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高溫下應(yīng)力引起的碳鋼晶界遷移

嘉峪檢測網(wǎng) 2019-08-27 17:04

隸屬于豐田中央研發(fā)實驗室的金屬成型實驗室，聯(lián)合名古屋大學(xué)，使用帶拉伸壓縮功能的高溫激光共聚焦顯微鏡，對高溫下應(yīng)力引起的碳鋼晶界遷移進行研究。

傳統(tǒng)方法

動態(tài)再結(jié)晶 (DRX)作為一個恢復(fù)過程，DRX的出現(xiàn)會影響流動應(yīng)力。傳統(tǒng)手段是,為了保持高溫形變后試樣狀態(tài)，使用水或者氦氣對試樣快速冷卻

由于小應(yīng)力下DRX不出現(xiàn)，微觀結(jié)構(gòu)也不會發(fā)生劇烈變化，流動應(yīng)力受影響不大，采用快速冷卻法對冷卻后的試樣進行觀察，難以識別微觀結(jié)構(gòu)變化。該方法適用于研究大應(yīng)力下的再結(jié)晶,研究小應(yīng)力下的微觀結(jié)構(gòu)變化很困難。

原位觀察熱變形過程

原位觀察熱變形過程，能夠研究在小應(yīng)力過程中發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化。研究了碳鋼在高溫小應(yīng)力作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化，如應(yīng)力誘導(dǎo)的邊界遷移(SIBM)。通過原位觀察，測定了SIBM的生長速率和初始應(yīng)變。

實驗準(zhǔn)備

設(shè)備名稱：帶拉伸壓縮功能的高溫激光共聚焦顯微鏡

設(shè)備型號：VL2000DX-SVF17SP-15FTC

環(huán)境氛圍：99.999%氬氣保護，以防止試樣表面氧化。

試樣尺寸：2 mm厚，總長度120 mm，握把寬度10 mm，中間截面長度30 mm，中間截面寬度8 mm(參見參考文獻)。(11、12)。所用材料為S25C (Fe - 0.22 wt.% C - 0.19 wt.% Si - 0.51 wt.% Mn)。

實驗程序：

升溫速率為5 K/s，試樣分別被加熱到1273 K、1373 K和1473 K，然后在對應(yīng)溫度保溫2分鐘。試樣變在1.0毫米每分鐘的張力下變形超過20.0%,在此期間進行了原位觀察，掃描速率為15幀每秒。

為得到每個試樣分散的平均值，分別在每個實驗條件下測試了5個試樣。

實驗數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)對比

Senuma等人利用快速冷卻法對水冷試樣的觀測結(jié)果進行統(tǒng)計，計算得出臨界應(yīng)力。通過高溫原位實驗，測量DRX的臨界應(yīng)力（從初始組織中出現(xiàn)新的邊界的應(yīng)變）。

高溫下應(yīng)力引起的碳鋼晶界遷移

圖1. DRX的臨界應(yīng)力

DRX臨界應(yīng)力和溫度對應(yīng)關(guān)系如圖1所示，臨界應(yīng)力隨溫度的升高而減小。

實驗值與計算值在1373 K和1473 K處吻合較好。

實驗值與計算值在1273 K時存在差異，計算值在1273 K處的分?jǐn)?shù)不高，說明DRX在1273 K處局部出現(xiàn)，采用快速冷卻法對冷卻后的試樣進行觀察，難以識別微觀結(jié)構(gòu)變化。

原位觀測方法能夠精確地觀測DRX出現(xiàn)的時間。

高溫下應(yīng)力引起的碳鋼晶界遷移

圖2.SIBMs 在1473K時的表現(xiàn)形式

在DRX臨界應(yīng)力下的小張力中，原位觀察方法可以清晰地觀察到SIBMs。在1473 K時觀察到的有代表性的SIBM形式如圖2所示。通過觀測證實，SIBMs發(fā)生在平面邊界和凹、凸三聯(lián)點上。

高溫下應(yīng)力引起的碳鋼晶界遷移

圖3. SIBM 速率和頻率的直方圖

高溫下應(yīng)力引起的碳鋼晶界遷移

圖4.SIBM的起始應(yīng)力

測定了各溫度下的SIBM速率。SIBM速率和相對頻率的直方圖如圖3所示。計算了三種溫度下的相對頻率。圖3顯示，大部分SIBM以0.2-0.6 μm 每秒的速率發(fā)生，在更高的溫度下，SIBM速率有升高的趨勢。值得注意的是，SIBM速率至少比晶粒生長速率高10倍。各溫度下的SIBM初始應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。結(jié)果表明，SIBM是由0.015應(yīng)力引發(fā)的。這個值大約比DRX的臨界應(yīng)力小一個等級(圖1)。

總結(jié)

本研究采用高溫共聚焦顯微鏡，在高溫下對SIBM進行了原位觀察，SIBM在碳鋼中出現(xiàn)在DRX臨界應(yīng)力下的小張力下。這一研究證實了SIBM存在于不同形態(tài)的晶界上。采用原位觀察方法成功地測定了SIBM的生長速率，得出了 SIBM的生長速率明顯高于無應(yīng)變生長速率的結(jié)論，并且得知SIBM的初始應(yīng)變比DRX的臨界應(yīng)力小一個數(shù)量級。

來源：理化檢驗物理分冊

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