低碳钢内裂纹热愈合时的系统观及自组织

低碳钢内裂纹热愈合时的系统观及自组织1赵中里，韩静涛，刘靖，张永军，刘紫薇北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083E-mail：[e-mail]摘要：介绍了非平衡系统的自组织现象和耗散结构，概述了低碳钢原始组织结构非平衡状态的特征、热愈合时组织结构变化的主要结果，并对材料发生自组织行为的条件作了具体分析。指出低碳钢在热愈合过程中，基体中片状珠光体的溶解、裂纹愈合区组织的形成是自组织的。关键词：系统观；自组织；热愈合；内裂纹；低碳钢中图分类号:TG111.911．引言近期的一些研究工作[1～7]初步表明，过去认为只有智能材料才能具有的损伤愈合及性能恢复等能力在金属材料中也有体现。这一发现为有效地改善金属材料的性能和延长其使用寿命提供了一条重要途径。肖纪美[8]首先将耗散结构概念引入材料系统，指出若能善于应用耗散的概念，从环境中消耗能量和/或物质，使材料的性能由于形成耗散结构而升级，将增加安全度，并归纳了一些物质或材料中可能存在耗散结构的实例:高锰钢使用中通过力的摩擦产生加工硬化和相变(形成马氏体及大量层错)；不锈钢受含氧化学介质的作用，表面生成钝化膜；相变诱生塑性钢(TRIP钢)在外力作用下，在裂纹尖端形成马氏体而显著提高韧性(同样原理可用于ZrO2陶瓷增韧)；固体在外力作用下产生的位错结构和裂纹结构等。周本濂[9]应用耗散结构的观点，指出裂纹愈合的本质是一开放体系和周围环境进行物质和能量交换并进行自组织的过程，但仅作为概念提出，并未对其进行详细分析。本文试图用自组织构理论解释金属材料内裂纹热愈合现象，并以Q235钢为例，从耗散结构理论角度对其愈合时的内部组织结构变化进行分析。2．钢内裂纹愈合的系统观按照自然辩证法的哲学观点，金属及合金是开放的复杂系统，其固态相变更为复杂多变。但是，在近代的物理冶金的理论研究中，由于条件的限制，有时将金属视为简单性问题，或将其复杂性问题进行简单化处理，从而得出一定的规律性。实际上，金属、合金、钢，尤其是合金钢，多元高合金钢，都是复杂系统，属于复杂性问题，用研究简单性问题的方法往往派不上用场，难以得出精确的结论。20世纪中叶兴起了用系统科学的方法研究自然界的复杂性问题。11本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030008001）资助-1-金属及合金是由多元素、多相、多组织构成。这些要素不是混合，而是有机地结合，有序地配合，是一个有机的整体，是整合系统[10]。因此，在研究金属或各种组织时，始终要从整体出发，从各个元素、各个相之间的相互整合入手，去揭示其内在的本质及其规律性。金属及合金的组织和性能是各个组成相的非线性相互作用的结果。在研究钢内裂纹愈合时，应该采用系统科学的方法。3．关于自组织和耗散结构理论材料在使用时，是一个开放系统，它与环境可以交换物质和能量，形成远离平衡的结构对于这种结构的稳定性，已超过经典热力学的适用范围，可用“耗散结构(Dssipativestructure)理论”来处理。耗散结构理论的精髓之是：系统的发展过程完全可以经过突变，通过能量的耗散与系统内非线性动力学机制来形成和维持与平衡结构完全不同的时空有序结构。所谓耗散结构，用通俗的话讲就是一个远离平衡的开放系统(主要是力学的、物理的、化学的、生物的等)，在外界条件达到某一个特定阈值时，量变引起质变，系统通过不断地与外界交换能量和物质，就可能从原有的无序状态变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡态下的新的有序结构，就是耗散结构[11,12]。自然界和社会都存在着有序现象。有序现象可以分为静态有序和动态有序两类。静态有序所形成的结构称为平衡结构，例如晶体的结构，就是某些原子按某种特定的规则排列所形成的静态平衡结构。动态有序所形成的结构称为非平衡结构或称耗散结构。普利高津研究了动态有序结构――耗散结构的形成条件，指出系统要形成动态有序结构――耗散结构，需要一定的条件：①开放系统；②远离平衡态；③随机性涨落；④非线性相互作用。(1)开放系统。耗散结构向有序程度更高的方向演化，即系统向熵减小的方向发展，因此，要想使系统朝着有序的方向发展，系统开放是必要条件。开放系统熵的改变可表示为：ds=dis+des（1）式中des表示系统和外界之间的进行物质交换时引入的熵变，叫熵流，des可正、可负或为零，取决于系统与外界环境发生交换的具体条件。dis为系统内不可逆过程导致的引起的熵变，叫熵产生，恒为正。系统总熵变化等于dis+des，因此在开放系统中：只有des＜0而且des＞dis，才有ds=dis+des＜0（2）因此可以认为，只有系统开放、与外界环境有物质或(和)能量交换，引起系统熵减小，且其变化绝对值大于系统内熵产生时，整个系统的熵才有可能减小，从而使系统走向具有生机活力的耗散结构。钢是一个开放系统，钢在热加工、热处理过程中与外界发生能量交换或物质交换。如果没有与外界的能量交换或物质交换就不可能发生相变。(2)远离平衡态。系统必须处于远离平衡的非线性区，在平衡区或近平衡区都不可能以-2-一种有序走向另一种更为高级的有序。如根据热力学条件，将钢加热或冷却，使其偏离临界点，具有一定过热度或过冷度时，系统新旧两相的自由焓差小于零(ΔGα→γ0)，相变才能自发地进行。(3)涨落现象。涨落也叫扰动，是指体系的某个变量或某种行为对平衡值的偏离，如浓度起伏、结构起伏、能量起伏等。涨落是偶然的、随机的、杂乱无章的，它是系统演化的契机，是相变的诱因。耗散结构理论认为，在接近平衡态的线性非平衡区，涨落的发生只使体系状态暂时偏离，这种偏离状态不断衰减，直至回到稳定状态。而在远离平衡的非线性区，体系中一个随机的微小涨落，通过非线性的相互作用和连锁效应被迅速放大，就可以形成整体的宏观的“巨涨落”，从而导致体系发生突变，形成一种新的动态有序的耗散结构。如钢在相变孕育期内，出现溶质原子的贫化区和富化区就是涨落的必然结果。(4)非线性相互作用。非线性相互作用使得系统内各要素之间产生协同动作的相干效应，从而使得系统从杂乱无章变为井然有序。非线性相互作用是系统形成有序结构的内在原因。非线性的正反馈作用可以把微小的“涨落”或“起伏”迅速放大，使系统的定态失稳而形成新的结构，如浓度涨落、结构涨落的迅速放大，而形成新相晶核，导致相变，如奥氏体形成、珠光体分解，贝氏体转变、马氏体相变以及回火转变、时效等都是系统自由焓非线性变化的结果，都是一个涨落→形核→新相长大的自组织过程。4．实验方法4.1试样制备选取添加稀土La的Q235钢为原材料，其化学成分(质量分数，％)见表1。表1实验用钢的化学成分Table1Chemicalcompositionofthetestedsteel(wt%)CSiMnPSLa0.210.1290.3480.0200.0150.2在金属试样中制备出形态、位置可预知的内裂纹，是顺利进行本项研究工作的关键。本文采用钻孔压缩法[1]。钻孔压缩试样的制备过程分两步：第一步将原始试件加工成外形尺寸为ф10×8mm的圆柱体，在圆柱体的几何中心钻ф2×7mm盲孔，在盲孔外端处攻丝得到M3×5mm螺纹，剔除盲孔内残屑，用丙酮和无水乙醇清洗后晾干，分别用同材质的M3螺钉封堵盲孔外端，并采用氩弧焊将盲孔外端焊封。这样在圆柱体试样内部形成一个直径为2mm，长度为2mm的密闭孔腔。第二步将该圆柱体试样加热到1100℃后，在600KN材料实验机上，以1.5mm/s的压下速度进行压下量为3.5mm的压缩变形，压后水冷，得到高度为4.5mm的鼓形试样(见图1)。这样试样内部就会存在因密闭孔腔被压扁而带来的内裂纹。4.2退火方法将制得含有内部裂纹的试样用线切割沿垂直于原盲孔轴向并通过鼓形试样中心轴线位置剖切成两分半，一半不处理以观察内部裂纹原始形貌，另一半进行中温退火处理愈合实验。中温退火处理工艺是：当加热炉温度达到650℃或800℃时放入试样，保温60min，炉冷。退火愈合处理后的试样经研磨、抛光，用硝酸酒精溶液(4mL/100mL)侵蚀后，制备金相试-3-观察。(a)(b)图1热处理实验试样(a)原始试样；(b)含人工内裂纹试样Fig.2Sampleforhealingexperimentatheattreatment(a)Initialsample(b)Samplewithartificialinnercrack5.钢内裂纹热愈合时的耗散结构对于出现裂纹损伤的材料来说，实现材料损伤愈合的前提条件是要有能量供给和物质补给，从已进行的一些研究来看，外部能量补给的作用显得尤其重要和突出。从系统科学的观点来看，钢内裂纹热愈合时产生的2类耗散结构特征是：基体中片状珠光体的溶解、愈合区组织的形成。5.1压缩试样原始裂纹形貌的SEM观察图2显示了钻孔压缩试样原始裂纹形貌。由图2可见，在Q235试样内部预制出了由孔洞闭合而形成的一次内裂纹(图2b)及在其周边出现的呈放射状的二次微内裂纹(图2a，c)。通常情况下裂纹中部的宽度比端部宽，如图2所示。图2预置内裂纹试样的SEM图像(a)左尖端(b)中间部分(c)右尖端Fig.2SEMimageofpreparedinnercrackforthesample(a)lefttip(b)middlepart(c)righttip5.2基体中片状珠光体的溶解Q235钢原始组织为片状珠光体+铁素体(P+F)，见图3a。将其加热到650℃和800℃时，保温1小时，片状珠光体自发地变为类珠光体或粒状珠光体，见图3b,c。这时发生了扩散型组织转变，扩散系数是表征扩散量的一个重要参数，扩散系数是非线性的，故扩散过程是非线性的。由于片状珠光体具有较高的表面能，转变为类珠光体或粒状珠光体后系统的能量(表-4-面能)降低，是个自发的过程，具有耗散结构的特征。图3试样处理前、后裂纹愈合区的显微组织Fig.3Themicrostructureatcrackhealingzonebeforeandafterhealing片状珠光体由渗碳体片和铁素体片构成。当系统与环境进行能量交换，输入足够的负熵流时，由于渗碳体片中存在结构涨落，即有位错，形成亚晶界。铁素体与渗碳体亚晶界接触处形成凹坑，如图4所示。在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体相比，具有较小的曲率半径。在与坑壁接触的固溶体具有较高的溶解度，将引起碳在铁素体中扩散并以渗碳体的形式在附近平面渗碳体上析出，为了保持平衡，凹坑两侧的渗碳体尖角将逐渐被溶解，而使曲率半径增大。这样，破坏了此处的相界表面张力平衡，为了保持这一平衡，凹坑将因渗碳体继续溶解而加深。这样进行下去，渗碳体片将溶穿、溶断。然后再通过尖角溶解，平面处长大逐渐成为球状。图4表示了渗碳体片溶断、球化的自组织过程。图4渗碳体片溶断、球化过程示意图Fig.4sketchmapsofdissolutionandspheroidizationinlamellarpearlite5.3愈合区组织的形成宏观裂纹的产生是当韧性材料的局部塑性变形(位错发射、增殖和运动)发展到一定程度才导致微裂纹(或微空洞)的形核、长大、聚合扩展。在产生微裂纹前，首先发生材料结构和性能的恶化。含缺陷材料在热愈合过程中，在愈合基体材料微观缺陷的同时，也孕育着裂纹区重结晶晶粒的形核、长大，直至愈合。不难看出，在缺陷愈合过程中，原子的扩散迁移起着决定性控制作用，为基体缺陷的愈合及裂纹愈合区的重结晶过程输送所需要的物质。而扩散过程本身就是非线性的。-5-含缺陷的材料在热愈合过程中，显然具备形成耗散结构的开放系统和远离平衡态两个条件。当材料愈合系统存在涨落如浓度涨落、结构涨落、能量涨落时，扩散的非线性正反馈作用可以把微小的“涨落”或“起伏”迅速放大，使系统的定态失稳而形成新的结构，使裂纹区