真空热处理对钢中微裂纹自愈合行为的影响

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【摘　要】对含有预制的微裂纹的试样在真空条件下进行热处理后，在光学显微镜下进行金相分析。结果表明，裂纹的自愈合过程主要是由原子的扩散迁移造成的，裂纹的修复可分为空洞填充和晶粒长大两个过程。填充物主要是由Fe原子和Cr原子组成的。由于Fe原子和Cr原子在裂纹处大量聚集，因此，在微裂纹愈合处有一条明亮的白带。随着保温时间的延长，裂纹的自修复过程逐渐完成，愈合处的组织和基体组织基本趋于一致。

【关键词】真空条件下;微裂纹;自愈合

在工程实际中，某些金属结构材料在制备中会带有原始的裂纹型缺陷，如锻造过程中在夹在处萌生的缺陷，或者原来内部没有缺陷的材料在服役过程中会不可避免地产生疲劳损伤，这些原始缺陷以及在服役中产生的损伤发展到一定阶段将造成材料的失效，因此，如果可以消除金属材料内部疲劳裂纹以大幅度延长其服役寿命，则将产生非常客观的经济效益。总而言之，如果可以很好的掌握和利用金属材料中裂纹的自修复现象及其规律，将有很大的现实意义和经济效益。中手段愈合消除，则可以延长其使用寿命，减少再次制造所需的昂贵成本。

１．实验材料及试样准备

本次实验所用的材料为我单位报废的W6Mo5Cr4V2高速钢刀具，刀具的原始长、宽、高分别为50×10×10(mm),W6Mo5Cr4V2的主要成分见表所示。

W6Mo5Cr4V2的成分（质量分数，%）

2.试样准备

实验材料为W6Mo5Cr4V2高速钢刀具，将试样在线切割机上加工成如图所示的缺口形状后，接着用钼丝在缺口下方锯出几个毫米的裂缝。

将所加工成的试样放到真空炉中进行退火处理后，使其硬度值降低到25HRC左右后，然后拿到虎钳上进行裂纹的制作，在缺口所对应的面上距裂纹等距的地方施加外力,当外力均匀增大。最终使试样被拉出一个微小的裂纹来。如图所示:

3.实验过程

对含有预制裂纹的试样按下述方法进行操作：

考虑到加热温度和保温时间对裂纹自愈合行为的作用，在1210℃至1235℃温度范围内加热并保温试样，保温时间为15-30Min温度、时间的增量分别为ΔT=5*X℃，ΔT=5*X Min(X为正整数)。处理方法为：放入第一个试样炉温升至1210℃，真空度为9.0*10-3Pa，保温30Min后，炉冷并取出；放入第二个试样，炉温升至1230℃，真空度为8.4*10-3Pa，保温时间为15Min后，炉冷并取出；放入第三个试样，炉温保持在1230℃，真空度仍为8.4*10-3Pa，保温时间延长到20Min后，炉冷并取出；放入第四个试样，炉温升至1235℃，真空度为8.2*10-3Pa，保温时间为25Min, 炉冷并取出。

实验要求：将含有预制裂纹的试样进行真空热处理，以实现其自愈合，同时要求热处理后，零件保持光亮，不氧化，不脱碳。

在机械部西安电炉研究所生产的ZR—18*25*18—DL型真空烧结炉中进行退火处理，其工艺曲线如图所示。

4.实验结果与数据分析

为了弄清楚自愈合过程中的物质迁移过程，我们利用能谱仪对裂纹愈合过程中的成分变化进行了半定量分析，其数据如表所示：

在金相显微镜下对在不同温度、真空度、保温时间下处理的四个试样分别进行观察。试样分别被命名为A、B、C、D，他们各自的工艺参数分别为：

(A)加热温度1210℃ 保温时间 30Min。

(B)加热温度1230℃ 保温时间 15Min。

(C)加热温度1230℃ 保温时间 20Min。

(D)加热温度1235℃ 保温时间 25Min。

经4%硝酸酒精 500溶液腐蚀后的观察结果：（金相图略）

(A):当温度为1210℃，保温时间为30分钟时，裂纹的中间部位仍为空洞,基体组织为典型的碳化物+索氏体，白色的部分为碳化物。

(B):当温度上升到1230℃，保温时间为15分钟是，裂纹的尖端部分首先愈合，裂纹区尺寸减小。在630倍的显微镜下观察，愈合部位的耐腐蚀性高，为白色亮条，与金属基体有明显的差别。

(C):当温度上升到1230℃，保温时间为25分钟时，尺寸较大的裂纹也被某种金属原子填充，其组织与基体组织明显不同，裂纹内的填充物在4%硝酸酒精溶液的腐蚀下均呈亮白色，极耐腐蚀。

(D):当温度上升到1235℃，保温时间为25分钟时，预制裂纹区的填充物会逐渐变窄，最后与基体金属已经没有明显的差别。

5.结果分析与讨论总结

通过实验可以看出对含有微小内裂纹的试样在真空条件下进行热处理可以使其发生自愈合，其原理是Fe原子和Cr原子向裂纹区发生原子扩散，填充裂纹并最终使裂纹愈合。为保证内裂纹的完全修复，需要一定的保温时间，使晶粒可以充分的长大。而保温时间越长，裂纹的修复状况也越好。