在金屬行業(yè),temper一詞隨處可見。這個(gè)詞最常用的意思是指材料硬化后的狀態(tài),或者通過回火的方式達(dá)到硬化效果。如果我們將退火態(tài)作為材料強(qiáng)度的基線,回火(tempering) 可定義為對(duì)退火態(tài)的合金進(jìn)行熱處理,加熱到再結(jié)晶溫度,保溫使晶粒長(zhǎng)到足夠大的尺寸,從而使合金強(qiáng)度高于退火態(tài)的強(qiáng)度。而對(duì)于冷軋不銹鋼帶材而言,這種硬化作用是通過冷軋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
冷軋是一種鍛制金屬的工藝,在沒有預(yù)熱的情況下,通過減小金屬帶材的厚度而引起冷加工形變或塑性形變。這種由軋制工藝引起的塑性的或永久性的形變,不僅在宏觀上改變了產(chǎn)品的尺寸,并且微觀上的改變導(dǎo)致了加工硬化。當(dāng)你觀察軋制過程時(shí),你看到的是金屬帶材從兩個(gè)滾筒之間通過,一個(gè)滾筒在上,另一個(gè)在下。在垂直方向的力和長(zhǎng)度方向拉力的合力作用下,金屬帶被擠壓,變薄,變長(zhǎng),并變強(qiáng)。下文我們將用微觀現(xiàn)象來(lái)分析這些變化。
為了理解加工硬化這一現(xiàn)象,我們需要一點(diǎn)冶金基礎(chǔ)知識(shí)。金屬合金在微觀上是一組晶體的陣列,這些晶體又叫做晶粒,這些晶粒的方向在金屬帶材中隨機(jī)分布。晶粒由各種合金元素的原子組成,例如碳,鐵,鎳,鉻等等。每種合金的原子,基于各自的化學(xué)成分,都有一種熱力學(xué)優(yōu)選的重復(fù)排列,這種排列叫單位晶格(unite cell)。金屬的勻質(zhì)部分,由一種重復(fù)的單位晶格形成一個(gè)或者多個(gè)晶粒,叫做相(phase)。某些合金系列甚至用相來(lái)命名。例如300系不銹鋼被叫做奧氏體,是因?yàn)樗麄冊(cè)谕嘶饝B(tài)的主要組成部分是奧氏體相。某些400系合金,例如430,被叫做鐵素體,是因?yàn)樗麄冎饕F素體,而同樣原因,410和420被叫做馬氏體。合金的機(jī)械性能取決于金屬中存在什么樣的相,以及材料尺寸和各種相的晶粒排列方式。
(a) 奧氏體單位晶格中鐵原子和碳原子的排列方式
(b) 鐵素體單位晶格中鐵原子和碳原子的排列方式
(c) 馬氏體單位晶格中鐵原子和碳原子的排列方式
那么加工硬化因素和這些微觀結(jié)構(gòu)有什么關(guān)系呢? 除了非常特殊的情況,鍛造的金屬產(chǎn)品不可能單由一種具有完美晶體結(jié)構(gòu)的晶粒組成。和生活中其他事物一樣,金屬不是完美的。我們都知道水的三相,分別是氣態(tài),液態(tài)和固態(tài)。和水一樣,金屬加熱到足夠高的溫度時(shí)會(huì)熔化,加熱到極高溫度時(shí)也會(huì)蒸發(fā)。合金的各種組成元素按已知比例熔化在一個(gè)巨大的坩堝中, 混合成一種均相溶液,然后澆鑄成方錠。當(dāng)金屬液固化時(shí),熱力學(xué)優(yōu)先相的固體晶粒將在壓力、溫度和化學(xué)成分所允許的任何地方沉淀下來(lái),除非采取非常精巧的措施來(lái)培養(yǎng)單晶粒的成長(zhǎng)和沉淀。許多晶粒就在任何他們能夠到達(dá)的地方沉淀下來(lái),一直生長(zhǎng),直到它們遇上另一顆晶粒,然后形成晶界。
(a)晶粒沉淀的初始狀態(tài)
(b)晶粒生長(zhǎng)
(c)進(jìn)一步生長(zhǎng)并形成晶界
(d)晶粒結(jié)構(gòu)的完成狀態(tài)
最終整個(gè)材料內(nèi)部都充滿了方向隨機(jī)分布的晶粒。合金退火時(shí),也會(huì)發(fā)生同樣的事情,但不同之處是金屬不會(huì)變成液體,晶粒溶解于固溶體中,然后重結(jié)晶,晶體在溫度,時(shí)間和冷卻速率的共同作用下生長(zhǎng),最后重塑整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)。任何時(shí)候,只要有晶粒形成,就有可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)線缺陷,或者晶體結(jié)構(gòu)存在一些缺失部分,又稱為位錯(cuò)。晶體結(jié)構(gòu)中的這些瑕疵和位錯(cuò),以及他們?cè)诰ЯV泻途Ы缟系奈灰普墙饘傺诱剐缘幕A(chǔ)。如果所有的原子都待在正確的晶體結(jié)構(gòu)位置上,就不會(huì)發(fā)生超出原子鍵的位移和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。當(dāng)你去掉一個(gè)原子時(shí),相當(dāng)于創(chuàng)造了一個(gè)機(jī)會(huì),讓另一個(gè)原子能塞進(jìn)這個(gè)位置,有效的移動(dòng)了位錯(cuò)。當(dāng)整塊合金受力時(shí),微觀結(jié)構(gòu)中所有位錯(cuò)的位移之和成就了塑性形變,但不會(huì)出現(xiàn)開裂。
(a) 沒有位錯(cuò)的晶格
(b) 晶格內(nèi)部的位錯(cuò)移動(dòng)
(c) 塑性形變后的晶格
這就是加工硬化的切入點(diǎn)。當(dāng)一塊合金受力的作用時(shí),合金被加工時(shí),意味著整個(gè)系統(tǒng)增加了能量。如果增加的能量足夠大,能產(chǎn)生塑性形變時(shí),晶格被拉伸并形成新的位錯(cuò)。這看起來(lái)似乎應(yīng)該是提升了延展性,因?yàn)楫a(chǎn)生了更多的自由空間,使得位錯(cuò)位移的可能性更大。但是,當(dāng)一個(gè)位錯(cuò)陷入另一個(gè)位錯(cuò)時(shí),他們就鎖住了,將彼此釘在一起。當(dāng)位錯(cuò)的數(shù)量和濃度增加時(shí),越來(lái)越多的位錯(cuò)被釘死,從而降低了延展性。最后,因?yàn)槲诲e(cuò)數(shù)量太多,加工的方式已經(jīng)不能夠再產(chǎn)生更多的位錯(cuò)了。已經(jīng)存在的這些位錯(cuò)被釘死了,不能產(chǎn)生位移,所以原子鍵就一直被拉伸,直至斷裂,從而導(dǎo)致了材料的開裂。這就是為什么合金會(huì)出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象,為什么合金物體能承受的塑性形變是有上限的,超過這個(gè)上限,合金會(huì)斷裂。對(duì)合金進(jìn)行冷加工,甚至還能改變微觀結(jié)構(gòu)中的相。奧氏體合金被冷作時(shí),其微觀結(jié)構(gòu)一直被拉伸,一些奧氏體可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在室溫條件下,馬氏體的強(qiáng)度高于奧氏體,但是延展性更差,因此這種轉(zhuǎn)變可以使材料強(qiáng)度提高,但是會(huì)變得更脆。這也是為什么300系合金在固溶態(tài)是無(wú)磁性的,但是加工硬化后,磁性增加;這是因?yàn)閵W氏體沒有磁性,而馬氏體是磁性的。
材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度通常用壓力單位(psi,MPa)來(lái)表示,這個(gè)值是用力除以受力面積計(jì)算而得。材料的延展性可用延伸的百分比來(lái)量化表示, 這個(gè)百分比也表示應(yīng)變。應(yīng)變時(shí)用因受力而改變的長(zhǎng)度除以受力部分的總長(zhǎng)度。延伸百分比用來(lái)表達(dá)斷裂時(shí)的應(yīng)變率[(最終長(zhǎng)度-初始長(zhǎng)度)/初始長(zhǎng)度]*100. 這個(gè)比例用來(lái)表示這個(gè)材料在斷裂之前能被拉伸到多大的程度。金屬受壓力時(shí)并不是總會(huì)產(chǎn)生塑性形變。應(yīng)變較低時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線陡峭部分叫做彈性部分,因?yàn)樗硎痉怯谰眯缘模驈椥缘膽?yīng)變。金屬的橫截面可以延展一定的量,不會(huì)產(chǎn)生塑性形變,這意味著一旦去掉這個(gè)外力,這個(gè)截面可以恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。在金屬的成形加工中,理解曲線的彈性部分很重要,因?yàn)榻饘俚膹椥钥赊D(zhuǎn)化為彈性回復(fù)。材料在不產(chǎn)生塑性形變時(shí)能獲的應(yīng)變?cè)蕉啵敲磸椥曰貜?fù)也隨之增加。
在塑性形變這一排,受力狀態(tài)和最終狀態(tài)兩個(gè)圖中針腳位置的變化就叫做彈性回復(fù)。