层状纳米晶低碳钢板的力学性能与变形量关系研究

李德志 杨坤 张静武

摘 要：層状纳米晶材料不仅具有纳米材料的优秀的物理性能，而且其内生的弱界面对港版的力学性能有明显变化，随变形量的增加抗拉强度和硬度都显著提高，通过扫描电镜观察，可以看到断口明显的分层状态。

关键词：纳米材料;层状结构;力学性能;变形量

1.前言

近些年，低碳钢作为重要的工程结构材料，正在向细晶、超细晶、甚至纳米晶的方向发展，细晶粒材料备受关注，是由于它优秀的物理和力学性能，例如细晶粒钢在低温下，保持高强度同时还保持好延展性和塑性，是唯一一种强度和韧性同时提高的强化机制[1]。

本文对冷轧低碳钢的力学性能进行研究，这种低碳钢在室温下经多道次大变形量轧制，板条马氏体取向逐渐趋于一致，板条的宽度不断减小，可以达到纳米级，具有内生层状纳米晶复合结构，对这种新型材料的力学性能的研究有重要意义。

2.实验材料及方法

实验材料是典型的低碳钢板（化学成分为C，0.12%;Si，0.04%;Mn，0.13%;P，0.01%;S，0.004%;Cr，0.48%;Mo，0.46%;V，0.04%），将实验钢板加热至900℃保温，在10%的氯化钠冰水淬火，得到板条马氏体组织，然后在辊锻机上进行同方向多道次轧制。冷轧时，分别按照60%、70%和80%取样。根据紧凑拉伸试样标准制成拉伸试样，尺寸如图1所示。

3.实验结果及讨论

3.1 原始冷轧组织

该实验用钢具有相同的化学成分的低碳钢的组织为退火铁素体和珠光体，淬火后主要为马氏体，图2可以看出该实验钢板经冷轧后马氏体板条取向趋于一致，基本达到平行排列（图2a），表面则形成薄饼状晶粒（图2b）。

3.2 力学性能

经冷轧后的试样，其静载拉伸曲线没有明显的屈服，经统计得到，三种变形量试样的拉伸强度与变形量的关系曲线（如图3所示）。抗拉强度和硬度都随变形量的增加而增加，80%变形试样的抗拉强度达到1524.1MPa，HRC硬度为55，明显高于普通Q235钢。

3.3  变形量对力学性能的影响

对于板条组织的马氏体体钢，有人证实，断裂强度与板条束宽的平方根成反比，其表达式为[2]：

其中（2rs+rp）—有效界面能，dp—板条束宽度。这个公式说明减小马氏体的宽度能提高裂纹扩展的临界应力，使金属材料的脆性降低。低碳钢在淬火后形成板条马氏体，如图4是不同变形量试样侧面的TEM像，可以看出这些板条马氏体经多道次冷轧后，板条沿轧面和轧向近似平行排列，多数相邻板条间存在较大的位相差。随变形量的增加马氏体板条的宽度逐渐减小，变形量为60 %、70 %和80 %的平均板条宽度分别为187 nm、132 nm和78 nm;板条内的亚结构主要是位错，位错被界面所束缚。{110}织构的强度加强，材料的抗拉强度也随着增加[3]。

3.4 断口分析

静载拉伸后对80%变形试样的断口进行观察（图5），出现明显的分层，这是由于其内生层状复合结构导致的。

4.结论

低碳钢经淬火-不同变形量冷轧后，形成层状晶粒，经拉伸实验得到如下结论：三种变形量试样的抗拉强度和硬度随变形量的增加而增加。

参考文献

[1]翁宇庆.超细晶钢理论及技术发展.钢铁，2005，40（3）：1-8

[2]束德林.金属力学性能.机械工业出版社：1986

[3]X.Zhao，T.F.Jing，Y.W.Gao，G.Y.Qiao，J.F.Zhou，W.Wang.Annealing behavior of nano-layered steel produced by heavy cold-rolling of lath martensite.Materials Science and Engineering：A，397（2005）：117–121