構上原子的擴散速度進一步加快，在裂紋邊緣、靠近機體的區域，晶粒變大、變長，并逐漸與機體晶粒保持一致；但是在裂紋中心區域，晶體的長度、體積無法變大，仍然為細小晶粒，與機體晶粒之間的差異明顯。溫度越高，變大、變長的晶體數量越多，相應的由細小晶粒組成的愈合帶越窄。有研究表明，當20鋼的加熱溫度達到1 200 ℃、保溫時間達到60 min，愈合帶將會完全消失，表明裂紋也實現了完全愈合[3]。

2.2 "45鋼內部裂紋自愈合處理結果及分析

2.2.1 "不同溫度對裂紋自愈合的影響

選取了45鋼在加熱溫度為800、850、900 ℃，保溫時間為60 min，冷卻至室溫后的金相照片，如圖3所示。

觀察圖3（a），與室溫下45鋼的金相照片進行對比，可以發現裂紋寬度雖然略有縮小，但是整體上仍然保持了連續狀態。同時，裂紋區域內的組織與周邊機體組織也有明顯的差異，表現出共析鐵素體的帶狀特征。分析其原因，45鋼裂紋周邊有良好的應變能力，在高溫環境下為共析鐵素體的形成提供了有利條件。

觀察圖3（b），可以發現原來連續狀的裂紋，在尾部已經開始出現斷裂，并且出現了與20鋼愈合時相同的愈合帶，這一現象表明在該處理條件下45鋼也開始愈合。愈合最先發生在裂紋寬度最小的尾部，隨后依次向中部、端部延伸。45鋼在加熱至850 ℃時，機體已經呈現魏氏組織形貌，而20鋼則需要加熱至1 000 ℃才會出現此狀況，分析認為這一差異的出現與45鋼的AC-3溫度低于20鋼有關。

觀察圖3（c），可以發現裂紋已經由短裂紋變成了圓形孔洞，說明愈合程度進一步提高。

從整體變化規律上來看，45鋼從800 ℃升高至1 000 ℃的內部裂紋變化，與20鋼基本一致。即隨著加熱溫度的升高，愈合帶收窄，從細長而連續的裂紋，逐漸變成斷裂的小裂紋，再變成小的圓形孔洞，最后完全消失。在升溫過程中，裂紋愈合區域的組織成分也發生了變化，逐漸與周圍機體的組織成分相同。

2.2.2 "不同保溫時間對裂紋自愈合的影響

3種保溫時間下45鋼內部裂紋自愈合的規律，與20鋼基本一致，即同一加熱溫度條件下，隨著保溫時間的延長，裂紋自愈合效果越好。

2.2.3 "愈合帶組織成分變化

使用JEM-6700F掃描電子顯微鏡對45鋼裂紋愈合帶進行掃描并分析其成分，可以發現愈合帶處細晶粒的含碳量（相對能譜強度在6～8 μm之間）要明顯少于周圍集體組織的含碳量（相對能譜強度在12～18 μm之間）。但是細晶粒邊緣的含碳量極高，個別情況下相對能譜強度可以達到30 μm。根據這一分析結果，可以得出以下結論：45鋼愈合帶的細晶粒主要成分為鐵素體，并且鐵素體的含量較高。細晶粒的邊緣部位主要成分是含碳量更高且具有放射性特征的珠光體，因此相對能譜強度明顯高于其他區域[4]。

3 "金屬材料內部裂紋自愈合的機制分析

3.1 "裂紋自愈合的驅動力

相比于無裂紋的金屬材料，裂紋帶來的晶格畸變、錯位等微觀結構上的變化，會使系統的自由能產生一個增量。這樣一來，為了保證能量守恒，系統必須要通過其他途徑降低自由能，而裂紋愈合則是一種最有效的途徑。從這一點來看，裂紋帶來的系統自由能的增量，是裂紋自愈合的驅動力。為了讓裂紋實現自愈合，需要提供外界能量，并且要求外界能量產生的驅動力大于裂紋愈合的阻力，才能達到愈合的目的。能夠提供這種驅動力的外界能量有多種，例如熱量、脈沖電流等。以本文研究為例，當加熱溫度在800 ℃時，產生的驅動力小于裂紋愈合的阻力，因此裂紋沒有愈合；當加熱溫度升高至1 000 ℃后，熱量產生的驅動力大于裂紋愈合的阻力，因此裂紋愈合。需要注意的是，雖然升高溫度會加快裂紋自愈合的速度和效率，但在實際處理帶有內部裂紋的金屬材料時，一味升高加熱溫度也會導致操作成本的上漲，甚至當溫度升高到一定程度后，金屬材料還會熔化。因此，在金屬材料內部裂紋的自愈合處理中，選擇合適的臨界溫度至關重要。

3.2 "裂紋自愈合的機制

將內部含有裂紋的金屬材料視作獨立的封閉系統，那么在裂紋自愈合的熱處理中，封閉系統與外部環境之間只存在能量交換，而沒有發生物質交換。這種情況下金屬材料內部裂紋要想自動愈合，只能依靠原子擴散和結構變化來實現。其中，原子擴散為裂紋自愈合提供了物質基礎，而裂紋愈合帶的晶粒變長、變大，則是實現裂紋自愈合的主要機制[5]。結合前文試驗，在保溫時間一致的前提下，隨著加熱溫度的升高，金屬材料內部裂紋實現愈合大體可分為3個階段。

階段一：裂紋分隔。最初的細長條形裂紋從某個或多個位置斷開，形成多個斷續狀的短裂紋。

階段二：短裂紋愈合。尾部的裂紋最先愈合，然后中部和端部的裂紋也逐漸縮小，形成小孔洞。

階段三：孔洞進一步縮小，并且數量也逐漸減少，最終完全消失。

內部裂紋愈合的過程如圖4所示。

4 "結論

金屬材料在加工制作過程中，因為車間環境、材料特性、加工方法等因素的影響，不可避免地會產生一些微小的裂紋或空隙，通過熱處理的方式讓金屬材料內部的這些裂紋、空隙自動愈合，能夠有效提高材料整體強度，避免裂紋的進一步擴展，延長了材料的使用壽命。本文試驗表明，對于20鋼和45鋼這2種含碳量不同的鋼材，將其加熱至1 000 ℃、保溫60 min，可以讓內部的微小裂紋自動愈合，效果較好。

參考文獻：

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