20CrMnTi钢的位错密度及晶体结构

文章编号：1671 -5497（2004）01 -0031 -04 收稿日期：2003-01-25 . 基金项目：“九五”国家科技攻关资助项目（96- A22-03-02）. 作者简介：程万军（1963 - ），男，吉林长春人，讲师，博士研究生.E- mail ：wj ylover !tom.com 20Cr MnTi 钢的位错密度及晶体结构 程万军1，高占民2，黄良驹2 （1. 吉林大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130025；2. 吉林大学 辊锻工艺研究所，吉林 长春 130025） 摘 要：采用X 射线衍射法及新的线性分析理论，准确地测量了不同应变量时20Cr MnTi 钢的 位错密度，分析了应变量与位错密度的关系。结果表明：位错密度随变形量的增加而提高，退 火状态时位错密度较低。透射电镜试验证明了20Cr MnTi 退火后的组织为铁素体和珠光体， 晶内位错表态为“曲折”形的位错线，变形后形成胞状结构，同时有孪晶出现。胞状结构的出现 大大提高了钢的强度。 关键词：20Cr MnTi 钢；X 射线衍射；位错密度；晶体结构；位错形态 中图分类号：TG144 文献标识码：A Deter mination of dislocation densities and crystal struct ure on 20cr mnti steel C~ENG Wan-j un 1，GAO zhan- min 2，~uANG Liang-j u 2 （1 College of Material science and Engineering ，Jilin unioersitN ，Changchun 130025，China ；2 Roll Forging I nstit ute ， Jilin unioersitN ，Changchun 130025，China ） Abstract ：Dislocation densities i n 20Cr MnTi steel under diff erent sizes of strai n were deter mi ned exactly by X-ray diff raction method and a new profile analysis t heory . The relation of strai n and dislocation densities was analyzed . The results show that t he i ncrease of dislocation density is accompanied by t he i ncrease of def or mation amount . The dislocation density has lower value when the steel is annealed . TEMtests prove t hat 20Cr MnTi become ferrite and pearlite after anneali ng . I ntragranular dislocation appears as zi gzag dislocation li ne and comes i nto bei ng cell struct ure wit h t he appearance of t wi n crystals after def or mation . Cell struct ure i mproves t he strengt h of steel greatly . Key words：20Cr MnTi steel ；X-ray diff raction；dislocation densities；crystal struct ure；dislocation mode 自从1934 年由Taylor ，Polanyi 和Orowan 3 人几乎同时将位错概念引入晶体中并与晶体的不均匀 滑移变形相联系以来，位错理论已成为分析金属材料许多重要行为（特别是力学行为）的理论依据。虽 然实际金属中位错非均匀分布，且强化常常取决于位错的局部交互作用，但仍以平均位错密度来表征对 基体的强化作用，故准确测量具体金属中的位错密度有实用意义。本研究采用X 射线衍射法和新的线 形分析理论［1"5］，测定了不同变形条件下的位错密度，并分析了影响位错密度的因素。为了深入研究 冷塑性变形的强化机制，利用透射电子显微镜对其晶体结构和位错组态进行了研究［6"8］。 第34 卷 第1 期 吉 林 大 学 学 报（ 工 学 版 ） Vol .34 No .1 2004 年1 月 Journal of Jili n university（Engi neeri ng and Technology Edition） !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Jan .2004 1 位错测定的物理基础———新的线形分析理论 衍射仪测得的试样轮廓线形h（x ）称为实际线形，可表示为： h（x ）=!g（y ）f（x - y ）dy／@ （1） 式中：g（y ）为几何宽化线形，一般是由衍射几何等仪器因素而引起的衍射线宽化；f（x -y ）为物理宽化 线形，它完全是由所研究的物理因素而引起的衍射线宽化；@ 为比例因子。 几何线形都可展成Fourier 级数。设A（L ）为实部，则有： An（L ）= Ag（L ）·Af（L ） （2） 式中：Ag（L ）及Af（L ）反映线形的对称性，与有效晶粒大小Deff和第三类应变的均方根值SMR 有关。 理论分析认为，物理线形f（x ）由粒子大小宽化线形f D（x ）和应变宽化线形f S（x ）卷积而成，因此： A （L ）= AD（L ）·AS（L ） （3） 式中： AD（L ）= O - L／Deff （4） O 为Hook 效应常数，一般线形均可认为是由Cauchy 成分和Guassian 成分组成的混合线形。于是，可由 Cauchy 积分宽度!C 和Guassian 积分宽度!G 表示AS（L ），即： AS（L ）= exp（- 2!CL -!!2GL 2） （5） 利用最小二乘法求出Deff、O 、!C 和!G 的最佳值，即可求出位错密度"和位错分布参数M。这一新 的线形分析理论可以方便地测出常见的f cc、bcc 和hcp 三种结构的位错密度及分布状态。 2 位错密度测定实验方法 把经球化退火处理的20Cr MnTi 钢加工成直径 图1 位错密度随变形量变化的规律 Fig .1 Dislocation density as f urction of def or mation amount 为S mm，高为15 mm 的圆柱试样，分为5 组，每组3 个。应变分别为5 %、10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、 60 %。 利用X 射线衍射法和新的线形分析理论计算 出不同压缩应变下的位错密度，如图1 所示。可以 看出，随压下量的增大，位错密度也增大，当变形量 大于40 %时，位错密度基本恒定在1012"1013／cm2。 3 透射电镜试验 !"# 试样制备 用金属线切割机在上述试样的中间切割下300"400 #m 的薄片。用502 粘胶将薄片贴在金属垫片 块上，用手工方法在砂纸上磨薄，除去线切割电火花造成的表面损伤（每边约 100 #m），再用 W（H20 2）=45 %、W（H20 ）=45 %、W（HF）= 10 % 的混合溶液对薄片进行化学抛光。目的是为了得到 用于最终电解减薄的预薄膜，同时又可消除打磨时造成的变形层。然后用双喷油解抛光仪减薄，制成供 透射电镜观察用的金属薄膜试样。电解抛光液为15 %的高氯酸无水乙醇溶液。抛光电压为20 V，电流 为1 ，电解液温度为0 C。为了使电镜试验更理想，将电解后的试样再用离子减薄仪进一步减薄。这 样可使试样薄区增大，又可除去抛光时在样品表面形成的氧化膜。 ·23· 吉 林 大 学 学 报（ 工 学 版 ） 第34 卷 !"# 试验结果 采用 -SUU 透射电子显微镜对试样中的晶体结构及位错形态进行分析，试验时加速电压为 2UU kV，束斑1U nm，用选区电子衍射分析晶体结构，用衍衬象观察位错形态。 3. 2. 1 晶体结构分析 选区电子衍射结构分析表明，2Ucr mnti 钢基体结构为铁素体+ 珠光体组织。明场观察时发现 2Ucr mnti 钢的显微组织中存在普通晶界和孪晶晶界2 种晶界。图2 是普通晶界衍射图。图3 是应变 为4U %的试样的晶界衍射图。此项试验在冷锻和等速压缩试验中均一致。 图2 普通晶界选区电子衍射图 Fig .2 Selected zone electron diffraction photograph on the grai n boundaries 图3 应变为4U %时试样的晶界 Fig .3 Grai n boundaries wit h strai n of 4U % 3. 2. 2 位错形态观察 （1）晶内位错 以上5 组试样在明场下位错形态基本相同，主要是呈“曲折”形的线状位错，某些区域密度较高，位 错缠结成网状，如图4 和图5 所示。 图4 经5 %变形后试样晶内位错（X SUUUU ） Fig .4 Dislocation i n t he grai ns wit h strai n of 5 %（X SUUUU ） 图5 经1U %变形后试样晶内位错（X SUUUU ） Fig .5 Dislocation i n t he grai ns wit h strai n of 1U %（X SUUUU ） （2）胞状位错 上述5 组试样随变形量的增大，位错密度也不断增大，位错分布也开始由晶界附近逐渐向晶粒内扩 展，并形成胞状结构。位错密度由晶界附近向晶粒内部的扩展表明，即使在最佳变形条件下，随着变形 程度的增大，晶粒的形状也会发生较大的变化。而胞状亚晶的出现则证明，在晶粒内部各处局部的变形 ·33·第1 期 程万军，等：2Ucr mnti 钢的位错密度及晶体结构 主要是通过位错运动来协调，当变形量较大时，还出现了孪晶。图6 是孪晶界选区电子衍射图。由衍射 分析及计算可知，图7 中的平行条纹是孪晶，孪晶对位错的调节变形起到一定的辅助作用。当变形量较 大时，位错之间形成缠结，因而限制位错运动。孪晶的出现可使位错改变方向，从而进一步变形。 图6 孪晶晶界选区电子衍射图 Fig .6 Selected zone electron diffraction photograph on the t wi n boundaries 图7 孪晶的TEM照片 Fig .7 TEMphotograph of a t wi n crystal 4 结 论 （1）位错密度随变形量的增加而提高，退火状态时位错密度较低。 （2）利用透射电镜试验，证明了2 Cr MnTi 退火后为铁素体+ 珠光体。 （3）晶内位错表态为“曲折”形的位错线，经变形后在局部高密度位错区，位错呈网状缠结，并形成 胞状结构，同时有孪晶出现，这种胞状结构的出现大大提高了钢的强度。 参考文献： ［1 ］陈明伟，单爱党，林栋梁. Fe3Al 基合金超塑性变形过程中位错结构的演化［J］. 金属热处理学报，1995，16（3）：9 - 14 . ［2 ］张静江，王滨，奚建法，沈佳球. 高锰低温钢晶体结构及位错形态研究［J］. 机械工程学报，1998，34（6）：23 -26 . ［3 ］谢书银，袁鹏，万关良，李励本，张锦心. 硅片塑性形变与位错［J］. 稀有金属，1998，22（3）：2 8 -211 . ［4 ］李航月，胡奈赛，何家文，周惠久. 残余压应力场中裂纹扩展的闭合模型［J］. 金属学报，1998，34（8）：847 -85 . ［5 ］徐颖，陈经辉，田华，林栋梁. 金属中裂纹形核的一个理论模型［J］. 材料科学与工艺，1996，4（4）：1 -6 . ［6 ］于利根，徐可为，何家文，顾海澄. 晶粒度对立方系材料织构及残余应力分析的影响［J］. 金属学报，1995，31（5）： B233 -B236 . ［7 ］朱峰，曹起骧，徐秉业，屈洋，李国宪，王谦和. 塑性加工中的微观组织性能控制［J］. 塑性工程学报，1994，1（4）：33 -37 . ［8 ］秦紫瑞，李隆盛，刘德经. ZGOCr2 Ni25 Mo5Cu1 .5 钢的组织与性能的研究［J］. 材料科学与工艺，1993，1（3）：34 - 41 . ·43· 吉 林 大 学 学 报（ 工 学 版 ） 第34 卷 20CrMnTi钢的位错密度及晶体结构 作者： 程万军， 高占民， 黄良驹 作者单位： 程万军(吉林大学,材料科学与工程学院,吉林,长春,130025)， 高占民,黄良驹(吉林大学 ,辊锻工艺研究所,吉林,长春,130025) 刊名： 吉林大学学报(工学版) 英文刊名： JOURNAL OF JILIN UNIVERSITY(ENGINEERING AND TECHNOLOGY EDITION) 年，卷(期)： 2004,34(1) 参考文献(8条) 1.陈明伟;单爱党;林栋梁 Fe3Al基合金超塑性变形过程中位错结构的演化 1995(03) 2.张静江;王滨;奚建法;沈佳球 高锰低温钢晶体结构及位错形态研究[期刊论文]-机械工程学报 1998(06) 3.谢书银;袁鹏;万关良;李励本,张锦心 硅片塑性形变与位错[期刊论文]-稀有金属 1998(03) 4.李航月;胡奈赛;何家文;周惠久 残余压应力场中裂纹扩展的闭合模型 1998(08) 5.徐颖;陈经辉;田华;林栋梁 金属中裂纹形核的一个理论模型 1996(04) 6.于利根;徐可为;何家文;顾海澄 晶粒度对立方系材料织构及残余应力分析的影响 1995(05) 7.朱峰;曹起骧;徐秉业;屈洋,李国宪,王谦和 塑性加工中的微观组织性能控制 1994(04) 8.秦紫瑞;李隆盛;刘德经 ZGOCr20Ni25Mo5Cu1.5钢的组织与性能的研究 1993(03) 本文读者也读过(7条) 1. 李永华.孟繁玲.高忠民.郑伟涛.王煜明 固溶处理对NiTi薄膜中位错密度的影响[期刊论文]-稀有金属材料与 工程2004,33(11) 2. 程万军.黄良驹.刘化民 20CrMnTi钢位错密度的测定及其位错形态研究[期刊论文]-材料科学与工艺 2004,12(5) 3. 傅敏士.肖亚航.刘建平.FU Min-shi.XIAO Ya-hang.LIU Jian-ping 20CrMnTi钢内部裂纹愈合的热处理研究 [期刊论文]-热加工工艺2007,36(8) 4. 王健.肖宏.WANG Jian.XIAO Hong 基于位错密度变化的动态再结晶动力学确定方法[期刊论文]-塑性工程学 报2009,16(4) 5. 张宝红.张星.张治民.ZHANG Bao-hong.ZHANG Xing.ZHANG Zhi-min 20CrMnTi钢两相区变形力学行为及微观 组织研究[期刊论文]-材料科学与工艺2006,14(2) 6. 张万甲.刘仓理.ZHANG Wan-Jia.LIU Cang-Li 几种材料的等效粘性系数、初始可动位错密度和拖曳应力[期 刊论文]-高压物理学报2006,20(4) 7. 夏嵩.王自强 位错密度和小尺度塑性理论[会议论文]-2002 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jlgydxzrkxxb200401007.aspx