珠光體球化的分析與研究

1、珠光體球化的分形研究珠光體球化的分形研究王印培王印培陳進(jìn)孫曉明孫曉明(華東理工大學(xué)化機(jī)研究所上海200237)陳積強(qiáng)陳積強(qiáng)(上海市安裝工程有限公司上海200080)摘要:珠光體球化反映到金相上是一種不規(guī)則圖像的變化并且具有分形的特征可望用分形幾何的方法來(lái)進(jìn)行描述。以Cr2Mo鋼的珠光體球化為例探討用分形維數(shù)來(lái)描述珠光體球化程度用小島法對(duì)15CrMo鋼的珠光體球化圖譜進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明珠光體球化從1級(jí)到6級(jí)其相應(yīng)的分形維數(shù)范圍為1.31

2、56～1.9282。從電廠運(yùn)行了105h的15CrMo鋼管上取樣實(shí)測(cè)了該試樣的珠光體球化等級(jí)結(jié)果表明以分形維數(shù)表示的球化程度與按圖譜評(píng)定的球化等級(jí)完全吻合。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:分形金相珠光體球化Cr2Mo鋼1引言引言室溫下鋼的組織及性能一般是相當(dāng)穩(wěn)定的但在高溫長(zhǎng)期作用下由于擴(kuò)散過(guò)程的加劇鋼的組織將逐漸發(fā)生變化這種變化會(huì)引起鋼的性能改變。其中低合金鋼的珠光體球化是鋼在高溫下長(zhǎng)期服役后常見(jiàn)的組織變化之一。由于其對(duì)材料的力學(xué)性能尤其是高溫力學(xué)性能影

3、響較大一直為工程界所關(guān)注。珠光體球化程度對(duì)材料力學(xué)性能的影響已有許多研究對(duì)一些具體鋼號(hào)也得出了珠光體球化的不同程度所相應(yīng)的性能。因此工程上常以檢驗(yàn)珠光體球化程度的辦法來(lái)評(píng)估高溫設(shè)備服役中的安全性并對(duì)珠光體球化程度進(jìn)行分級(jí)以便工程應(yīng)用。然而通常所使用的對(duì)珠光體球化的分級(jí)與評(píng)定方法是以金相觀測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比照存在著某些不足。珠光體球化反映到金相上是一種不規(guī)則圖像的變化并且具有分形的特征可望用分形幾何的方法來(lái)進(jìn)行描述。本文以Cr2Mo鋼的珠

4、光體球化為例探討用分形維數(shù)來(lái)描述珠光體球化程度。2分形維數(shù)測(cè)量分形維數(shù)測(cè)量分形維數(shù)是分形結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參量它能定量描述分形結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度[1]。近年來(lái)討論分維測(cè)試方法的文章有很多。分維測(cè)試的方法也很多如周界———面積關(guān)系方法、垂直剖面法、表面面積直接測(cè)量法、功率法、二次電子散射法等。基于在金相上觀察的珠光體組織是具有一定面積的封閉圖形的圖形特點(diǎn)可用小島法來(lái)測(cè)定它的分形維數(shù)。小島法測(cè)試的原理和方法簡(jiǎn)介如下[2]。對(duì)于一般規(guī)則圖形如矩形、

5、圓等的周長(zhǎng)(P)和面積(A)之間有P∝A12(1)而不規(guī)則圖形如云彩、夾雜物等的周長(zhǎng)和面積有如下的關(guān)系P1D1D∝A1212(2)式中D———分形維數(shù)則(1D)lgP=C(12)lgA式中C———常數(shù)所以D=2(ΔlgPΔlgA)(3)(e)完全球化(第五級(jí))(f)嚴(yán)重球化(第六級(jí))圖115CrMo鋼珠光體球化參考級(jí)別[2]500表1珠光體球化六個(gè)等級(jí)的分形維數(shù)珠光體球化六個(gè)等級(jí)的分形維數(shù)球化等級(jí)123456D1.92821.7841.

6、61441.60441.41441.3156圖2珠光體球化分形維數(shù)與球化等級(jí)的關(guān)系圖3運(yùn)行105h后的15CrMo鋼組織5004討論討論(1)珠光體球化過(guò)程是鋼中原來(lái)呈片層狀的滲碳體在高溫的長(zhǎng)期作用下逐步轉(zhuǎn)變成球狀球化后的碳化物繼續(xù)增大自己的尺寸使小直徑的球狀變成大直徑的球狀。由珠光體球化機(jī)理可以看出珠光體球化過(guò)程不是瞬間完成的而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)珠光體中的碳化物分散、聚集、成球的過(guò)程。珠光體球化的過(guò)程如圖4所示。由圖4可見(jiàn)a圖為鋼的原始組織

7、由鐵素體和片層狀珠光體組成在高溫環(huán)境中運(yùn)行一段時(shí)間后片層狀的珠光體中的碳化物會(huì)慢慢分散如b圖所示。隨著時(shí)間的推移珠光體中分散的碳化物變成球狀物片層狀的珠光體逐漸消失如c圖所示。然后小的球狀物會(huì)慢慢變大片層狀珠光體明顯消失最終變成球化組織如d圖所示。由珠光體逐漸球化的過(guò)程來(lái)看這些變化是彼此相似的因而最終的球化組織具有自相似性。由此可見(jiàn)珠光體球化金相組織具有分形幾何的兩大特征2不規(guī)則性與自相似性。因此珠光體球化金相組織具有分形特征可以用分形