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[科普中国]-纤维状组织

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纤维状组织产生原因

由于元素偏析,包括树枝状偏析和带状偏析所导致的纤维状组织是本钢种经常出现的缺陷,也是锻模早期失效的重要原因。下图是5CrNiMo钢中的偏析带,图片上下两侧是正常淬火组织.中部是屈氏体(黑色)和马氏体(灰白色针状)的混合组织。硬度印痕标志出屈氏体黑区硬度低于灰白色马氏体区。元素偏析带导致淬火附加组织应力,常常使模具淬火开裂。1

树枝状偏析枝晶偏析指固溶体晶粒内部化学成分的不均匀现象。在快冷条件下,液态合金按树枝状方式结晶时,由于原子在固相中扩散均匀的过程进行的很慢,致使先析出枝晶与后析出的枝晶间隙处的部分。因为扩散均匀的过程跟不上结晶过程的发展,最后获得化学成分不均匀的枝晶。先形成枝晶的含有较合金平均成分为多的高熔点组元,而随后在枝晶间隙处部分含有较合金为多的低熔点组元。

枝晶偏析程度由合金的冷却速度偏析元素的扩散能力等因素决定。枝晶偏析使合金的力学性能降低,可通过扩散退火消除。由于冷却速度较快,使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散。以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同,成为晶内偏析。而金属的结晶多以枝晶方式长大,所以这种偏析多呈树枝状,先结晶的枝轴与后结晶的枝间成分不同,又称为枝晶偏析。固相线与液相线的水平距离和垂直距离越大,枝晶偏析越严重。铸铁的成分越靠近共晶点,偏析越小,反之越大

带状偏析在铸坯中有时会见到一种垂直于等温面推移方向的偏析带,被称为带状偏析。在铸坯中经常观察到两种形式的带状偏析。其一是合金单向凝固,固液界以平面向前推进式所产生的带状偏析;另一种是合金以枝晶方式生长时所观察到的带状偏析。

带状偏析是由于杂质扩散以及为杂质所汇集的金属从枝晶圈向钢锭上部和内部移动的结果。在沸腾钢中,这种移动非常强烈,因此带状偏析在沸腾钢中发展到最大程度。在镇静钢中这种移动进行缓慢,当纲水快速结晶时,带状偏析发展程度较小。

纤维状组织的粗化纤维状组织的粗化较多地表现为以下两种方式:

一是二维奥斯瓦尔德熟化,即细纤维附近溶质原子向粗纤维附近扩散,细纤维不断减小,粗纤维不断变粗;

二是瑞利(Reyleigh)失稳,它原指一根粗细均匀的圆柱形液体将破碎成一连串球形液滴。对于纤维状组织,局部区段上直径的某些微小涨落可以在保持纤维体积不变的条件下使界面面积减小,从而导致纤维断裂。

如下图纤维直径为d,长度为l的单根纤维的失稳情况。对于无限成一列球形沉淀的不同机制长的纤维,由于瑞利失稳纤维最终将变成一列圆球,球的直径和间距A取决于界面能和扩散系数(图中a)。如果纤维很短,l/d7.2的有限长纤维,失稳演变的最快途径将是依次在杆的端部形成一个一个圆球,并与纤维脱开(图中c)。如果纤维中存在晶界,或者在包围纤维的基体中存在与纤维相交的一组平行晶界,那么由于晶界扩散的帮助,纤维倾向于沿这些界面逐步断开,并逐段缩聚成球,类似片状珠光体的球化(图中d)。2

冷塑性变形对金属组织的影响金属发生冷塑性变形时,随着外形的改变,其内部晶粒的形状也发生了变化,如下图所示:

当变形程度很大时,晶粒会沿变形方向伸长,形成细条状,这种呈纤维状的组织称为冷加工纤维组织。形成纤维组织后,金属的性能会具有明显的方向性,其纵向(沿纤维方向)的力学性能高于横向(垂直于纤维方向)的力学性能。同时,由于各个晶粒的变形不均匀,因此金属在冷塑性变形后其内部组织存在着残余应力。冷塑性变形除了使晶粒的形状发生变化外,还会使晶粒内部的亚晶粒细化、亚晶界数量增多、位错密度增大。由于塑性变形时晶格畸变加剧以及位错间的相互干扰,会阻止位错的运动,因此增大了金属的塑性变形抗力,使金属的力学性能发生改变。3

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