層狀納米晶低碳鋼板的力學性能與變形量關系研究

李德志 楊坤 張靜武

摘 要：層狀納米晶材料不僅具有納米材料的優(yōu)秀的物理性能，而且其內生的弱界面對港版的力學性能有明顯變化，隨變形量的增加抗拉強度和硬度都顯著提高，通過掃描電鏡觀察，可以看到斷口明顯的分層狀態(tài)。

關鍵詞：納米材料;層狀結構;力學性能;變形量

1.前言

近些年，低碳鋼作為重要的工程結構材料，正在向細晶、超細晶、甚至納米晶的方向發(fā)展，細晶粒材料備受關注，是由于它優(yōu)秀的物理和力學性能，例如細晶粒鋼在低溫下，保持高強度同時還保持好延展性和塑性，是唯一一種強度和韌性同時提高的強化機制[1]。

本文對冷軋低碳鋼的力學性能進行研究，這種低碳鋼在室溫下經多道次大變形量軋制，板條馬氏體取向逐漸趨于一致，板條的寬度不斷減小，可以達到納米級，具有內生層狀納米晶復合結構，對這種新型材料的力學性能的研究有重要意義。

2.實驗材料及方法

實驗材料是典型的低碳鋼板（化學成分為C，0.12%;Si，0.04%;Mn，0.13%;P，0.01%;S，0.004%;Cr，0.48%;Mo，0.46%;V，0.04%），將實驗鋼板加熱至900℃保溫，在10%的氯化鈉冰水淬火，得到板條馬氏體組織，然后在輥鍛機上進行同方向多道次軋制。冷軋時，分別按照60%、70%和80%取樣。根據緊湊拉伸試樣標準制成拉伸試樣，尺寸如圖1所示。

3.實驗結果及討論

3.1 原始冷軋組織

該實驗用鋼具有相同的化學成分的低碳鋼的組織為退火鐵素體和珠光體，淬火后主要為馬氏體，圖2可以看出該實驗鋼板經冷軋后馬氏體板條取向趨于一致，基本達到平行排列（圖2a），表面則形成薄餅狀晶粒（圖2b）。

3.2 力學性能

經冷軋后的試樣，其靜載拉伸曲線沒有明顯的屈服，經統計得到，三種變形量試樣的拉伸強度與變形量的關系曲線（如圖3所示）。抗拉強度和硬度都隨變形量的增加而增加，80%變形試樣的抗拉強度達到1524.1MPa，HRC硬度為55，明顯高于普通Q235鋼。

3.3? 變形量對力學性能的影響

對于板條組織的馬氏體體鋼，有人證實，斷裂強度與板條束寬的平方根成反比，其表達式為[2]：

其中（2rs+rp）—有效界面能，dp—板條束寬度。這個公式說明減小馬氏體的寬度能提高裂紋擴展的臨界應力，使金屬材料的脆性降低。低碳鋼在淬火后形成板條馬氏體，如圖4是不同變形量試樣側面的TEM像，可以看出這些板條馬氏體經多道次冷軋后，板條沿軋面和軋向近似平行排列，多數相鄰板條間存在較大的位相差。隨變形量的增加馬氏體板條的寬度逐漸減小，變形量為60 %、70 %和80 %的平均板條寬度分別為187 nm、132 nm和78 nm;板條內的亞結構主要是位錯，位錯被界面所束縛。{110}織構的強度加強，材料的抗拉強度也隨著增加[3]。

3.4 斷口分析

靜載拉伸后對80%變形試樣的斷口進行觀察（圖5），出現明顯的分層，這是由于其內生層狀復合結構導致的。

4.結論

低碳鋼經淬火-不同變形量冷軋后，形成層狀晶粒，經拉伸實驗得到如下結論：三種變形量試樣的抗拉強度和硬度隨變形量的增加而增加。

參考文獻

[1]翁宇慶.超細晶鋼理論及技術發(fā)展.鋼鐵，2005，40（3）：1-8

[2]束德林.金屬力學性能.機械工業(yè)出版社：1986

[3]X.Zhao，T.F.Jing，Y.W.Gao，G.Y.Qiao，J.F.Zhou，W.Wang.Annealing behavior of nano-layered steel produced by heavy cold-rolling of lath martensite.Materials Science and Engineering：A，397（2005）：117–121