20钢损伤件在不同愈合条件下的组织与性能

任小东 刘省军 卢剑飞

中航西飞热表处理厂 ，陕西 西安 710089

[摘要]：金属材料从毛坯制造到加工成型的过程中，不可避免地会在构件的内部或表面产生微小的缺陷(如微裂纹或孔洞等)。本文以20钢为例，采用静拉伸试验使试样产生损伤；然后利用正火和真空退火等热处理工艺使损伤部位愈合，将愈合后的试样加工成冲击试样进行冲击试验，比较不同状态下试样的冲击值。

[关键词]：20钢；损伤；热处理工艺；自愈合

1引言

1.1研究的目的及意义

金属材料从毛坯制造到加工成型的过程中，不可避免地会在构件的内部或表面产生微小的缺陷(如微裂纹或孔洞等)。微小缺陷的存在与失稳扩展，是使构件强度和韧性下降或剩余寿命降低、直至断裂破坏的主要原因^[1]。因此研究在某种热处理的条件下钢中裂纹自愈合现象及规律，有着重要的意义，且是当今材料科技工作者的任务之一。

1.2 研究现状

目前研究采取的金属材料裂纹愈合的主要工艺是能量补给法愈合工艺，能量补给形式主要是加热与施加电流脉冲，加热方式包括常规加热、微波加热和激光加热等。其次是物质补给工艺。

2 试验方案、设备及过程

2.1 试验方案

技术路线：研究过程由原材料准备，试样机加工，静拉伸试验预制内部裂纹，对损伤试样进行热处理试验，测试试样的冲击性能试验组成。

2.2 试验材料

该试验的材料是20钢，20钢含碳量低，塑韧性好，易于加工和切削的特点。

2.3试验准备

按照试验设计路线，根据前人以往的经验和参考热处理工艺手册，得知20钢的相变临界点如表2.2.2

表2.2.2 20钢的相变临界点

相变临界点	Ac1	Ac3	Ar1	Ar3
温度℃	735	855	680	835

2.4 试验过程

（1）将直径为38mm，长1.2m的20钢棒用弓锯床加工成长约120mm的棒状材料，在其端面标记，试样为U、V、F、K、D、A、C、M、L，另准备断裂的原始试样1，L试样是为了比较冲击性能，而1试样是为了观察断口的损伤、微孔。

（2）利用普通车床试样U、V、F、K、D、A、C、M加工成为非标准拉伸试样，并对试样表面进行砂纸打磨，以保证颈缩产生于试样中部。

（3）对相应试样A、D进行1100℃真空退火+900℃正火处理，U、V、F、K进行900℃正火处理、C、M进行540℃去应力退火处理，

3.试验方法及结果

3.1 静拉伸试验

如表3.1.1所示，A试样的断面收缩率最大，即变形最大，微孔数量最多，损伤也最厉害，而K试样正好相反；其次比较各类试样断面收缩率的平均值，也可以得到一些信息，到做完冲击试验后，可以比较它们的冲击功或冲击韧性（本文使用的是冲击功），损伤对冲击试验最为敏感，可以很好的反映试样的损伤程度。

表3.1.1拉伸试样前后的各种数据

试样类型	试样编号	标距长度（mm）		收缩率（ψ）	平均值
		拉伸前	拉伸后
原始试样（无损）	L	无	无	无	无
正火900℃	U	19.50	16.08	32.00%	31.73%
	V	19.54	16.18	31.43%
	F	19.62	16.10	32.66%
	K	19.60	16.30	30.84%
1100℃真空退火+900℃正火	D	19.72	16.36	31.17%	32.27%
	A	19.60	16.00	33.36%
540℃去应力退火	C	19.60	16.22	31.52%	31.61%
	M	19.64	16.20	31.70%

3.2冲击试验

在本文中，采用了冲击功，因为在冲击功中，只有裂纹形成和扩展功表示材料的韧性。但在计算冲击功时，将冲击功除以缺口界面有效面，这是缺乏科学依据的。因此认为冲击韧性是没有物理意义的。目前，在材料评定中，较多的采用冲击功，冲击功表示在一定条件下冲断试样所消耗的功，可以相对比较材料的缺口敏感性。

试样类型	试样编号	收缩率（ψ）	平均值	冲击功（J）	平均值(J)
原始试样（无损）	L	无	无	58.21	58.21
正火900℃处理	U	32.00%	31.73%	58.76	57.65
	V	31.43%		59.67
	F	32.66%		54.13
	K	30.84%		57.65
1100℃真空退火+900℃正火	D	31.17%	32.27%	41.45	49.22
	A	33.36%		56.89
540℃去应力退火	C	31.52%	31.61%	17.80	15.65
	M	31.70%		13.55

4试验结果分析

4.1原始试样

原始试样是作为参考来观察分析其他工艺条件下微孔的状态。整个区域内有许多大小不同的微孔（黑色的斑点），这些微孔散乱的分散在整个区域，它们试在试样拉伸过程中由于材料中的非金属夹杂物、第二相或其它脆性材料相颗粒的存在而产生的，在塑性变形过程中这些相与基体界面处开裂产生了裂纹，并发展为微孔，若继续对试样进行拉伸，微孔将在连接或扩展处断裂。

4.2 1100℃真空退火+900℃正火处理试样

A试样的珠光体分布在基体的铁素体上，基本上没有微孔，原因是在1100℃真空退火工艺的处理下，材料内部原子扩散速度很高，微孔逐渐愈合，因此微孔基本上消失，冲击功相应提高。

4.3 540℃去应力退火处理试样

C试样的处理工艺是去应力退火，其目的是消除内应力。材料经拉伸后，内部应力很大，而在去应力退火的工艺处理下，其基体仍为铁素体，珠光体分布于铁素体晶界处，仍有微孔存在，但是微孔数量不多，可能是由于温度较低，原子扩散不明显，只有部分细小微孔愈合，大部分仍未愈合。

4.4 900℃正火处理试样

V试样的微孔也不是很明显，说明微孔已基本愈合。其原因是：在900℃正火处理时，由于温度很高，原子扩散速率快，微孔基本愈合，此外V试样中的珠光体较细小弥散。由此推测出V试样晶粒细化了，原因是经过再结晶后（900℃在再结晶范围内），其晶粒重新由拉长态变为等轴状，且细小规整，因此其冲击功也较高。

5结论:

（1）用静拉伸试验法可以使20钢产生塑性变形，变形部位损伤的主要表现形式是大小不等微孔。

（2）在900℃加热并保温17min后的正火工艺处理的情况下，可使20钢损伤件愈合，且冲击值与未损伤的原始材料相当。

参考文献

[1] 韦东滨,韩静涛,谢建新,等. 金属材料内部裂纹高温愈合试验研究[J]. 北京科技大学学报, 2000, 22 (3): 245-248.