0引言金属断裂面呈粗糙和不规则的，具有近似的自相似性，可以看成是一种分形结构”’．近年来 ，人们对金属各种类型的断裂表面进行了广泛的分形研究，如平面应变断裂试样断回”，”，冲击 断回“’，拉伸断口”’，疲劳断口‘”等．结果表明，金属断裂表面的分形维数与材料的组织性 能密切相关．氨化件的氨化层是脆性的，但经过预先形变后，氯化层不仅强度增加，同时塑性和韧 性也大幅度提高，断口形扶也发生了明显的变化．能否用断裂表面的分形维数定量描述其强塑和增 韧过程，迄今尚未见报道．本文利用垂直截面法测量了20钢经不同形变和氨化复合处理后拉伸和 冲击断口的分形维数，并试图把分形维数与材料的性能联系起来以找出它们之间的定量关系．1材 料及试验方法1．1试验材料试验用20钢，其化学成份（Wt－％）为0．17C，056Mn ．材料经正火后加工成不同厚度的毛坯，然后在室温下轧制进行变形，形变量分别为0、20、3 0、50和60％．经磨削后加工成尺寸为30X10XI．smm的拉伸试作和55X4XI． smm的缺口冲击试作．加工后的试样在RJJ－30型气体渗氮炉中进行氯化处理．冲击和拉伸 试验分别在XCT－40型摆锤式冲击试验机和WD一100型电子拉力机上进行．1．2伍越亲 面分报给我的测量拉伸与冲击试洋断口用SEM观察完毕后．分别用YH－313A型高强度固化 剂镶嵌．经客光抛光后在显微镜下可见沿裂纹扩展方向断口边界轮廓线，用KT—3o图像分析仪 测量断口边界轮廓线长度L（）．断口创面KOCh曲线总长度L（。）与测量码尺。有L（旬一 L。。’－””“’，其中L。为常数．D，为分形维数．选择不同的码尺刻度，可得到L随。变 化的双对数关系曲线，可以发现它们成近似的直线关系，通过直线的斜率即可求得断裂表面的分形 维数D，冲击断口L（白的测量从试样缺口报部开始，拉伸断回L（。）的测量从试作中心部位开 始，测量总长度为50Opm．2试验结果与讨论2．l拉伸断D表面分形维数与拉伸性能的关系 形变量对拉伸性能（UTS、YS、EL）和断o表面的分形维数D。的影响如图1所示．由图1 可以看出，拉伸性能和分形维数均随形变量的增加而增加．分形维数Dr与拉伸性能（UTS、Y S、EL）之间的关系如图2所示，当分形线数＜1．15时，断裂形式为脆性断裂，此时拉伸性 能（UTS、YS、EL）随分形维数的增加而显著增加，即在脆性断裂范围内，拉伸性能对分形 维数的变化非常敏感，Dr有微小的变化，对应的拉伸性能则有较大的变化·而当Dr＞1．20 时，断裂形式为韧性断裂，即在韧性断裂范围内，拉冲性能对分形维数的变化不大敏感，即使DF 发生较大变化时，对应的拉伸性能变化幅度也不大．当1，15wtDF＜1·20时，断口呈混 合断裂形貌，此时拉伸性能对DF的变化介于两者之间．2．2冲击新牟表面分形维数与冲击性能 的关系形变量对冲击注能（A。）及冲击断口的分形维数的影响如图3所示·可以看出，冲击功人 和分形维数Dr不但随形变量的增加而增加，而且其变化规律也十分相似，即在30务形变量时有 明显的过渡区．形变量越大，分形维数越高、冲击功越高·当分形维支Dr＜l·16时，冲击功 很小；当分形维数1．16＜Dr＜1．38时．断口形貌为解理和韧窝的混合．当Dr＞1．3 8时，断裂性质基本上为韧性断裂．冲击功的对数InA。与分形维数的关系如图《所示，从图中 可以看出，冲击功的对数InA。随D。成单词上升的直线关系．经线性回归得出，！nA。与D 。之间满足下列关系式InA。26．313Dr一4951拟会系数为0．96田3冲击功AK 和分形结教b队形变量的变化曲线田4冲击功AK随分形维数D的变化规律通过对拉伸断口和冲击 断口的分形分析表明，随着形变量的增加，断裂形式由脆性的解理断向韧性的韧窝断转化，材料的 塑性和韧性增加，断裂表面的粗糙度增加，相应断裂表面的分形维数增加．显然这与形变对氮化过 程中的氯化物生长形态、分市形式、以及形变对材料内部组织结构的影响有直接的关系．研究表明 ””，未经塑性变形而氨化的试作，氨化物一般以片状形式沿晶体的解理面（100｝和原奥氏体 晶界拆出，其尺寸较大，使氨化层瞻性增加，导致最终的沿晶和解理断裂，故其塑性和韧性较低． 由解理断和沿晶断机理可知，由于其破所单元较大，故裂纹扩展路经较为平坦，就剖面KOCh曲 线粗糙度而言是低的，因此其断裂表面的分形维数也较低．经过塑性变形后氨化的试洋，氯化物则 优先在位铅笔结区形核，氯化物的尺寸也较小，细小氨化物与位错交互作用，进而针扎位错，形成 稳定的多边化亚结构，使材料韧化．形变量越大，韧化效果越强，相应的断日劫窝数量增多，断裂 单元细化，裂纹扩展步长城小，断口剖面KOCh曲线粗糙度升高，故断裂表面的分形维数增高． 此外，相同形变量氯化试样，由于断裂方式不同，分形维数Dr也有较大差别．3结论1）20钢 形变氯化后的拉伸性能（UTS、YS、EL）与拉伸断口的分形维数D，存在正变化的关系，在 脆性断裂范围内，分形维数对拉伸性能的变化较为敏感，而在韧住断裂范围内，D’对拉伸性能的 变化不敏感．2）冲击功与冲击断口的分形维数均随形变量的增加而增加，且冲击功的对教InA 。与分形维数Dr满足下列关系式lllAK＝6．313DF－4．9513）相同形变量氯化 的试作，由于断裂方式的不同，D，也有所不同，拉伸断o的分形维数小于冲击听口的分形维数， 形变量越大，差别越大．形变氮化20钢拉伸断口和冲击断口的分形研究@李江河$牡丹江建材机 械总厂@孟祥才@王轶农垂直截面法;;分形维数;;拉伸性能;;冲击功;;形变氮化本文利用 垂直截面法测量了20钢经不同形变和氮化复合处理后拉伸和冲击断裂表面的分形维数．结果表明，材料的拉伸性能（σb、σs、δ）、冲击性能（Ak）和断口表面的分形维数DF均随形变量的增加而增加．冲击断口的分形维数DF与冲击功的对数1nAk之间呈正变化的线性关系．1 Mandelbert B B, Passoja D E,Paullay A J,Nature,1984,308:721
2 Pande C S,Richards L E,Louat N,Dempsey B D,Schwoeble A J.Acta Metall,1987;35(7):1633
3穆在勤,龙期感.金属学报,1988;24(2):A142
4 Underwood E E,Banerjik, Mater Sci Eng, 1986:80(1):1
5苏辉,张玉贵.材料科学进展,1990:4(1):339
6除道伦.王中光等.材料科学进展,1989;3(2):115
7刘志如.孟祥才等.金属热处理学报,1986;7(2):56絣llAK＝6．313DF－ 4．9513）相同形变量氯化的试作，由于断裂方式的不同，D，也有所不同，拉伸断o的分形 维数小于冲击听口的分形维数，形变量越大，差别越大．形变氮化20钢拉伸断口和冲击断口的分 形研究@李江河$牡丹江建材机械总厂@孟祥才@王轶农垂直截面法;;分形维数;;拉伸性能; ;冲击功;;形变氮化本文利用垂直截面法测量了20钢经不同形变和氮化复合处理后拉伸和冲击 断裂表面的分形维数．结果表明，材料的拉伸性能（σb、σs、δ）、冲击性能（Ak）和断口 表面的分形维数DF均随形变量的增加而增加．冲击断口的分形维数DF与冲击功的对数1nAk之间呈正变化的线性关系．1 Mandelbert B B, Passoja D E,Paullay A J,Nature,1984,308:721
2 Pande C S,Richards L E,Louat N,Dempsey B D,Schwoeble A J.Acta Metall,1987;35(7):1633
3穆在勤,龙期感.金属学报,1988;24(2):A142
4 Underwood E E,Banerjik, Mater Sci Eng, 1986:80(1):1
5苏辉,张玉贵.材料科学进展,1990:4(1):339
6除道伦.王中光等.材料科学进展,1989;3(2):115
7刘志如.孟祥才等.金属热处理学报,1986;7(2):56
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