用電磁知識解讀微淬火和思索微淬火超塑性機理

喬占琪

（太原工具廠，山西太原 030008）

用電磁知識解讀微淬火和思索微淬火超塑性機理

喬占琪

（太原工具廠，山西太原 030008）

通過實驗解讀微淬火（超臨界淬火）的本質：α→γ相變與磁疇瓦解同步；（高溫型）板條馬氏體相變與“司南魚”超磁化共生；微淬火（微觀層面）囊括了所有已知超塑形變類型，是獲取（宏觀層面）高頻熱軋超塑性的最佳工藝；微淬火高頻熱軋超塑性無須具備諸多苛刻條件，是一種獨特的理想的超塑性。

金屬超塑性 α→γ相變 磁疇瓦解 高溫型板條馬氏體相變 “司南魚”超磁化 再結晶晶粒異常長大萘斷口

早前，為了探究W6MO5 HSS直柄麻花鉆高頻熱軋熱塑性欠佳的原因，我們做了大量實驗，取得14組規律性較強的數據，其中有13組數據屬于熱塑性范疇[1]。然而，另一組，預先微淬火的數據卻具有異常超塑性，全部約200件試樣沿著切削刃全長，似液體溢出較寬、較薄的雙螺旋飛邊，且呈銀灰色的溝、背、刃帶及飛邊均規整、光潔、無瑕疵。這種微淬火高頻熱軋超塑性前所未有，既意外，又費解。

這種“微淬火高頻熱軋超塑性”的產生機理是什么？

1 實驗材料、方法及試驗結果

1.1 細紋和裂縫大多分布于槽根和鉆尖附近的刃帶上的原因

將麻花鉆四輥熱軋分解為一對溝板或一對背板簡單縱軋，軋件由軋前截面軋到軋后截面時，金屬水平方向移動速度和軋輥沿水平方向的分速度由入口到出口均不斷增加，但增加的規律不同，僅沿變形區中間某一位置（中性面）兩者的速度一致。軋件咬入端截面到中性面的變形區內金屬沿軋制方向流動速度小于軋輥沿軋制方向分速度（后滑區），從中性面到軋件吐出截面的變形區金屬沿軋制方向流動速度大于軋輥沿軋制方向分速度（前滑區），滑區內軋件表面質點與工具表面質點之間就會產生相對滑動，咬入端和吐料端表層受拉應力最大。而實際麻花鉆四輥熱軋過于復雜，使咬入端和吐料端在刃帶附近表層受到更大的拉應力（摩擦因數和軋輥直徑對前滑、后滑的影響最大）[2]26-34。當軋件熱塑性欠佳時此處最易產生細紋和裂縫。

1.2 冷拔M2鋼絲多種預先熱處理（見表1）

表1 對高頻熱軋熱塑性的影響（件數的百分比）

2 分析討論（為何微淬火后有高頻熱軋超塑性？）

2.1 古往今來對磁的認知（從司南魚到微淬火）

2.1.1 北宋初年（公元1044年）對磁的認知

“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鉗拑魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。用時，置水碗于無風處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也”[3]156。其實，這就是微淬火。古代只關注水淬可瞬間實現“司南”功能，順著地磁力線（網上可查各地的磁力線傾角）水淬效果最佳，密器可防熱、防磕碰。

2.1.2 近代磁性物理基礎對磁的認知

鐵磁質內電子的自旋磁矩沿平行方向排列能量最低，而形成大量宏觀小、微觀大的磁矩方向各異的自發磁化的磁疇，此時鐵磁質對外不呈現宏觀磁性。鐵磁質處于外磁場中時那些自發磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場的增大而擴大并使磁疇的磁化方向進一步轉向外磁場方向，這時鐵磁質對外才呈現宏觀磁性。當外磁場增大時，上述效應相應增大，直到所有磁疇都沿外磁場排列達到飽和磁化，磁介質中的場是外場的幾百倍到幾萬倍。一旦達到飽和磁化，即使外磁場減小到零，磁矩也不會回到零，而剩余了技術磁化的磁感應強度Br[4]1-7。疇壁一般不穿過晶界。

2.1.3 當代對與磁相關的（高溫型）板條馬氏體相變的認知

當今，多專注于普通淬火M-體相變的研究。微淬火在高溫型板條馬氏體相變溫區“如影隨形”、“水漲船高”的地磁場引起“司南魚”超磁化，此附加相變驅動力對板條M-體相變影響的研究不足（如新-母相間的關系）。

2.1.4 用電磁知識解讀試樣加熱-緩冷膨脹曲線

“工具鋼”[5]一書有5章反復介紹超臨界淬火，而第27節引用的加熱-緩冷膨脹曲線（圖1）則是其他4章對超臨界淬火論述的主要依據。那么，圖中的“ref”、“sp”是哪些詞組的縮略詞？

或許ref=讀數起點、剩磁、還原/重做；sp=自然（自發）磁化。

即先用技術磁化的ref試樣測出加熱和冷卻時長度變化數據△Lref，緩冷到起點溫度ref試樣已還原為自發磁化的sp試樣，然后用此sp試樣重新測出加熱和冷卻時長度變化數據△Lsp，最后將數據整理為△Lref-△Lsp，繪出的就是圖1中的曲線。這條曲線的特點是加熱到居里點時磁疇瓦解（壓應力陡增）導致長度（體積）急劇收縮。

圖16 X3ФC鋼加熱和冷卻時試樣長度的變化（膨脹曲線）[5]148

2.1.5 微淬火工藝的由來及功效

加熱到居里點時長度（體積）強烈收縮引起蓋烈爾先生的關注，提出用tA1＋（30～50）℃加熱-快冷的淬火工藝保留體積的強烈收縮。大量的不同工具鋼種的實驗揭示了這種淬火能將長度（體積）的強烈收縮保留到最終淬火之后，并將這種淬火工藝命名為“超臨界淬火”，業內俗稱“毛淬火”，而“微淬火”或更簡潔、貼切。

那么，微淬火高頻熱軋超塑性的形成機理又是什么？

2.2 當代對室溫塑性形變本質的認知

2.2.1 冷拉的本質

在拉絲力切應力τ作用下多晶體的錯位滑移和晶間變形是冷拉的本質，冷拉時位錯運動遇到了障礙而塞積，在位錯塞積群前端就會引起應力集中。冷拔時，表面和芯部的應力、應變不同，表面的形變量最大。一方面此處的顯微缺陷最多，最易產生熱軋開裂，另一方面此處的晶界和相界因位錯塞積而有較高的界面能，這又是α→γ相變時能產生更多晶核而細化晶粒的條件之一。

冷拉導致鋼的顯微缺陷劇增、冷作硬化、密度驟降、熱塑性極低。冷拉產生的一些多晶體缺陷非常穩定，很難被后序的預先熱處理徹底清除（參見上頁表1）。

2.2.2 鐵的表面改性和鎳納米晶的塑性行為

鐵制品，通過表面機械摩擦，使表面產生反復劇烈的塑性變形，可將純鐵板材表面層顯微織構細化到納米尺度[6]74-79。

粗晶（μm級）鎳試樣的塑性行為，主要是由晶體內位錯源產生的位錯發生運動，相互作用，合并或湮滅等給出的功能，導致殘余位錯網的產生和堆積，從而產生不均勻應變[6]74-79。

納米晶（nm級），其形變過程無法在小于幾十納米的晶?？臻g內位錯源正常形核、長大和運動。塑性形變只可能為晶界所容納，晶界原子活動可能增強晶界的滑移過程。加載時位錯增加，卸載時位錯消失，并不造成殘余位錯網。電沉積納米鎳塑性形變的實驗結果是：晶界可以作為晶格位錯產生源和消失源，但一定會改變晶界位錯網。對完全致密的納米金屬晶測定表明，其中含有不依賴于樣品制備工藝的尺寸為10～20個空位的納米小泡，這些空位可能處在晶界上或三晶粒間的交界處。晶界斷裂是由位錯活動與微裂紋尖端的空位群相互作用造成的（氣泡、雜質以及較高的內應力常也歸結于結構缺陷）[6]18- 21；74-79。

當今，對納米晶超塑性機理的觀點不同[7]10- 16；33-38，上述認知是對金屬薄膜加載時的觀測結論，很可貴。

2.3 用電磁知識解讀試樣加熱-快冷的微淬火工藝

2.3.1 選用ΔLref-ΔLsp加熱-緩冷膨脹曲線的理由

因為，ΔLref揭示的是加熱和緩冷時剩磁、加熱元件磁場和熱對試樣長度影響的規律，ΔLsp揭示的是加熱和冷卻時加熱元件磁場和熱對試樣長度影響的規律，唯有ΔLref-ΔLsp能揭示加熱和緩冷時剩磁Br對試樣長度影響的規律。

2.3.2 讀數起點的已磁致伸長的ref試樣加熱過程

隨加熱溫度的逐漸增高，原子熱震動不斷增強，Br逐漸被干擾而消弱，磁致伸長成比例地縮小，測出的就是圖1那條斜實線及其延長的虛線?；蛟S因試件之前經過了不同的預先處理，如W6MO5 HSS處于沿原奧氏體晶界因冷速差異而有數量不等的析出碳化物的退火態，加熱時析出碳化物逐漸溶解、晶界畸變逐漸減輕，使延長線散布在影線三角區（蓋烈爾先生認為原因在于試樣軟化）。

加熱到居里點，原子熱震動嚴重干擾，磁疇瓦解而成為順磁體，強烈的收縮使內部出現了極大的壓應力，同時發生α→γ相變，因而產生相變、細晶超塑形變。眾所周知的α→γ相變超塑性，是sp試樣在機械力作用下的宏觀α→γ相變超塑形變，唯峰尖效果最佳，溫度稍有偏差塑性就會陡降，且需在一定苛刻條件下方可實現。微淬火則不同，陡增的壓應力和α→γ相變及細晶同時自發地產生，這一微觀超塑形變能根除常規預先熱處理而不能徹底根除影響熱塑性的顯微缺陷（比如氣泡、空位群、晶粒內和晶界上的位錯網、顯微裂紋），高致密度（參考第2.3.7節中圖4）能保持到最終淬火后[5]148。

獲得體積收縮效果的最大直徑（邊長），碳鋼為20 mm、合金鋼為30～50 mm[5]148。

2.3.3 微淬火加熱溫度是tA1+（30～50）℃的原因

磁性轉變自由能模型證明鐵磁態轉變成順磁態并不是在一個固定的溫度下完成的，居里點僅是磁矩的有序度σ為0的溫度，高于此溫度時即成為完全順磁態，而一級相變溫度則是完全鐵磁態所能保持的最高溫度[8]34-36；又因工業加熱爐的加熱速度不同而使A1溫度tA1不同。tA1+（30～50）℃才是α→γ相變和磁疇瓦解相互作用的溫區，陡增的壓應力下的γ相均萌生易滑移位向（特別是易滑移方向）的晶核（或隨后轉出易滑移位向的細晶），而呈現不同于微淬火超塑性的相變-組織超塑性。

在此，α→γ相變、磁疇瓦解和細晶如同一個圓餅的三個面。

2.3.4 HSS微淬火與最終淬火馬氏體相變的差異

因淬火溫度不同，γ-體含碳量不同，M-體相轉變溫區也不同（見圖2）[5]366。前者在高于300℃的溫區產生橫截面似橢圓的高溫型板條M-體晶束，淬火組織沒有殘余奧氏體和顯微裂紋；而后者在約± 100℃溫區緩冷產生互成60°夾角的片狀M-體，淬火組織室溫有殘余奧氏體和顯微裂紋。

圖2 P18和P12HSS不同淬火溫度下的馬氏體轉變開始和終止溫度[5]366

從微淬火加熱溫度快冷到高于300℃溫區的Ms點起，或許在γ-體每個細晶內“如影隨形、水漲船高”的地磁場影響下晶核或瞬間長大的板條M-體單簇晶束，均萌生或隨后轉出既易磁化又易滑移的方向和位向而產生超磁化和超塑形變，板條M-體單簇晶束使原奧氏體細晶再碎化。

α-Fe體心立方晶格滑移系6×2=12，滑移面和滑移方向與外力成45°角，為軟取向，易磁化軸[100]。

低碳鋼普通淬火板條馬氏體內有位錯，在機械壓力下冷變形位錯密度增大，再結晶晶粒細化至nm級[9]。

2.3.5640 ℃回火

板條M-體溶解，呈現回火超塑形變。實際上640℃保溫1 h或許也有一些再結晶功能，且Br被干擾而消弱。

在此，高溫型板條M-體相變、“司南魚”超磁化和細晶再碎化如同另一個圓餅的三個面。

2.3.6 直接最終淬火產生“穿晶斷裂”的根源

《工具鋼》[5]用7頁篇幅介紹“穿晶斷口”（中譯本譯為“晶間斷口”），要點是在很高溫度下才溶解的M6C與較低溫度下就能溶解的M2C在加熱時對晶粒長大的阻礙作用[5]469-475。

“司南魚”超磁化下萌生或隨后轉出既易磁化又易滑移的方向和位向的、在嚴重堆積碳化物周圍必然出現的碳化物特別稀疏區每粒細晶中的、單一板條M-體束中的α-相頗似絲織構的亞晶，直接最終淬火加熱到相變溫度，因溶解掉了大量的阻止晶粒長大的碳化物及α-相位向趨同，頗似塑性變形后再結晶晶粒的異常長大（見圖3）[7]29-30而合并成γ相巨晶，巨晶與堆積碳化物線脹系數不同，快冷時針狀M-體膨脹以及α-相磁致伸長的張應力（變形與開裂之源）使γ相巨晶，快冷后的針狀M-體中的α-相和殘余γ相沿原子排列密集晶面滑移，回火時在這些滑移面析出彌散碳化物，而成為外力撞擊下原子間結合力遭破壞的解理面[7]14-20?；蛟S這才是W18高速鋼微淬回火+最終淬回火會產生“穿晶斷口”而鏟磨刀具直接淬火即使過燒也絕無巨晶的原因。深入研讀圖2和“M2鋼1 205℃加熱后的熱動力學圖”[5]372或可理清其萘斷口形成和防止的詳實而繁雜的現象。

圖3 再結晶晶粒的異常長大[7]25-30

2.3.7 微淬火態相對退火態最終淬火后體積收縮倍增的原因

試樣初始均為sp狀態，微淬火后ref試樣體積收縮（微觀缺陷被清除）能保持到最終淬火之后，而快冷疊加上的司南超磁化磁致膨脹能保持到最終淬火之前。長度收縮被超磁化的可觀的膨脹（含M-體膨脹）暫時“沖淡”而顯得很小，此磁致膨脹在最終淬火加熱到居里點時會消失，微淬火實際收縮量才真正顯現出來（圖4）。最終淬火，實際上是在空氣中緩冷進行M-體相變，或許，原γ-粗晶內互呈60°角的片狀M-體的α-相只能自發磁化。

2.3.8 超磁化的特點

無處不在的相對恒定的地磁場在微淬火及其存放地不會減弱更不會歸零，使超磁化只可能是飽和磁化，并且nm晶的矯頑力最大，因此超磁化的作用既強又相對穩定。

3 微淬火高頻熱軋超塑形變的最佳工裝

3.1 電極鹽浴

圖4 試樣（L=100 mm，D=10 mm），超臨界淬火+回火（下面一組折線）和隨后的最終淬火+回火（上面一組折線）對試樣長度的影響[5]447

大量的相關數據均始于sp狀態。入電極鹽浴瞬間立即被50 Hz低電壓、強電流的電磁場磁化為ref狀態，加熱到居里點時長度（體積）收縮最強烈；電爐的電磁場較弱，效果次之；燃油、燃氣反射爐沒有技術磁化功能[5]151。

3.2 高頻加熱

“感應加熱速度可高達100～1 000℃/s，甚至更高（鹽浴加熱僅約10℃/s，箱式爐加熱約0.8℃/s）。居里點以下工件加熱速度較高，居里點以上工件在略高于A1點電流密度和加熱速度降低”[5]277。“與鹽浴爐相比，感應加熱晶粒長大的開始溫度較高，長大尺寸較小。當加熱速度增大到1 000℃/s時奧氏體形核速度比其長大速度快許多倍，晶粒很細”[5] 277；453-456。

4 結論

1）微淬火（超臨界淬火、毛淬火）五要素：具有α→γ相變的鋼；最好冷變形；電極鹽??；tA1+（30～50）℃加熱；根據鋼種選擇油淬或水淬。

2）微淬火囊括了固態多晶金屬已知的所有超塑性類型，根除了降低熱塑性的顯微缺陷。四次微細化晶粒，形成了既易磁化又易滑移的方向和位向等的顯微結構。軋前高頻加熱的晶粒再細化是獲取高頻熱軋超塑性的最佳工藝。

3）微淬火高頻熱軋超塑性有別于已知固態多晶金屬超塑形變類型，無需具備諸多苛刻條件：一定的溫度區間和應變速率；一定的細晶尺寸的熱穩定性；一定負荷下tA1、tA3溫度間的反復淬火。

4）微淬火高頻熱軋超塑性呈現“納米（微晶）固體材料”超塑性的特征：短短數秒完成高頻加熱四輥軋制全過程，“一軋了之”地實現超塑性研究者和應用者孜孜以求的夙愿。

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（編輯：胡玉香）

Micro-duenching Interpretation by Electromagnetic Knowledge Micro-guenching Superrplastic Mechanism Reflection

QIAO Zhanqi
（Taiyuan Tools Factory,Taiyuan Shanxi 030008）

The nature of the micro-quenching(supercritical quenching)is：α→γ phase transformation and magnetic domain collapse synchronize；(high temperature type)lath martensitic transformation and"guide fish"super magnetization accompany.Micro-quenching(micro level)encompasses all known superplastic types,which is an optimum process to obtain(macro-level)high-frequency hot-rolled superplasticity.Micro-quenching superplastic does not have a lot of harsh conditions,which is a unique ideal superplasticity.

superplastic,α→γ phase transition,high temperature type lath martensite phase transition,"guide fish" super magnetization,abnormal growth of recrystallized grains,naphthalene fracture

TG1

A

1672-1152（2016）06-0010-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.03

2016-10-18

喬占琪（1938—），男，成績優異的高級工程師。