金属材料裂纹自愈合的热处理试验方法及结果分析

摘 "要：该文探究不同热处理方式对金属材料内部裂纹自愈合的影响。选择20钢和45钢这2种材料，采用钻孔压缩法制作内部带有裂纹的试件。试验设有2个变量，分别是加热温度（800、850、900、950和1 000 ℃）和保温时间（30、45、60 min），对比不同加热温度和不同保温时间下，试件内部裂纹的自愈合情况。结果表明，加热温度越高，保温时间越长，内部裂纹的自愈合效果越好。在加热至1 000 ℃、保温时间为60 min的情况下，原裂纹已经完全消失，实现裂纹的自愈合。

关键词：裂纹自愈合；热处理；金相观察；20钢；45钢

中图分类号：TB301 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2023）20-0059-04

Abstract：

This paper investigates the effect of different heat treatment methods on the self-healing of internal cracks in metallic materials. Two kinds of materials， 20 steel and 45 steel， are selected， and the specimens with internal cracks are made by drilling compression method. There were two variables in the experiment， namely heating temperature （800，850，950，950，1 000 ℃） and holding time （30， 45， 60 min）. The self-healing of internal cracks was compared under different heating temperature and different holding time. The results show that the higher the heating temperature is and the longer the holding time is， the better the self-healing effect of internal cracks is. Under the condition of heating to 1000 ℃ and holding time of 60 min， the original crack has disappeared completely and the crack self-healing has been realized.

Keywords： crack self-healing; heat treatment; metallographic observation; 20 steel; 45 steel

自愈合（Self-healing）是材料能够主动从周围环境中吸收、转化能量，使自身存在的裂纹愈合的一种现象。材料裂纹自愈合是现阶段材料智能化研究领域的热门课题，目前金属材料的裂纹自愈合方式有多种，例如高温加热法、微波加热法等。20钢和45钢是工业和制造业领域常用的2种材料，探究金属材料内部裂纹自愈合的热处理技术，对工业和制造业向高端转型和实现健康发展有积极帮助。

1 "金属材料裂纹自愈合的热处理试验

1.1 "试验材料与设备

本次试验中使用的材料主要有20钢、45钢。2种材料中主要元素的质量百分数见表1。

表1 "2种试验材料的化学成分 " " " " "（%）

本次试验中使用到的仪器设备有SX2-4-10热处理炉、Z512B台式钻床、BX6-315交流弧焊机及PMG-3金相显微镜等。

1.2 "制作含内部裂纹的试样

本试验采用钻孔压缩法制作含内部裂纹的试验，具体加工方法：选择某一种类型的试验材料，将其加工成直径为30 mm、高度为25 mm的圆柱体；然后使用Z512B台式钻床，在该圆柱体的中心处钻孔，孔径为2 mm，孔深为10 mm。钻完孔后，使用棉签蘸取丙酮和无水乙醇清洁钻孔，在干燥以后选取一根直径为2 mm、长度为5 mm的低碳钢销钉插入钻孔内。使用手工电弧焊将销钉与试样焊接成为整体，从而得到一个内部有5 mm圆形孔的圆柱试样，如图1所示。

将制得的空心圆柱体进行加热，在200 ℃环境下保温30 min后，将其转移到WE-300B型液压万能材料试验机上，设定加载速度为0.5 m/s，设定加工方式为自由镦粗，加工后自然放冷，即可得到含有内部裂纹的试样。

在镦粗加工环节，镦粗的压下量不同，内部孔洞产生的裂纹尺寸也会有明显差异。如果压下量偏多，可能导致孔洞完全压合，后期无法自愈合；相反，如果压下量偏少，则难以形成裂纹。在本次试验中，采取了递增法寻找最佳的压下量。准备4个加热处理后的试样，按照压下量为15%、20%、25%和30%分别进行镦粗，然后沿中轴线剖开，观察4个试样内部裂纹的形成情况。对比发现，当压下量为25%时，孔洞变形产生的裂纹宽度在1.0～1.5 μm之间，可以在高温处理下实现自愈合。

1.3 "裂纹自愈合处理工艺

裂纹自愈合的热处理工艺见表2。

表2 "金属材料裂纹自愈合的热处理参数

如表2所示，在金属材料内部裂纹的自愈合处理中，设有5组热处理，初始加热温度为800 ℃，温度增量为50 ℃，通过横向对比判断不同加热温度对金属材料内部裂纹愈合情况的影响。同时，每一种加热条件下还设有3个保温时间，目的是判断不同保温时间对金属材料内部裂纹愈合情况的影响。以加热温度1 000 ℃为例，首先将SX2-4-10热处理炉的温度升高到1 000 ℃，然后将准备好的9个试样放入炉内，保温30 min后，随机取出3个试样，放于实验室内自然冷却；剩余6个试样继续在炉内1 000 ℃环境下保温，在第45分钟时，再取出3个试样，按照同样的方式冷却；最后在第60分钟时，将剩余的3个取出并冷却[1]。按照上述试验处理方案，每一种材料需要准备45个试样。

1.4 "试样的金相观察

按照上述试验操作流程完成试样的热处理后，将自然冷却至室温的试样放于DK7735线切割机上，沿着试样的中轴线进行切割。使用M7120平面磨床打磨试样的剖面，完成抛光后用毛刷蘸取适量体积分数为5%的硝酸酒精在抛光面上均匀涂抹2～3遍。等到表面干燥后，将处理后的试样转移到PMG-3金相显微镜下，观察内部裂纹的愈合情况，并拍摄金相照片，使用该照片与试验所得照片做对比。

2 "金属材料裂纹自愈合试验结果

2.1 "20钢内部裂纹自愈合处理结果及分析

2.1.1 "不同温度对裂纹自愈合的影响

选取了20钢在加热温度为800、850、900和1 000 "℃，保温时间为60 min，冷却至室温后的金相照片，如图2所示。

观察加热至800 ℃、保温60 min后冷却至室温的20钢金相照片（图2（a）），可以发现内部裂纹并无愈合的迹象。另外，裂纹机体组织仍然保持拉长的晶粒，未发生再结晶。

观察加热至850 ℃、保温60 min后冷却至室温的20钢金相照片（图2（b）），可以发现内部裂纹形态开始发生一定的改变，原来呈连续状态的裂纹，局部发生了愈合，使得长裂纹呈间断状态，说明在此处理条件下裂纹开始愈合。另外，裂纹机体晶粒为等轴状分布，这一变化说明了机体已经再结晶。

观察加热至900 ℃、保温60 min后冷却至室温的20钢金相照片（图2（c）），可以发现裂纹区域的变化更加明显。随着加热温度的升高、保温时间的延长，断续状裂纹的长度进一步变短，从条状逐渐变成了点状，说明裂纹愈合效果增强。在原来裂纹痕迹处，只留下零散分布的几个小孔洞。此外，受到裂纹机体再结晶的影响，在原裂纹分布的区域出现了大量细晶粒带（愈合带）[2]。

将20钢加热至1 000 ℃、保温60 min后冷却至室温（图2（d）），小孔洞完全消失，原来裂纹分布的区域只留下一条白色的细晶粒带。

2.1.2 "不同保温时间对裂纹自愈合的影响

本次试验中，对比了不同保温时间对金属材料内部裂纹自愈合的影响。以加热温度900 ℃为例，将保温时间从30 min分别延长至45 min、60 min，裂纹的宽度和长度均有不同程度的缩小，说明适当增加保温时间，对裂纹自愈合也有积极影响。

2.1.3 "愈合带组织成分变化

综合对比还发现，加热温度与愈合带的宽度呈反比，即加热温度从800 ℃升高至1 000 ℃，保温时间不变，愈合带的宽度收窄。分析其原因，在加热温度升高以后，微观结构上原子的扩散速度进一步加快，在裂纹边缘、靠近机体的区域，晶粒变大、变长，并逐渐与机体晶粒保持一致；但是在裂纹中心区域，晶体的长度、体积无法变大，仍然为细小晶粒，与机体晶粒之间的差异明显。温度越高，变大、变长的晶体数量越多，相应的由细小晶粒组成的愈合带越窄。有研究表明，当20钢的加热温度达到1 200 ℃、保温时间达到60 min，愈合带将会完全消失，表明裂纹也实现了完全愈合[3]。

2.2 "45钢内部裂纹自愈合处理结果及分析

2.2.1 "不同温度对裂纹自愈合的影响

选取了45钢在加热温度为800、850、900 ℃，保温时间为60 min，冷却至室温后的金相照片，如图3所示。

观察图3（a），与室温下45钢的金相照片进行对比，可以发现裂纹宽度虽然略有缩小，但是整体上仍然保持了连续状态。同时，裂纹区域内的组织与周边机体组织也有明显的差异，表现出共析铁素体的带状特征。分析其原因，45钢裂纹周边有良好的应变能力，在高温环境下为共析铁素体的形成提供了有利条件。

观察图3（b），可以发现原来连续状的裂纹，在尾部已经开始出现断裂，并且出现了与20钢愈合时相同的愈合带，这一现象表明在该处理条件下45钢也开始愈合。愈合最先发生在裂纹宽度最小的尾部，随后依次向中部、端部延伸。45钢在加热至850 ℃时，机体已经呈现魏氏组织形貌，而20钢则需要加热至1 000 ℃才会出现此状况，分析认为这一差异的出现与45钢的AC-3温度低于20钢有关。

观察图3（c），可以发现裂纹已经由短裂纹变成了圆形孔洞，说明愈合程度进一步提高。

从整体变化规律上来看，45钢从800 ℃升高至1 000 ℃的内部裂纹变化，与20钢基本一致。即随着加热温度的升高，愈合带收窄，从细长而连续的裂纹，逐渐变成断裂的小裂纹，再变成小的圆形孔洞，最后完全消失。在升温过程中，裂纹愈合区域的组织成分也发生了变化，逐渐与周围机体的组织成分相同。

2.2.2 "不同保温时间对裂纹自愈合的影响

3种保温时间下45钢内部裂纹自愈合的规律，与20钢基本一致，即同一加热温度条件下，随着保温时间的延长，裂纹自愈合效果越好。

2.2.3 "愈合带组织成分变化

使用JEM-6700F扫描电子显微镜对45钢裂纹愈合带进行扫描并分析其成分，可以发现愈合带处细晶粒的含碳量（相对能谱强度在6～8 μm之间）要明显少于周围集体组织的含碳量（相对能谱强度在12～18 μm之间）。但是细晶粒边缘的含碳量极高，个别情况下相对能谱强度可以达到30 μm。根据这一分析结果，可以得出以下结论：45钢愈合带的细晶粒主要成分为铁素体，并且铁素体的含量较高。细晶粒的边缘部位主要成分是含碳量更高且具有放射性特征的珠光体，因此相对能谱强度明显高于其他区域[4]。

3 "金属材料内部裂纹自愈合的机制分析

3.1 "裂纹自愈合的驱动力

相比于无裂纹的金属材料，裂纹带来的晶格畸变、错位等微观结构上的变化，会使系统的自由能产生一个增量。这样一来，为了保证能量守恒，系统必须要通过其他途径降低自由能，而裂纹愈合则是一种最有效的途径。从这一点来看，裂纹带来的系统自由能的增量，是裂纹自愈合的驱动力。为了让裂纹实现自愈合，需要提供外界能量，并且要求外界能量产生的驱动力大于裂纹愈合的阻力，才能达到愈合的目的。能够提供这种驱动力的外界能量有多种，例如热量、脉冲电流等。以本文研究为例，当加热温度在800 ℃时，产生的驱动力小于裂纹愈合的阻力，因此裂纹没有愈合；当加热温度升高至1 000 ℃后，热量产生的驱动力大于裂纹愈合的阻力，因此裂纹愈合。需要注意的是，虽然升高温度会加快裂纹自愈合的速度和效率，但在实际处理带有内部裂纹的金属材料时，一味升高加热温度也会导致操作成本的上涨，甚至当温度升高到一定程度后，金属材料还会熔化。因此，在金属材料内部裂纹的自愈合处理中，选择合适的临界温度至关重要。

3.2 "裂纹自愈合的机制

将内部含有裂纹的金属材料视作独立的封闭系统，那么在裂纹自愈合的热处理中，封闭系统与外部环境之间只存在能量交换，而没有发生物质交换。这种情况下金属材料内部裂纹要想自动愈合，只能依靠原子扩散和结构变化来实现。其中，原子扩散为裂纹自愈合提供了物质基础，而裂纹愈合带的晶粒变长、变大，则是实现裂纹自愈合的主要机制[5]。结合前文试验，在保温时间一致的前提下，随着加热温度的升高，金属材料内部裂纹实现愈合大体可分为3个阶段。

阶段一：裂纹分隔。最初的细长条形裂纹从某个或多个位置断开，形成多个断续状的短裂纹。

阶段二：短裂纹愈合。尾部的裂纹最先愈合，然后中部和端部的裂纹也逐渐缩小，形成小孔洞。

阶段三：孔洞进一步缩小，并且数量也逐渐减少，最终完全消失。

内部裂纹愈合的过程如图4所示。

4 "结论

金属材料在加工制作过程中，因为车间环境、材料特性、加工方法等因素的影响，不可避免地会产生一些微小的裂纹或空隙，通过热处理的方式让金属材料内部的这些裂纹、空隙自动愈合，能够有效提高材料整体强度，避免裂纹的进一步扩展，延长了材料的使用寿命。本文试验表明，对于20钢和45钢这2种含碳量不同的钢材，将其加热至1 000 ℃、保温60 min，可以让内部的微小裂纹自动愈合，效果较好。

参考文献：

[1] 张亚军，张欣耀，张云浩.金属材料疲劳裂纹扩展速率Paris模型中材料常数的相关性[J].材料开发与应用，2021，36（4）：1-8.

[2] 李一磊，李朋洲，姚迪，等.金属材料裂纹冲击韧性评定方法研究[J].核动力工程，2021，42（5）：114-118.

[3] 王亮，杨洋，王翔，等.表面自愈合涂层2D-SiC_f/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理[J].中国陶瓷，2022，58（6）：43-52.

[4] 赵迎祥，肖亚航.工程材料微裂纹自愈合技术及其机理[J].热加工工艺，2003（4）：44-46.

[5] 殷志明，徐龙勇，倪平.真空热处理对钢中微裂纹自愈合行为的影响[J].科技创业家，2013（9）：201.