關(guān)于高錳鋼加工硬化機(jī)理的幾個(gè)假說

關(guān)于高錳鋼加工硬化機(jī)理的幾個(gè)假說

1高錳鋼加工硬化的理論證據(jù)高錳鋼是在強(qiáng)影響的條件下，高強(qiáng)度、高彈性、良好耐候性的材料。從理論上解釋高錳鋼加工硬化現(xiàn)象還存在不少的疑點(diǎn),至今還沒有一種很完美、能得到各方面接受的理論來很好地解釋高錳鋼的加工硬化現(xiàn)象。下面將就這個(gè)問題做一些簡單的研究和探討。2高錳鋼的變形問題形變誘發(fā)馬氏體相變硬化假說認(rèn)為奧氏體高錳鋼加工硬化的原因是由于高錳鋼形變誘發(fā)高錳鋼中的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。由于兩者的體積不同,后者的體積較大產(chǎn)生了膨脹阻礙滑移面滑移引起的。1929年HALL用X-射線衍射分析證明奧氏體高錳鋼變形層中確實(shí)發(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的相變。同年KRIVOBOK提出了馬氏體會在奧氏體變形滑移帶上形成的觀點(diǎn)。但是后來DNICINOF在一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)對高錳鋼加工硬化現(xiàn)象進(jìn)行了研究,在高錳鋼形變后的加工硬化層中并沒有發(fā)現(xiàn)形變誘發(fā)的馬氏體存在,因而否定了奧氏體高錳鋼在變形過程中會發(fā)生馬氏體相變的觀點(diǎn)。文獻(xiàn)在研究高錳鋼中奧氏體的穩(wěn)定性與形變能力時(shí)提出奧氏體高錳鋼由于層錯能低,在形變過程中容易形成層錯,在層錯處會出現(xiàn)ε馬氏體或形成形變孿晶,但是并不容易出現(xiàn)α馬氏體,并且在形變后也沒有達(dá)到更高硬化程度。而文獻(xiàn)則認(rèn)為高錳鋼奧氏體有不同的轉(zhuǎn)變方式,既可以按γ→層錯→馬氏體→α馬氏體這種轉(zhuǎn)變方式轉(zhuǎn)變,γ也可以直接轉(zhuǎn)變成α馬氏體。究竟是按什么方式轉(zhuǎn)變的,關(guān)鍵在于高錳鋼的成份。通常10%～14%Mn,1%～1.4%C的錳鋼經(jīng)變形后只能出現(xiàn)層錯并發(fā)展成為形變孿晶或ε馬氏體,而不能出現(xiàn)α馬氏體。3高錳鋼的變形硬化層孿晶硬化假說認(rèn)為高錳鋼加工硬化是由于高錳鋼形變時(shí)是按“孿生”機(jī)制進(jìn)行塑性變形形成孿晶引起的,所謂孿生是以晶體中一定的晶面(孿晶面)沿著一定的晶向(孿生方向)移動而形成的。在形變過程中會有大量的形變孿晶形成。這些形變孿晶將金屬基體切割成很多小塊,位錯被鎖住,位錯運(yùn)動困難;另外由于孿晶界的存在能壘也阻礙了位錯的運(yùn)動,使得高錳鋼發(fā)生塑性變形需克服更大的阻力。由于存在這兩種阻力,因此高錳鋼在形變時(shí)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。晶體以孿晶方式形變時(shí),整個(gè)孿晶區(qū)域作了均勻切變,其余各層晶面的相對位移距離是孿晶方向原子間距的分?jǐn)?shù)值,這表明孿生時(shí)每層晶面的位移是借助一個(gè)不全位錯的移動而造成的。文獻(xiàn)研究超高錳鋼加工硬化及耐磨性時(shí),通過對高錳鋼變形硬化層進(jìn)行TEM觀察發(fā)現(xiàn)確實(shí)有孿晶存在,還有交叉孿晶。α-Fe中也可以觀察到形變孿晶的存在,即紐曼帶。但是DrobnjakDJParJG研究不同條件下高錳鋼的形變孿晶形成情況后得出了不同的結(jié)論:在-50℃時(shí)高錳鋼形變時(shí)會有大量形變孿晶形成。但高錳鋼的加工硬化率不高;在225～300℃高錳鋼形變時(shí)幾乎不形成形變孿晶。但高錳鋼表現(xiàn)出了很高的加工硬化率;在室溫到196℃之間變形時(shí)高錳鋼形成形變孿晶的數(shù)量和流變應(yīng)力之間并不存在簡單的對應(yīng)關(guān)系。4高錳鋼基架中的位錯運(yùn)動機(jī)理位錯硬化假說認(rèn)為高錳鋼加工硬化的機(jī)制是由于奧氏體高錳鋼在形變時(shí)產(chǎn)生高位錯密度,大量位錯形成高密度位錯區(qū),高密度位錯區(qū)會阻礙位錯運(yùn)動而產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng),從而導(dǎo)致高錳鋼的加工硬化。文獻(xiàn)認(rèn)為高錳鋼的形變加工硬化可分為3個(gè)階段:(1)易滑移階段,滑移只在一個(gè)滑移系內(nèi)發(fā)生。在平行的滑移系面上移動的位錯很少受到其他的位錯干擾,故可移動相當(dāng)長的距離并可能到達(dá)晶體表面。這樣位錯源就能增殖出新位錯。(2)第2階段隨著變形量加大,滑移在多個(gè)晶面族和滑移系內(nèi)發(fā)生,此時(shí)硬化機(jī)制有3種:①位錯交割產(chǎn)生割階、固定位錯使位錯運(yùn)動困難;②位錯交割和再交割成位錯纏結(jié)或三維網(wǎng)絡(luò),位錯在某一滑移面運(yùn)動時(shí)會以不同的角度穿過此滑移面并與其他的位錯形成林位錯。此時(shí)由于位錯間的彈性相互作用使位錯運(yùn)動受阻;③位錯相互作用形成胞狀結(jié)構(gòu)或亞晶?；ハ噫i住,同時(shí)胞壁成為位錯運(yùn)動的障礙。(3)第3階段開始后,足夠高的應(yīng)力使被阻擋的位錯借助于交滑移而運(yùn)動。當(dāng)高錳鋼受到外加載荷作用時(shí)由于Mn的原子半徑大于Fe的原子半徑,在正刃位錯的上半邊(受壓縮邊)交互作用能是正值,溶質(zhì)原子受到排斥;而在下半邊(受壓縮邊)交互作用是負(fù)值。在發(fā)生形變時(shí)溶質(zhì)原子Mn會被吸到位錯附近。C原子處于α-Fe的[0,0,1/2][1/2,1/2,0]間隙位置上。對點(diǎn)陣造成不對稱的畸變,與螺位錯發(fā)生交互作用。Mn、C原子與位錯的交互作用它們將聚集在位錯附近以降低體系的畸變能,形成所謂溶質(zhì)原子氣團(tuán)(柯垂?fàn)枤鈭F(tuán))。當(dāng)發(fā)生塑性變形時(shí)氣團(tuán)會阻止位錯的運(yùn)動,引起加工硬化現(xiàn)象。Mn、C這兩種溶質(zhì)原子還會與位錯發(fā)生電交互作用,自由電子會從點(diǎn)陣受壓地區(qū)移至受張地區(qū),形成了局部電偶極。Mn原子與Fe原子的價(jià)電子不同,自由的電子會離開而形成正離子,與位錯之間會產(chǎn)生短程的靜電相互作用。Mn、C原子與位錯之間還有Suzuki交互作用使擴(kuò)展位錯形成層錯區(qū)局部的偏聚,也會阻礙位錯的移動,同時(shí)隨層錯能的下降,擴(kuò)展位錯會加寬,也產(chǎn)生強(qiáng)化作用。要使高錳鋼發(fā)生塑性形變必須克服上述所有阻礙位錯運(yùn)動的力,就必須消耗一定的能量才能實(shí)現(xiàn),而這在宏觀上就表現(xiàn)為加工硬化現(xiàn)象。5高錳鋼的冷加工晶體之所以能發(fā)生塑性變形是由于位錯運(yùn)動引起的,據(jù)此動態(tài)應(yīng)變時(shí)效硬化假說認(rèn)為,晶體發(fā)生塑性變形時(shí)溶質(zhì)原子受到與位錯周圍扭曲的原子結(jié)構(gòu)所伴生的高能應(yīng)變能的影響,將被吸引到位錯中心處形成“柯氏氣團(tuán)”,使系統(tǒng)的應(yīng)變能降低并對位錯的運(yùn)動起釘扎作用,即產(chǎn)生了動態(tài)應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng),從而導(dǎo)致了加工硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)。奧氏體錳鋼的穆斯堡爾譜試驗(yàn)顯示出其冷加工時(shí)碳原子的群集,且群集程度隨時(shí)效的增加而增大。文獻(xiàn)提出高錳鋼的強(qiáng)化效應(yīng)是由于位錯心部的C-Mn原子對的釘扎強(qiáng)化,但在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在-40℃以下的溫度C原子在位錯核心或基體點(diǎn)陣中運(yùn)動很困難,不能產(chǎn)生明顯的動態(tài)應(yīng)變時(shí)效,不能再釘扎住位錯的運(yùn)動,而高錳鋼仍有高的加工硬化率。文獻(xiàn)認(rèn)為動態(tài)應(yīng)變時(shí)效實(shí)際上是按屈服和時(shí)效兩種形式交替進(jìn)行的,而應(yīng)變時(shí)效是碳原子在位錯周圍擴(kuò)散的結(jié)果,因此保證C原子在位錯應(yīng)力場中的微擴(kuò)散是必要的。6高錳鋼加工硬化機(jī)理綜合作用硬化假說認(rèn)為是由于幾種機(jī)理綜合作用引起形變高錳鋼的加工硬化,而不是由單獨(dú)一種機(jī)理引起的。文獻(xiàn)研究了高錳鋼爆破處理后會出現(xiàn)硬化現(xiàn)象,提出了這是由于冷作硬化、晶粒細(xì)化、位錯、堆垛層錯和攣晶的綜合作用引起高錳鋼加工硬化的觀點(diǎn)。文獻(xiàn)通過X-射線衍射、透射電鏡等多種方法研究后認(rèn)為高錳鋼加工硬化機(jī)理包含:(1)高位錯密度區(qū)強(qiáng)化;(2)動態(tài)應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化;(3)形變孿晶界強(qiáng)化。認(rèn)為這幾種機(jī)制都起作用,但是不同條件下有一種或幾種起主要作用。文獻(xiàn)研究了不同錳、碳含量的高錳鋼加工硬化機(jī)理后,提出高錳鋼加工硬化是由于高錳鋼形變時(shí)會有大量形變孿晶的出現(xiàn),孿晶間距減小,孿晶帶變薄,并有一定數(shù)量的交叉孿晶綜合作用的結(jié)果。還有很多根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)提出其他的幾種不同的機(jī)理同時(shí)對高錳鋼加工硬化起作用的觀點(diǎn),這些觀點(diǎn)有一個(gè)共同點(diǎn),就是認(rèn)為是幾種機(jī)制同時(shí)起作用引起了高錳鋼的加工硬化現(xiàn)象。7顯微組織中的晶體結(jié)構(gòu)及應(yīng)變能力1996年李士同等研究者通過熱分析、磁分析、聲分析、XRD、SEM、TEM、EDAX、穆斯堡爾譜和電子探針等現(xiàn)代化檢測手段,研究了不同的C、Mn含量的奧氏體高錳鋼的加工硬化行為,提出了奧氏體高錳鋼加工硬化是由于奧氏體高錳鋼中形成的Fe-Mn-C原子團(tuán)偏聚區(qū),這些偏聚區(qū)會阻礙滑移系啟動和位錯的運(yùn)動,因此導(dǎo)致了高錳鋼加工硬化能力的觀點(diǎn)。文獻(xiàn)提出高錳鋼加工硬化的微觀結(jié)構(gòu)模型,C原子是位于奧氏體晶胞八面體間隙的中心,并同時(shí)位于兩個(gè)相鄰的(111)面之間。在變形過程中,當(dāng)運(yùn)動的位錯與散亂分布在奧氏體基體中的Fe-Mn-C原子團(tuán)偏聚區(qū)相遇時(shí),C原子會陷入位錯中心區(qū),Mn原子和Fe原子對C原子的強(qiáng)烈的牽制作用將有效地限制C原子隨位錯運(yùn)動,因此對位錯的運(yùn)動產(chǎn)生強(qiáng)烈牽制作用。當(dāng)運(yùn)動位錯切過Fe-Mn-C短程有序區(qū)時(shí),不但要拆散許多強(qiáng)C-Mn鍵,而且還會降低短程有序度,這都會消耗能量,從而使奧氏體錳鋼在變形過程中表現(xiàn)出異常高的加工硬化能力。但是文獻(xiàn)研究了高錳鋼中的奧氏體穩(wěn)定性與形變強(qiáng)化能力后認(rèn)為降低Mn、C的含量會降低高錳鋼中奧氏體的穩(wěn)定性,因而會提高高錳鋼的加工硬化能力。當(dāng)非金屬原子與金屬原子半徑之比大于0.59時(shí)會形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙固溶體化合物。α-Fe和γ-Fe原子的半徑分別為1.24A°和1.26A°,而C原子的半徑為0.77A°,兩者的比值為0.63,二者能形成間隙固溶體。Mn原子的半徑與Fe的相差不超過5%,一部分Fe原子可以被Mn原子置換形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C,使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)奧氏體高錳鋼的耐磨性隨Mn、C含量的提高而提高,超高錳鋼的耐磨性就較高錳鋼好,其硬度也相應(yīng)有所提高,當(dāng)C含量(質(zhì)量百分比)由0.5提高到0.8時(shí)高錳鋼的硬度會提高很多。文獻(xiàn)也提出增加高錳鋼中Mn、C含量會提高高錳鋼的加工硬化能力的觀點(diǎn)。8實(shí)際實(shí)驗(yàn)及結(jié)果從前面說明可以看出,關(guān)于高錳鋼加工硬化的機(jī)理有很多解釋,不過有一點(diǎn)是相同的,即都認(rèn)為是由于某種原因阻礙了位錯的運(yùn)動而引起高錳鋼的加工硬化。通過SEM、TEM、EDAX、穆斯堡爾譜實(shí)驗(yàn)、電子探針等現(xiàn)代化檢測手段研究了奧氏體高錳鋼形變時(shí)加工硬化的現(xiàn)象,在這里不具體談實(shí)驗(yàn)的過程,只簡單地介紹得到的結(jié)論,具體實(shí)驗(yàn)的過程在另外的文章再作介紹。奧氏體高錳鋼形變時(shí)誘發(fā)馬氏體相變引起高錳鋼的硬化,這不是高錳鋼硬化的主要原因,因?yàn)樵趭W氏體高錳鋼變形時(shí)都在高