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解读与思索word97
解读与思索word97-2003
高速钢的毛淬火【A1＋（30∽50）℃加热-油淬】超塑性
解读钢A1＋（30∽50）℃加热-快冷膨胀曲线；
思索M2冷拉钢丝毛淬火后高频热轧超塑性成因及诸多存疑
乔占琪
【摘要】：
具有α→γ相变的钢A1＋（30∽50）℃加热-快冷膨胀曲线是[体积收缩＋碳化物淬火＋α→γ相变超塑性、组织（细晶）超塑性＋M-相变超塑性、“M-相变超磁化”＋回火超塑性]的完美组合；
M2高速钢电极盐浴加热毛淬火后，高频加热四辊轧制麻花钻能从沟板和背板的狭缝中似液体溢出双螺旋飞边，且呈银灰色的沟、背、刃带、飞边，规整、光洁、无瑕疵。
这种超常热塑性属于超塑性范畴吗？
是一种新的超塑性形成机制吗？
【关键词】：
HSS超塑性；毛淬火；磁场热处理；高频加热。
【正文】：
一、引言
为了探究W6Mo5Cr4V2冷拉钢丝直柄麻花钻高频热轧热塑性欠佳的原因，我们曾试验过2个产地（2类供货状态）、5批炉号、2套冷拉工艺、7种热处理规范、近2500支试胚，插入同一规格直柄麻花钻高频热轧生产中，获得了14组规律性较强的实验数据。
根据其中13组数据（表1和表2）得出了“冷变形高速钢结晶构造缺陷的稳定性对轧制开裂的影响”的结论。
而第14组超出工艺要求的超塑性数据（表2E1）既出人意料又令人费解。
自发现金属在特定条件下具有超塑性以来，就不断定义了金属超塑性的产生条件和超塑性指标。
高频加热四辊轧制麻花钻在国内外广泛使用至今，尚未看到M2高速钢如表2E1截面图所示，能从沟板和背板的狭缝中液体般溢出双螺旋飞边，且呈银灰色的沟、背、刃带、飞边，规整、光洁、无瑕疵的报告。
此现象属于超塑性范畴吗？
仅一轮实验能在更多场合得到验证吗？
是一种新超塑性形成机制吗？
…？
的困扰使表2E1数据一直未能公布。
当今，金属塑性变形、磁场热处理以及早前的跨临界淬/回火（毛淬火）后工件长度（体积）收缩效应的研究成果，均为重新解读/思索这组意外且费解的超塑性数据创造了条件。
可又产生了新的疑问。
二、实验数据和实验数据整理
表1W6Mo5Cr4V2钢丝理化复验数据
熔炼号
规
格
，
ф
毫
米
化学成份，％
碳化物不均度
氧
化
及
硫
化
物
C
Mn
Si
S
P
Cr
W
Mo
V
Ni
Cu
N
级
均
级
4
7
0.90
0.33
0.24
0.015
0.024
4.05
6.34
4.99
1.74
0.10
0.07
0.002
1.5
0.5
5
6
0.832
0.33
0.33
0.005
0.023
4.10
5.95
4.57
1.56
0.08
0.07
0.0075
1.5
0.5
熔炼号
供货状态
热处理规范
硬
度
HB
试
胚
件
数
刃带上不同部位、宽度的轧裂件数*
轧制效果，﹪
工艺号*
工艺曲线
无纹飞边
有细纹
宽裂纹
无
裂
纹
细
和
宽
宽
裂
纹
4
和
5
冷
拉
A
未处理
262
202
58
0
0
0
48
0
0
96
29
71
48
B1
215
196
136
0
0
0
38
0
1
21
69
31
11
B2
250
196
129
0
0
0
38
0
0
29
66
34
15
C1
208
206
186
0
0
0
9
0
0
11
90
10
5
C3
222
170
131
0
0
0
23
0
0
16
77
23
9
C3
x2
煤炉
C3工艺
两次
220
233
223
0
0
0
9
0
0
1
96
4
0.4
D1
*
388
198
195
0
0
0
0
0
0
3
98
2
2
E1
—
～
200
～
200
～
200
0
0
0
0
0
0
0
0
100
普通热塑性超塑性沟、背、刃带、飞边，均光滑、银亮色、规整、无瑕疵
刃部沿轴向任意位置横截面示意图
表2不同的热处理规范对热塑性的影响
注a：
工艺号中，第一位字母代表工艺类型；第二位数字代表加热炉类型。
b：
细纹——细线，放大镜下看不到深度；宽裂纹——肉眼可看到张开的宽度和深度。
C:
E1跨临界淬火加热时间按相应规格麻花钻的最终淬火工艺。
d：
D1工艺，650℃盐浴中，工件火色淹没于盐浴火色瞬间立即出炉空冷。
三、冷拉对M2钢丝组织和性能的影响
室温塑性变形的实质是什么呢？
实际上固态多晶金属均存在一系列缺陷：
点（空位、间隙原子、异类原子）、线（位错）、面（晶界、亚晶界）。
在拉丝力的切应力分力作用下多晶体的错位滑移和晶间变形是室温塑性
四四年）以前写成的《武经总要》记载：
“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钳拑鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。
用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也］。
此文提供者解释，［过去有人认为密器本身为磁石，使它们接触，时间久了，钢片做的鱼就被人工磁化，变成磁铁。
但这种解释是错误的。
东北师大物理系教授刘秉正先生在1956年就给予了科学的解释：
铁片烧红后，温度高于居里点，铁片中的磁畴《图4㈠》便瓦解而成为顺磁体，蘸水淬火后，磁畴又形成，但在地磁场作用下磁畴排列有方向性，故能指南北。
因我国长江黄河流域一带地磁有大约50度左右的倾角，如水平放置，则只有水平方向分量起作用，而以一定角度放入水中，则使鱼磁化的有效磁场强度增大，磁化效果更好］。
此过程与跨临界淬火无异，不过，表2E1试验时未能意识到地球磁场的作用，试样被随意地在油槽中淬火，如果完全按古人的方法处理会有什么效果呢？
了解当地的地磁力线方向、试样顺着这一方向淬油，既复杂且不稳定。
②“sp”试样被饱和磁感应强度Bs磁化到饱和磁化强度Ms，去掉外加磁场后的磁感应强度，即剩余磁感应强度Br，成为待重做的“ref”试样。
本文选择了磁化方法②对膨胀曲线进行解读，理由是剩余磁强度大而稳定，升温到居里点时，长度收缩就最大。
实际上试样技术磁化到何种程度（包括是否减掉自发磁化的线磁致伸缩在试件长度方向投影的增量和）对解读图5并无大碍。
那么为什么非要△Lref-△Lsp呢？
或许，这是一种实验数据整理的技巧。
减掉热膨胀的复杂影响（图6）使关键的铁磁性能随温升对试件长度（体积）收缩效应更醒目，前提是曲线中的热膨胀和磁致伸缩具有简单的数学关系。
那么，为什么过度族元素Fe、Co、Ni中α-Fe与Co相反，磁致伸缩是正值《Fe3C（M3C）也是铁磁体，但作用不详》，试样反而会收缩呢？
按上述选择，且假设测试处于无技术磁化的环境，尝试解读图5膨胀曲线：
乍一看，下述解读，异想天开！
膨胀曲线怎么竟是【体积收缩＋碳化物淬火＋α→γ-相变超塑性＋（细晶）组织超塑性＋M-相变超塑性＋“司南鱼”M-相变超磁化＋动塑性】的完美组合？
但，仔细研究，或许，也不无道理！
a.加热之前，在剩磁强度作用下试样已磁致伸长至最长（大），这点特重要。
b.随温度的逐渐增高，原子热震动不断增强，剩磁强度逐渐被干扰而消弱，磁致伸长成比例地缩小,测出的就是那条实线。
此过程本应按实线延续到居里点，但是：
⑴若是退火（温度、时间、冷速不会一致）M2，虚线范围正是二次碳化物溶解（碳化物淬火前半段）、晶界变薄、晶界内晶格扭曲减轻的范围；
⑵若是冷拉M2，在此温度范围内将部分完成回复、再结晶；
⑶若之前试胚进行过跨临界淬火（ref有此含义），此温度范围应由实线取代虚线；
⑷“工具钢”没有明示三角区的形成原因，但暗示在此温度区试样逐渐软化。
不过，磁致缩小形成的压应力是否会达到或超过试样在三角区的弹性极限或屈服极限？
这一点不同于随后的各种超塑性；
⑸也可能是跨临界淬\回火试胚在此区间（640℃以上）过回火所致。
总之，这一阶段，或许是，各种缺陷随温度的升高逐渐减小，使体积逐渐收缩，叠加到那条实线的延长线上而成为虚线，并随试样缺陷的多寡而形成一系列不同斜度的虚线，散布在变化无规律的三角区内；
c.加热到居里点时，原子热震动的严重干扰，使之失去磁性（包括更早的自发磁化的磁畴）成为顺磁体（无资料提顺磁态α-Fe，难道居里和相变点重合？
），磁致线膨胀完全丧失，试样甚至较初始长度更短，内部出现了最大的压应力；
d.紧随（或同时）的α→γ相转变开始了，工件中的压应力和相变同时自发（自然）地显现会发生什么呢？
这岂不正是超塑性的产生条件？
其实，图7中的峰值正是〖α→γ相变超塑性（有文章称其为低温超塑性）〗区，只不过，要施加外力产生内应力，而且要不失时机地在峰尖上完成全部塑变过程，稍有偏差就会增大变形抗力。
高能（高速）锤击掌般瞬间在峰尖完成变形全过程，但关键又转移至出炉到入模的速度。
而毛淬火（跨临界淬火）超塑性是自发（自然）地进行的，成功率100﹪。
这一超塑性理应封闭→焊合空隙、空洞、微孔、微裂纹等缺陷。
为什么要强调跨临界淬火温度是A1±（30∽50℃）呢？
或许，因为工业加热炉的加热速度不同程度地快，A1±（30∽50℃）才是实际的相转变的温度（请参考“高频加热”一节）。
在此位置形成的γ相有最细的晶粒尺寸（包括冷拉的铺垫、磁场的诱发及濒临界点），如果是5--2μm的等轴晶粒，会不会还叠加〖组织超塑性〗？
；
e.快冷是保留体积收缩、避免K析出、躲过伴随索氏体形成自发磁化的必要条件，低合金含量的过冷奥氏体在马氏体相变点前因冷却收缩而产生新的压应力（工序号D1使这一压应力锐减），在马氏体转变范围（图11仅做参考）有可能产生〖M-相变超塑性〗。
或许，工业中用淬火压床能进行矫直以及拉刀淬火后的热矫直最有效就是这个道理。
“α→γ相变超塑性”、“组织超塑性”、“M-相变超塑性”和“动塑性”都是一些确实存在的现象。
那么，会不会，平行地还存在着“M-相变‘司南鱼’超磁化”现象呢？
α-Fe会因能量最低原理在多晶体内居里点以下自发地形成方向各异的磁畴—自发（自然）磁化，但要具备“司南”功能须在地磁场中经历漫长的岁月。
为什么顺着地磁力线方向马氏体相变区瞬间就具备了“司南”功能了呢？
“M-相变超塑性”和“M-相变超磁化”有什么内在联系？
有没有可能，在有内部压应力和顺着地磁力线时，所诱发的晶核及随后成长的晶粒均自发（自然）地转出最有利于塑性变形的滑移系和易磁化方向？
二者能兼而得之吗？
；
f．最后的回火还会发生〖回火超塑性〗，在马氏体溶解的同时使所产生的空洞和显微裂纹得以闭合。
不过，1978年盖列尔称其为【动塑性】（图8）。
或许，图9、图10和表3体积收缩的数据能再次支撑对“膨胀曲线”的“匪夷所思”之解读；
图81-淬火态2-退火态碳工钢
600℃加热杆1弯曲---【动塑性】
表3X12M钢自临界温度区淬火对试样体积、尺寸（影响长度和直径）的
热处理
单位体积（立方厘米／克）
尺寸变化（％）
△L/L
△D/D
退火
860℃油淬
+600℃回1小时
860℃淬油
+600℃回火
0.1268
0.1262
0.1261
——
——
——
——
——
-0.02
-0.06
——
——
——
-0.008
-0.014
g.为什么跨临界淬火的体积收缩效应会保持到最终淬火后（图10），甚至收缩量还成倍地增加？
图10表明，L=100mmD=10mm试样的初始状态为退火，即磁畴方向各异的自发（自然）磁化状态；
或许，实际上，图10中跨临界淬火工艺Ⅱ和Ⅲ体积收缩量另有隐情。
因为，它们是不可逆的体积收缩（微观缺陷压缩、焊合等）和可观的、可逆的体积膨胀（磁致伸长和残存的马氏体膨胀）的矢量和。
最终淬火加热到居里点时，膨胀部分消失，工艺Ⅴ的体积差别才是跨临界淬火体积收缩的实际有效值。
六、电极盐浴加热与磁场热处理
为什么电极盐浴炉中毛淬火体积收缩效果最显著，电炉次之，燃油及然气反射炉的效果很弱？
“工具钢”提供的大量的相关数据均始于退火（自发磁化）状态，入电极盐浴加热之初立即被50Hz低电压、强电流的电磁场磁化（有文献介绍，电场也有电致伸缩），因而效果显著。
燃油、燃气反射炉没有技术磁化功能，本不可能产生体积收缩效应，难道试胚库存时间过长，地磁场开始了漫长历程而有弱效应？
许多磁场热处理文献研究了外施强或中磁场的淬火冷却或回火阶段或退火对钢的组织和性能的独特影响。
其实，正如前述，研究电极盐浴炉中自然存在的、或许属于弱的、50HZ的交变电磁场对α→γ相转变的钢的组织和性能的特殊影响，可能也很重要。
电极盐浴毛淬\回火这一道工序或许有着一环扣一环的不可思议的变化，值得研究。
电极盐浴加热应该属于磁场热处理的一种。
图11W18W12高速钢在不同淬火温度下的马氏体转变开始温度和终止温度、残留奥氏体含量和硬度
随后的油淬或水淬似乎脱离了电极盐浴的电磁场，岂不知真正的淬火刚刚开始，又落入了无处不在的地磁场，若操作得当，还能获得可观的磁化强度（可能不稳定）。
“XX”、“XX文库”、“XX百科”中收录了许多有关“磁场热处理文献”，
现检索数条以弥补本文之不足㈠：
“金属在交变磁场中存在着磁致伸缩导致的周期性振动过程。
宏观上表现为磁致伸缩振荡，而本质上是畴壁（方向各异磁畴间的过渡区）移动和磁化矢量转动的周期性过程。
交变磁场可引起磁致振动与局部分布不均匀应力相互作用，使由于塑性变形引起的组织缠结均匀化，从而引起应力释放”。
“相变过程一般受相变热力学和动力学控制。
在金属固态相变中施加磁场，由于各相之间磁各向异性磁化率的不同，影响了吉布斯自由能的大小，从而影响各相稳定性；也会导致磁场下各相受力不同，影响形核、晶粒长大以及晶粒取向，改善组织排列。
所以，磁场对改善金属的组织结构，提高材料的性能起到了重要作用”。
“在奥氏体向铁素体转变的过程中，磁场的作用可提高铁原子的始态自由能，对相变过程起促进作用。
磁场促进铁素体形核和长大，使铁素体百分含量增加，但磁场对铁素体形核率的影响比对晶粒长大速度的影响要大得多；在外加磁场条件下，磁场引起了铁原子d层电子的有序化，提高了电子跃迁的几率，这样，使金属中自由电子数量增加，从而加快了传导传热；但是，外加磁场带来的小幅度冷却速度的变化不会对铁素体相变点产生大的影响”。
七、高频加热特点
高频加热有何特点呢？
“工具钢”中讲解了高频加热的特点，并且“XX”、“XX文库”、“XX百科”中也收录了许多有关“高频加热文献”，现检索数条以弥补本文之不足㈡：
表4T12和Cr钢在不同感应加热速度下的A1温度（℃）
加热速度
（℃/秒）
T12
Cr
加热速度
（℃/秒）
T12
Cr
7～10
745
754
250
--
814
15
--
767
300
785
--
60
764
785
2250
852
--
120
770
794
“感应加热是靠工件本身产生热。
因此，加热速度可高达100～1000℃/秒，甚至更高，而盐浴加热仅约10℃/秒，箱式炉加热约0.8℃/秒。
居里点以下工件处于铁磁状态，加热作用由感应电流的热效应和磁滞损失所致，加热速度较高。
居里点以上工件处于顺磁状态，加热作用仅由电流热效应引起，特别是在略高于A1点形成了奥氏体之后电流密度和加热速度降低”。
“颇高的高频加热速度，使工件的A1点（表4）、碳化物熔解温度和晶粒开始长大温度推向较高的温度区，例如：
由于快速加热使碳化物溶解和扩散的弥散过程来不及进行到底，与盐浴炉相比，感应加热晶粒长大的开始温度较高，长大尺寸较小。
当加热速度由100增大到1000℃/秒时奥氏体形核速度比其长大速度快许多倍，因而晶粒很细，同时个别微观体积內奥氏体的浓度也不均匀。
也有可能，因加热速度快而来不及完成再结晶，α→γ转变时的体积变化伴随着表面层产生压应力”。
八、思索M2冷拉钢丝毛淬火高频热轧超塑性的成因
“XX”、“XX文库”、“XX百科”中收录了许多有关“金属的超塑性文献”，
现检索数条以弥补本文之不足㈢：
“至少有三种超塑性:
1、组织超塑性,这种超塑牲是在低的应变速率（ε=10-2～10-4s-1），一定的变形温度（约为热力学熔化温度的一半）和稳定而细小的晶粒度（0.5～5μm）的条件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。
其伸长率可超过100%以上，如钢的伸长率超过500%，2、亚临界超塑牲,这种超塑性是接近相变开始时出现的（对钢来说一般稍低于A_（C1）点）;3、马氏体超塑性,这种超塑性与马氏体转变同时出现（一般在M_（?
）点至M_H点之间）,此时将形成马氏体。
研究表明,超塑性并不是某些特殊合金的性能,它对大多数变形合金来说,只要组织经过适当的准备,都可在一定条件下产生”。
“经热轧后调质处理的M2高速钢进行超塑拉伸,温度为800℃时,延伸率突然增大。
研究结果表明,延伸率的增大是由于奥氏体相变的作用。
文中提出塑变与相变之间相互作用的机制,利用显微硬度法分析了变形中产生的相变,并观察超塑性变形中孔洞的形貌”。
“英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：
凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性”。
“一般块状金属玻璃具有较宽的过冷液相区，过冷液相区中粘度大幅度降低，具有很高的应变速率敏感指数，可以通过理想的超塑性流变进行加工变形。
任何晶态合金所达不到的总延伸率很高”。
比较本文实验数据与上列带下划线指标，发现与检索中的超塑性有别：
a.毛淬火后高频热轧超塑性似乎不完全属于α→γ相变超塑性。
因为：
1经不同预先热处理的8组试样，插在大生产中进行高频热轧的条件
无异，却仅E1组具有超塑性；
②生产中的热轧温度一般为1050℃，这一温度或许高于（约为热力学熔化温度的一半）的温度。
上述检索第二条称，M2钢α→γ相变温度为800℃，对高频加热而言又有点低。
b.M2冷拉钢丝毛淬火后高频热轧超塑性似乎也不完全属于组织超塑性。
因为，
扇形板从咬入到吐出工件的时间极短，而组织超塑性必需在低的应变速率（ε=10-2～10-4s-1、有资料称，应变速度10毫米秒）下进行，这种应变速度不但扇形板受不了，而且毛胚也等不及。
况且，可能，热轧麻花钻的应变速率因截形复杂和心厚递增而难于计算，这与实验研究采用的应变速率大不同。
c.M2冷拉钢丝毛淬火后高频热轧超塑性无理由（液态金属强烈冷却才能获得一薄层非晶）地具有一些“非晶超塑性”的影子。
例如—
①高的应变速率；
②耐腐蚀的银色而不是黑色氧化层；
③冷拉引起的晶界和相界的高界面能＋居里点前的高交变电磁场的诱发＋略高于相变点＋相变中的交变电磁场的诱发，理论上应有极细晶粒，甚至大量晶核。
有点类似非晶理论中不被看好的“微晶模型”；
④一次碳化物淬火+三次相变超塑性，最大限度地消除（可能不是完全消除）了各种显微缺陷，有一点点接近非晶理论中无位错的特点；
⑤有报告称，金属玻璃超塑性有一种测试方法，即，在带槽的模具中塑性变形，之后，测量槽内的金属量。
此法太像我们从沟板和背板的狭缝中溢出的双螺旋飞边；
⑥在强的交变磁场中，引起d层电子的有序化，提高了电子跃迁的几率，这样，使金属中自由电子数量增加。
那么，晶格点阵中的离子在强的高频交变电磁场中还能坚守岗位吗？
（不过，这一疑问有悖于那7组试样未显示超塑性的事实）；
综上所述，M2冷拉钢丝毛淬火后高频热轧超塑性或许是一种另类超塑性，它的必备条件是毛淬火。
冷拉和高频加热，可能，使其效果更加突出而非必备条件。
可以称其为毛淬火超塑性吗？
补遗：
A.“工具钢”（中译版），盖列尔先生将加热至A1+（30∽50）℃后快冷可使一部分体积变化固定下来的工艺称之为“临界温度区淬火”，其后，又依用途和温度命名此工艺，略显繁琐、含混；业内也有“调质”的称谓，不过，正如高速钢不会有严谨定义的“正火”工艺一样，似乎也不应有严谨定义的“调质”工艺；上海工具厂称之为“毛淬火”，此命名简洁、形象又不失严谨。
B.“工具钢”铲齿刀具“切削前热处理”论述中，“经这种比较低的温度淬火后，钢材可变成对晶间破坏不敏感”（即，早前的萘断口；如今的穿晶断裂），与工厂实践有差异。
单一W18年代，上工杨宝棣同行来太原同我做了实验，发现，铲齿滚、铣刀，最终淬火后出现萘断口，为此，要增加盐浴等温退火或高温回火，此工艺一直延续至多种高速钢的今天。
按理说，应对不同牌号高速钢重新做实验以调整工艺参数。
参考文献
【XX文库＞金属塑性变形理论河北理工大学张贵杰2011-12-14】
【XX百科＞磁性物理基础】
【XX文库＞金属材料结构与性能毛卫民】
【百度文库＞金属塑性变形理论西安交大汪大年编著1989年】
【ю.А.盖列尔“工具钢”1978年周倜武丁立铭译】
【XX文库>金属材料磁场对性能的影响】
【XX百科>磁场热处理原理】
【XX文库>磁场热处理对固态相变的影响袁兆静上大材料科学与工程学院】
【XX文库>超塑性条件下的变形对高速钢组织和性能的影响映霜】
【XX文库>块体非晶合金（金属玻璃）的形成、性能和应用北京首钢冶金研究院陈国钧彭伟峰陈殿金等】
【XX文库＞非晶态固体及其制备技术王娟娟】
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