李晓月 LI Xiao-yue
（长安大学建筑工程学院，西安 710018）
（College of Civil Engineering，Chang´an University，Xi´an 710018，China）
摘要： 从金属晶体结构角度研究钢材冷作硬化的机理，并运用结论解释实验现象。通过对实验现象的分析，深入探究影响钢材力学性能变化的因素。结果表明，为保证钢材在使用过程中有良好的强度及塑性，并避免脆性造成的损害，在施工过程中应合理选择变形量和时效温度及时间。
Abstract: This paper studies the mechanism of cold-work hardening of steel from the perspective of metal crystal structure and use the conclusion to explain some experimental phenomena. By analyzing the experimental phenomena, the factors affecting the performances of steel materials were found. The results show that in order to ensure the steel materials have good intensity and plasticity and avoid the brittleness damage, reasonable deformation, aging temperature and time should be used in the process of construction.
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关键词 ： 金属晶体结构；变形量；时效温度及时间
Key words: metal crystal structure；deformation；aging temperature and time
中图分类号：TG156.92 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0070-02
作者简介：李晓月（1994-），女，河北邯郸人，本科，从事土木工程材料研究。
1 冷作硬化机理
在研究钢材冷作硬化机理时，先对钢材中主要成分即铁（Fe）的晶体结构进行分析。在对金属晶体的研究中，我们了解到，除Po为简单立方堆积外，大部分金属采用面心立方、体心立方或六方最密堆积中的一种。用致密度和配位数描述晶体中原子排列的紧密程度。见表1。
由表1可知，纯铁在常温下采用体心立方堆积，其致密度及配位数相对较小，即原子排列紧密程度较低。在低温或常温下进行冷轧、冷拉或冷拔时，易发生晶格的扭曲、
畸变，从而使晶粒受剪力滑移或变形，晶粒受剪力滑移后产生摩擦力；晶粒发生变形时，金属原子发生相对位置的变化，金属内正负电荷平衡被打破，产生电场力，需要电子重新分布来恢复平衡，由于电子不断运动恢复平衡，致使磁平衡也将被破坏，因此表现出在一段时间内的磁性。晶格的扭曲、畸变使金属塑性和韧性变差；摩擦力和磁力使屈服点、硬度提高。由此可推测，在工程常用金属中，铁较其他金属易发生冷作硬化。
铁在不同条件下晶体结构会发生改变。纯铁到了912 C°以上就转化为了面心立方体堆积。面心立方晶格的铁并没有铁磁性。在铁中添加其他元素，晶格转变温度会下降。如：在铁中加入碳后，晶格转化温度将下降到727C°。大量加入其它合金元素，这个转化温度甚至可以降到室温以下。在室温仍可以保持面心立方堆积的不锈钢称为奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢无磁性。根据这一特点，可在钢材冷作硬化过程中测定磁性变化来分析其机理。奥氏体不锈钢开始表现为无磁性，进行冷轧、冷拉或冷拔处理后，由于错位塞积和形变诱发马氏体相变，从而产生磁性（马氏体存在磁性）。在冷却条件不同的情况下，表现出的磁性变化不同，从而强度和塑性变化不同。
金属塑性变形时，根据晶体结构变化，大致可分为三阶段。第一阶段为弹塑性变形，在晶粒范围内发生晶块破碎和错位塞积。第二阶段主要是塑性变形，并有非位错性的破坏性变形。第三阶段材料发生破坏。在冷作硬化施工过程，金属主要发生第一和第二阶段的变化。
错位塞积和形变诱发马氏体相变，形变量不同，对金属内磁平衡的破坏不同，恢复磁平衡难度和所需时间也不同。形变量越大，马氏体产生越多。冷却温度过低时，金属内电子难以迅速运动恢复至磁力平衡，导致马氏体持续一段时期；当冷却时间足够长时，金属内电子逐步恢复至磁力平衡，可使由形变引起的马氏体部分消失。
2 实验现象及分析
2.1 选取0.1/s，1/s，2.5/s，5/s的变形速率，在不同应变速率下选取10%、20%、30%和50%的应变程度进行试验。经显微分析及磁性分析后可发现，在相同变形速率下，变形量大于10%后，随变形量增加，马氏体增加。变形量为30%-50%的马氏体增加速率大于形变量为10%-30%的马氏体增加速率。而且，在20%、30%及50%三种形变量的不同速率下，磁性均增加，说明奥氏体不锈钢在冷变形过程中有磁性相产生。该磁性相即为马氏体。变形量增大，引起金属内磁力平衡破坏大，从而产生磁力，产生马氏体这种“硬化相”。作为直线与错位线相互作用的“硬相”，阻碍错位运动，提高错位密度，以致形成复杂的错位强化结构[1]。形变诱发马氏体的量随形变量增加而增加。因此为避免马氏体过多引起的脆硬性，形变量应控制在10%以下。
2.2 控制时效时间及其他条件，在不同温度下测定屈服强度。由图1可得，500 C°时，屈服强度为1150MPa，而650 C°时，屈服强度已经降为550 MPa。在实验温度范围内，时效温度越高，屈服强度和硬度越低[2]。在一定温度范围内，温度越高，电子运动速度越快，恢复磁平衡的效率越高，由形变诱发的马氏体逐步部分消失，塑性提高，强度降低。
2.3 由图2-图3可知，随时效增加，晶体内弥散碳化物数量增多并有长大趋势；呈弥散均匀分布的层片状析出物增多，与奥氏体相互交错使硬度提高，强度和塑性降低。但根据理论分析，随时间增长，金属内电子逐步恢复平衡，电场力应减小，磁效应应减弱，马氏体也应部分减少，强度减小，塑性提高。然而实验表明材料硬度发生提高，塑性降低，与理论分析不相符。其原因在于，由于铁素体原子排列较为稀疏，钢材中合金元素在铁素体中渗透扩散速度远远大于在奥氏体中。因此，固溶不锈钢在750C°时效过程中，铁素体或铁素体—奥氏体晶界处会析出σ相（回火马氏体）。σ相在材料中占有主导地位。σ相属于脆硬相，硬度高、脆性大，材料在未发生变形前便在金属间相附近产生裂纹源和脆性相开裂[3]，使材料塑性减小。因此，要通过控制析出物的数量、大小和分布，使钢材获得更佳的强化效果[4]。
3 结论
①钢材受自身晶体结构影响，形变量越大，金属内部磁力越大，形变马氏体越多，强度提高，塑性降低。为避免脆硬性造成的损害，形变量应不超过10%。
②冷作硬化的时效温度和时间会共同影响钢材的强度、硬度和塑性，应综合考虑材料的力学性质，合理控制时效温度和时间。
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参考文献：
[1]童金涛，张麦仓，等.302HQA钢的冷变形硬化机理研究[J]. 塑性工程学报，2006（5）．
[2]李国明，陈珊，等.时效温度对新型马氏体沉淀硬化不锈钢性能的影响[J].热加工工艺，2009（8）.
[3]向红亮，黄伟林，等.时效温度对2906超级双向不锈钢组织及性能的影响[J].材料热处理学报 ，2010（12）．
[4]王飞，余际星，等.时效时间对0Cr16Ni16钢组织及力学性能的影响[J].热处理，2011（6）．