D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.03.014 第30卷第3期 北京科技大学学报 Vol.30 No.3 2008年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2008 低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构 赵中里12) 韩静涛刘靖)刘紫薇) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京化工大学机电工程学院，北京100029 摘要为研究钢内裂纹愈合机理，对经过热愈合处理的稀土Q235钻孔压缩试样的组织进行了光学显微镜和SEM电镜观 察与分析·结果表明，低碳钢在热愈合过程中产生了两类耗散结构特征：基体中片状珠光体的溶解：裂纹愈合区组织的形成， 分析认为，含内裂纹的低碳钢是远离平衡态的开放系统，热愈合过程中存在着反应扩散非线性基本条件，存在浓度起伏、结构 起伏、能量起伏等涨落因素，因此导致了材料内部有序耗散结构的产生· 关键词低碳钢：耗散结构：热愈合：裂纹愈合：内裂纹 分类号TG142.31:TG111.7 Dissipative structures of inner cracks in low carbon steel during thermal healing ZHAO Zhongli2).HA N Jingtao).LIU Jing).LIU Ziwei) 1)School of Material Science and Engineering.University of Science Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)School of Mechanical and Electrical Engineering Beijing University of Chemical Technology.Beijing 100029.China ABSTRACT Thermal healing processing of Q235 steel with La addition was carried out in order to study the healing mechanism.An inner crack was made by compressing a drilled hole on the sample.The microstructures of samples were analyzed by means of optical microscope and SEM.The results showed that two types of dissipative structures obtained during heating healing for low carbon steel. One type was the dissolution of lamellar pearlite in host and the other was the formation of structure at crack healing zone.It was pro- posed that low carbon steel with inner cracks was an open system far from the balanced state.The dissipative structure was produced during thermal healing due to the nonlinear condition for reaction diffusion.energy fluctuation,structure fluctuation and composition fluctuation. KEY WORDS low carbon steel:dissipative structure:heating healing:crack healing:inner crack 近期的一些研究工作]初步表明，过去认为 钢受含氧化学介质的作用，表面生成钝化膜；相变诱 只有智能材料才能具有的损伤愈合及性能恢复等能 生塑性钢(TRP钢)在外力作用下，在裂纹尖端形 力在金属材料中也有体现·这一发现为有效改善金 成马氏体而显著提高韧性（同样原理可用于ZO2陶 属材料的性能和延长其使用寿命提供了一条重要 瓷增韧)：固体在外力作用下产生的位错结构和裂纹 途径， 结构等，周本濂)应用耗散结构的观点，指出裂纹 肖纪美首先将耗散结构概念引入材料系统， 愈合的本质是一开放体系和周围环境进行物质和能 指出若能善于应用耗散的概念，从环境中消耗能量 量交换并进行自组织的过程，但仅作为概念提出，并 和/或物质，使材料性能由于形成耗散结构而升级， 未对其进行详细分析，本文试图用耗散结构理论解 将增加安全度，并归纳了一些物质或材料中可能存 释金属材料内裂纹热愈合现象，并以Q235钢为例， 在耗散结构的实例：高锰钢使用中通过力的摩擦产 从耗散结构理论角度对其愈合时的内部组织结构变 生加工硬化和相变（形成马氏体及大量层错）；不锈 化进行分析. 1自组织和耗散结构理论 收稿日期：2006-12-09修回日期：2007-01-31 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(N0 金属及合金是由多元素、多相、多组织构成，这 20030008001) 作者简介：赵中里(1965一)男，博士研究生：韩静涛(1957一)：男， 些要素不是混合，而是有机地结合，有序地配合，是 教授，博士生导师 一个有机的整体，是整合系统].因此，在研究金
低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构 赵中里12） 韩静涛1） 刘 靖1） 刘紫薇1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京化工大学机电工程学院北京100029 摘 要 为研究钢内裂纹愈合机理对经过热愈合处理的稀土 Q235钻孔压缩试样的组织进行了光学显微镜和 SEM 电镜观 察与分析．结果表明低碳钢在热愈合过程中产生了两类耗散结构特征：基体中片状珠光体的溶解；裂纹愈合区组织的形成． 分析认为含内裂纹的低碳钢是远离平衡态的开放系统热愈合过程中存在着反应扩散非线性基本条件存在浓度起伏、结构 起伏、能量起伏等涨落因素因此导致了材料内部有序耗散结构的产生． 关键词 低碳钢；耗散结构；热愈合；裂纹愈合；内裂纹 分类号 TG142∙31；TG111∙7 Dissipative structures of inner cracks in low carbon steel during thermal healing ZHA O Zhongli 12）HA N Jingtao 1）LIU Jing 1）LIU Ziwei 1） 1） School of Material Science and EngineeringUniversity of Science Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Mechanical and Electrical EngineeringBeijing University of Chemical TechnologyBeijing100029China ABSTRACT T hermal healing processing of Q235steel with La addition was carried out in order to study the healing mechanism．An inner crack was made by compressing a drilled hole on the sample．T he microstructures of samples were analyzed by means of optical microscope and SEM．T he results showed that two types of dissipative structures obtained during heating healing for low carbon steel． One type was the dissolution of lamellar pearlite in host and the other was the formation of structure at crack healing zone．It was proposed that low carbon steel with inner cracks was an open system far from the balanced state．T he dissipative structure was produced during thermal healing due to the nonlinear condition for reaction diffusionenergy fluctuationstructure fluctuation and composition fluctuation． KEY WORDS low carbon steel；dissipative structure；heating healing；crack healing；inner crack 收稿日期：2006-12-09 修回日期：2007-01-31 基金项 目：高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 项 目 （No． 20030008001） 作者简介：赵中里（1965—）男博士研究生；韩静涛（1957—）男 教授博士生导师 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．本文试图用耗散结构理论解 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． 1 自组织和耗散结构理论 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 第30卷 第3期 2008年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．3 Mar．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．03．014
.240 北京科技大学学报 第30卷 属或各种组织时，始终要从整体出发，从各个元素、 走向另一种更为高级的有序.例如，根据热力学条 各个相之间的相互整合入手，去揭示其内在的本质 件，将钢加热或冷却，使其偏离临界点，具有一定过 及其规律性，金属及合金的组织和性能是各个组成 热度或过冷度时，系统新引旧两相的自由焓差小于零 相的非线性相互作用的结果. (△GY<0),相变才能自发地进行 材料在使用时，是一个开放系统，它与环境可以 (3)涨落现象，涨落也叫扰动，是指体系的某 交换物质和能量，形成远离平衡的结构，对于这种 个变量或某种行为对平衡值的偏离，如浓度起伏、结 结构的稳定性，已超过经典热力学的适用范围，可用 构起伏、能量起伏，涨落是偶然的、随机的、杂乱无 “耗散结构(dissipative structure)理论”来处理. 章的，它是系统演化的契机，是相变的诱因，耗散结 耗散结构理论的精髓是：系统的发展过程完全 构理论认为，在接近平衡态的线性非平衡区，涨落的 可以经过突变，通过能量的耗散与系统内非线性动 发生只使体系状态暂时偏离，这种偏离状态不断衰 力学机制来形成和维持与平衡结构完全不同的时空 减，直至回到稳定状态，而在远离平衡的非线性区， 有序结构 体系中一个随机的微小涨落，通过非线性的相互作 所谓耗散结构，用通俗的话讲就是一个远离平 用和连锁效应被迅速放大，就可以形成整体的宏观 衡的开放系统（主要是力学的、物理的、化学的、生物 的“巨涨落”，从而导致体系发生突变，形成一种新的 的等)，在外界条件达到某一个特定阈值时，量变引 动态有序的耗散结构，例如，钢在相变孕育期内，出 起质变，系统通过不断地与外界交换能量和物质，就 现溶质原子的贫化区和富化区就是涨落的必然 可能从原有的无序状态变为一种时间、空间或功能 结果 的有序状态，这种非平衡态下新的有序结构，就是 (4)非线性相互作用，非线性相互作用使得系 耗散结构112] 统内各要素之间产生协同动作的相干效应，从而使 普利高津研究了动态有序结构一耗散结构 得系统从杂乱无章变为井然有序，非线性相互作用 的形成条件，指出系统要形成动态有序结构 是系统形成有序结构的内在原因， 耗散结构，需要一定的条件：开放系统；远离平 非线性的正反馈作用可以把微小的“涨落”或 衡态；随机性涨落；非线性相互作用， “起伏”迅速放大，使系统的定态失稳而形成新的结 (1)开放系统.耗散结构向有序程度更高的方 构，如浓度涨落、结构涨落的迅速放大；而形成新相 向演化，即系统向嫡减小的方向发展，因此，要想使 晶核，导致相变，如奥氏体形成、珠光体分解、贝氏体 系统朝着有序的方向发展，系统开放是必要条件. 转变、马氏体相变以及回火转变、时效都是系统自由 开放系统总嫡的改变可表示为： 焓非线性变化的结果，都是一个涨落→形核→新相 ds=ds1十dse (1) 长大的自组织过程， 式中，ds。表示系统和外界之间进行物质交换时引 以往的固态相变研究注重热力学条件，而忽视 入的熵变，称为熵流，ds。可为正、负或零，取决于系 了涨落和非线性相互作用.涨落是相变的诱因，而 统与外界环境发生交换的具体条件；d为系统内不 非线性相互作用是成因，然后才是形核与长大过程 可逆过程导致的熵变，称为熵产生，恒为正 涨落和非线性相互作用应当是自组织的条件，也是 在开放系统中，只有dse<0,且dse>d, 相变形核的机制， 才有： ds=ds十ds.<0. (2) 2实验 因此可以认为，只有系统开放，与外界环境有物 2.1试样制备 质或（和）能量交换，引起系统熵减小，且其变化绝对 选取添加稀土La的Q235钢为原材料，其化学 值大于系统内熵产生时，整个系统的熵才有可能减 成分见表1. 小，从而使系统走向具有生机活力的耗散结构，例 表1实验用钢的化学成分（质量分数） 如，钢在热加工、热处理过程中与外界发生了能量交 Table 1 Chemical composition of the tested steel % 换或物质交换，因而钢是一个开放系统，如果没有 吃 Mn P La 与外界的能量交换或物质交换，钢就不可能发生 0.21 0.129 0.3480.0200.015 0.1 相变 (2)远离平衡态，系统必须处于远离平衡的非 在金属试样中制备出形态、位置可预知的内裂 线性区，在平衡区或近平衡区都不可能以一种有序 纹，是顺利进行本项研究工作的关键.本文采用钻
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． 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（dissipative structure）理论”来处理． 耗散结构理论的精髓是：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．这种非平衡态下新的有序结构就是 耗散结构［11—12］． 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：开放系统；远离平 衡态；随机性涨落；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． 开放系统总熵的改变可表示为： d s＝d si＋d se （1） 式中d se 表示系统和外界之间进行物质交换时引 入的熵变称为熵流d se 可为正、负或零取决于系 统与外界环境发生交换的具体条件；d si 为系统内不 可逆过程导致的熵变称为熵产生恒为正． 在开放系统中只有 d se ＜0且｜d se｜＞d si 才有： d s＝d si＋d se＜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．例 如钢在热加工、热处理过程中与外界发生了能量交 换或物质交换因而钢是一个开放系统．如果没有 与外界的能量交换或物质交换钢就不可能发生 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一种有序 走向另一种更为高级的有序．例如根据热力学条 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 （ΔG α→γ＜0） 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．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．例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． 以往的固态相变研究注重热力学条件而忽视 了涨落和非线性相互作用．涨落是相变的诱因而 非线性相互作用是成因然后才是形核与长大过程． 涨落和非线性相互作用应当是自组织的条件也是 相变形核的机制． 2 实验 2∙1 试样制备 选取添加稀土 La 的 Q235钢为原材料其化学 成分见表1． 表1 实验用钢的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of the tested steel ％ C Si Mn P S La 0∙21 0∙129 0∙348 0∙020 0∙015 0∙1 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 ·240· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 赵中里等：低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构 .241. 孔压缩法山，钻孔压缩试样的制备过程分两步： 内部就会存在因密闭孔腔被压扁而带来的内裂纹 第1步将原始试件加工成外形尺寸为10mm× 2.2退火 8mm的圆柱体，在圆柱体的几何中心钻2mm× 将制得的含有内部裂纹的试样用线切割沿垂直 7mm盲孔，在盲孔外端处攻丝得到M3X5mm螺 于原盲孔轴向并通过鼓形试样中心轴线位置剖切成 纹，剔除盲孔内残屑，用丙酮和无水乙醇清洗后晾 两半.一半不处理以观察内部裂纹原始形貌，另一 干，分别用同材质的M3×5mm螺钉封堵盲孔外 半进行中温退火处理愈合实验，中温退火处理工艺 端，并采用氩弧焊将盲孔外端焊封，这样在圆柱体 是：当加热炉温度达到650℃或800℃时放入试样， 试样内部形成一个直径为2mm,长度为2mm的密 保温60min,炉冷.退火愈合处理后的试样经研磨、 闭孔腔，第2步将该圆柱体试样加热到1100℃后， 抛光，用4%硝酸酒精溶液侵蚀后，制备金相试样以 在600kN材料实验机上，以1.5mms的压下速 备光学显微镜及SEM观察 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 3内裂纹热愈合中的耗散结构 中10 对于出现裂纹损伤的材料，实现材料损伤愈合 内裂纹 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，热愈合中产生的两类耗散结构特征是： 基体中片状珠光体的溶解：愈合区组织的形成 3.1压缩试样原始裂纹形貌的SEM观察 (a) (b) 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 图1热处理实验试样.(a)原始试样(mm):(b)含人工内裂纹试样 形成的一次内裂纹（图2(b)及在其周边出现的呈 Fig.1 Sample for healing experiment:(a)initial sample:(b)sam- 放射状的二次微内裂纹（图2(a,c)·通常情况下 ple with an artificial inner crack 裂纹中部的宽度比端部宽， 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.2 SEM images of the prepared inner crack in the sample:(a)left tip:(b)middle part;(c)right tip 3.2基体中片状珠光体的溶解 F),见图3(a).将试样分别加热到650℃和800℃ Q235钢原始组织为片状珠光体+铁素体(P+ 时，保温1h,片状珠光体变为类珠光体或粒状珠光 50μm 50 um 50 um 图3试样处理前.后裂纹愈合区的显微组织.(a)原始状态：(b)650℃；()800℃ Fig.3 Microstructures at crack healing zone before and after healing:(a)initial shape:(b)650C:(e)800C
孔压缩法［1］．钻孔压缩试样的制备过程分两步： 第1步将原始试件加工成外形尺寸为●10mm× 8mm的圆柱体在圆柱体的几何中心钻 ●2mm × 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 M3×5mm 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2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 —1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 图1 热处理实验试样．（a）原始试样（mm）；（b）含人工内裂纹试样 Fig．1 Sample for healing experiment：（a） initial sample；（b） sample with an artificial inner crack 内部就会存在因密闭孔腔被压扁而带来的内裂纹． 2∙2 退火 将制得的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4％硝酸酒精溶液侵蚀后制备金相试样以 备光学显微镜及 SEM 观察． 3 内裂纹热愈合中的耗散结构 对于出现裂纹损伤的材料实现材料损伤愈合 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．热愈合中产生的两类耗散结构特征是： 基体中片状珠光体的溶解；愈合区组织的形成． 3∙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2（b））及在其周边出现的呈 放射状的二次微内裂纹（图2（ac））．通常情况下 裂纹中部的宽度比端部宽． 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．2 SEM images of the prepared inner crack in the sample：（a） left tip；（b） middle part；（c） right tip 图3 试样处理前、后裂纹愈合区的显微组织．（a） 原始状态；（b）650℃；（c）800℃ Fig．3 Microstructures at crack healing zone before and after healing：（a） initial shape；（b）650℃；（c）800℃ 3∙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3（a）．将试样分别加热到650℃和800℃ 时保温1h片状珠光体变为类珠光体或粒状珠光 第3期 赵中里等： 低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构 ·241·
.242 北京科技大学学报 第30卷 体，见图3(b,c)·这时发生了扩散型组织转变.扩 第三，裂纹热愈合过程是非线形的，大量实验 散系数是表征扩散量的一个重要参数，扩散系数是 研究表明，金属材料内裂纹愈合机理主要是扩散反 非线性的，故扩散过程是非线性的，由于片状珠光 应导致的热愈合及随后的重结晶，金属及合金的组 体具有较高的表面能，转变为类珠光体或粒状珠光 织和性能是各个组成相的非线性相互作用的结果， 体后系统的能量（表面能）降低，是个自发的过程，具 含缺陷材料在热愈合过程中，在愈合基体材料微观 有耗散结构的特征， 缺陷的同时，也孕育着裂纹区重结晶晶粒的形核、长 3.3愈合区组织的形成 大，直至愈合，不难看出，在缺陷愈合过程中，原子 宏观裂纹的产生是当韧性材料的局部塑性变形 的扩散迁移起着决定性控制作用，为基体缺陷的愈 (位错发射、增殖和运动)发展到一定程度才导致微 合及裂纹愈合区的重结晶过程输送所需要的物质， 裂纹（或微空洞）的形核、长大、聚合扩展.在产生微 而扩散过程本身就是非线形的， 裂纹前，首先发生材料结构和性能的恶化，含缺陷 第四，裂纹愈合过程中由涨落导致的耗散结构 材料在热愈合过程中，在愈合基体材料微观缺陷的 核心形成，在材料远离平衡态的非均匀系统内由于 同时，也孕育着裂纹区重结晶晶粒的形核、长大，直 存在浓度起伏、结构起伏和能量起伏，难以普遍证 至愈合，不难看出，在缺陷愈合过程中，原子的扩散 明所有各处的熵产生密度≥0.在某些不均匀的 迁移起着决定性控制作用，为基体缺陷的愈合及裂 远离平衡态的系统内，各处的熵产生密度是很不均 纹愈合区的重结晶过程输送所需要的物质，而扩散 匀的，虽然系统整体遵守热力学第二定律，熵产生 过程本身就是非线性的. 在增加即」dV>0,并不排除某些局域的熵产 含缺陷的材料在热愈合过程中，显然具备形成 生密度可能为负，这些熵产生密度为负的局域正是 耗散结构的开放系统和远离平衡态两个条件，当材 新的自组织结构的核心，是新的有序之源（内因）· 料愈合系统存在涨落如浓度涨落、结构涨落、能量涨 当内裂纹愈合试样有外界负熵流（外因）输入时，这 落时，扩散的非线性正反馈作用可以把微小的“涨 些固有的有序之源就可能由此扩展而使整个系统变 落”或“起伏”迅速放大，使系统的定态失稳而形成新 成新的自组织结构，即裂纹产生愈合·实际上，裂纹 的结构，导致裂纹区通过重结晶晶粒的形核、长大， 愈合耗散结构的形成正是经过这样的成核阶段，这 形成新的晶粒，从而愈合裂纹区，如图3所示· 种核心是由涨落形成的，即所谓涨落导致的有序， 有研究发现，塑性变形条件下加热，裂纹更易愈 合[闺.邢修三]认为不可逆过程的系统内对应的 这就为非平衡相变的形核提供了一条新的途径]. 总之，裂纹热愈合系统不断地从环境中获取物 微观结构变化是不均匀的，由于塑性变形是不可逆 质和能量，这些物质和能量给系统带来负嫡，结果使 过程，有熵产生，因而其微观结构变化是不均匀的， 整个系统的有序性的增加大于无序性的增加，新的 即存在结构涨落.·这就为裂纹愈合的自组织的产生 结构和新的组织就能自发地形成，从而愈合裂纹区， 创造了结构涨落条件，另一方面，发生塑性变形的 材料，累积了大量的位错，而位错的存在为原子的扩 4结论 散提供了快速扩散通道，加速了物质的输运过程. (1)含内裂纹的低碳钢是远离平衡态的开放系 因此，塑性变形条件下裂纹容易愈合， 统，热愈合过程中存在着反应扩散等非线性基本条 3.4热愈合过程中发生自组织行为的客观条件 件，存在浓度起伏、结构起伏、能量起伏等涨落因素， 分析 因此导致了材料内部有序耗散结构的产生 首先，内裂纹热愈合实验处于一个开放系统之 (2)低碳钢内裂纹热愈合过程中产生两类耗散 中.，试样通电加热（试样吸热，热输入）断电后降温 结构特征：片状珠光体的溶解；愈合区组织的形成， (试样放热，热输出)，试样不断与外界环境（炉体、炉 外大气等)交换能量，形成一个开放系统，由于高 参考文献 温辐射加热（约1073K)和较低温传导散热的性质， [1]Han JT.Zhao G.Cao Q X.Discovery of inner crack recovery 因此试样获得可观的负熵流 and its structure change in 20MnMo steel.Acta Metall Sin. 其次，出现裂纹损伤的材料必然处于非平衡态， 1996,32(7):723 (韩静涛，赵钢，曹起镶.20MnMo钢内裂纹修复现象的发现及 无论是材料在使用中产生的裂纹（疲劳裂纹、腐蚀裂 其金属组织的变化.金属学报，1996,32(7)：723) 纹)，还是材料在制造中的裂纹（磨削裂纹、热处理裂 [2]Han J T,Zhao G.Cao Q X.Internal crack recovery of 20MnMo 纹及焊接裂纹等)，都是材料远离平衡态的结果 steel.Sci China Ser E.1997,40(2):164
体见图3（bc）．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（表面能）降低是个自发的过程具 有耗散结构的特征． 3∙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． 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 的结构导致裂纹区通过重结晶晶粒的形核、长大 形成新的晶粒从而愈合裂纹区如图3所示． 有研究发现塑性变形条件下加热裂纹更易愈 合［4］．邢修三［13］ 认为不可逆过程的系统内对应的 微观结构变化是不均匀的．由于塑性变形是不可逆 过程有熵产生因而其微观结构变化是不均匀的 即存在结构涨落．这就为裂纹愈合的自组织的产生 创造了结构涨落条件．另一方面发生塑性变形的 材料累积了大量的位错而位错的存在为原子的扩 散提供了快速扩散通道加速了物质的输运过程． 因此塑性变形条件下裂纹容易愈合． 3∙4 热愈合过程中发生自组织行为的客观条件 分析 首先内裂纹热愈合实验处于一个开放系统之 中．试样通电加热（试样吸热热输入）—断电后降温 （试样放热热输出）试样不断与外界环境（炉体、炉 外大气等） 交换能量形成一个开放系统．由于高 温辐射加热（约1073K）和较低温传导散热的性质 因此试样获得可观的负熵流． 其次出现裂纹损伤的材料必然处于非平衡态． 无论是材料在使用中产生的裂纹（疲劳裂纹、腐蚀裂 纹）还是材料在制造中的裂纹（磨削裂纹、热处理裂 纹及焊接裂纹等）都是材料远离平衡态的结果． 第三裂纹热愈合过程是非线形的．大量实验 研究表明金属材料内裂纹愈合机理主要是扩散反 应导致的热愈合及随后的重结晶．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． 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形的． 第四裂纹愈合过程中由涨落导致的耗散结构 核心形成．在材料远离平衡态的非均匀系统内由于 存在浓度起伏、结构起伏和能量起伏难以普遍证 明所有各处的熵产生密度 σ≥0．在某些不均匀的 远离平衡态的系统内各处的熵产生密度是很不均 匀的．虽然系统整体遵守热力学第二定律熵产生 在增加 即∫σd V ＞0 并不排除某些局域的熵产 生密度可能为负．这些熵产生密度为负的局域正是 新的自组织结构的核心是新的有序之源（内因）． 当内裂纹愈合试样有外界负熵流（外因）输入时这 些固有的有序之源就可能由此扩展而使整个系统变 成新的自组织结构即裂纹产生愈合．实际上裂纹 愈合耗散结构的形成正是经过这样的成核阶段这 种核心是由涨落形成的即所谓涨落导致的有序． 这就为非平衡相变的形核提供了一条新的途径［14］． 总之裂纹热愈合系统不断地从环境中获取物 质和能量这些物质和能量给系统带来负熵结果使 整个系统的有序性的增加大于无序性的增加新的 结构和新的组织就能自发地形成从而愈合裂纹区． 4 结论 （1） 含内裂纹的低碳钢是远离平衡态的开放系 统热愈合过程中存在着反应扩散等非线性基本条 件存在浓度起伏、结构起伏、能量起伏等涨落因素 因此导致了材料内部有序耗散结构的产生． （2） 低碳钢内裂纹热愈合过程中产生两类耗散 结构特征：片状珠光体的溶解；愈合区组织的形成． 参 考 文 献 ［1］ Han J TZhao GCao Q X．Discovery of inner crack recovery and its structure change in 20MnMo steel． Acta Metall Sin 199632（7）：723 （韩静涛赵钢曹起镶．20MnMo 钢内裂纹修复现象的发现及 其金属组织的变化．金属学报199632（7）：723） ［2］ Han J TZhao GCao Q X．Internal crack recovery of20MnMo steel．Sci China Ser E199740（2）：164 ·242· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第3期 赵中里等：低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构 .243. [3]Wei D B.Han JT,Xie JX.et al.Study on inner crack healing (肖纪美，宏观材料学导论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， at elevated temperature in metals.J Univ Sci Technol Beijing. 2004) 2000,22(3):245 [9]Zhou B L.Nonequilibrium processes in materials processing (韦东滨，韩静涛，谢建新，等.金属材料内部裂纹高温愈合实 Chin J Mater Res,1997.11(7):576 验研究.北京科技大学学报，2000,22(3)：245) (周本濂.材料制备中的非平衡过程.材料研究学报，1997,11 [4]Wei D B.Han J T,Xie J X,et al.Experimental study on inner (7):576) crack healing in steel during hot plastic deforming Acta Metall [10]LiuZ C.Ren H P,Song Y Q.Course of Solid State Phase Sin,2000,36(6):622 Changes in Metals.Beijing:Metallurgical Industry Press,2003 (韦东滨，韩静涛，谢建新，等.热塑性变形条件下钢内部裂纹 (刘宗昌，任慧平，宋义全·金属固态相变教程，北京：治金工 愈合的实验研究.金属学报，2000,36(6)：622) 业出版社，2003) [5]Zhang Y J.Han JT,Ren X P,et al.Micro analysis of the heal- [11]Zeng Z F Liu Y.Dissipative structure and its application on ma ing area of inner cracks in a 16Mn steel.JUniv Sei Technol Bei- terial research.China Ceram Ind.2002.9(6):63 jig,2006,28(2):129 (曾芝芳，刘阳.耗散结构及其在材料研究中的应用.中国陶 (张永车，韩静涛，任秀平，等.161Mn钢内裂纹愈合区域（组 瓷工业，2002,9(6)：63) 织，性能)的微观分析，北京科技大学学报，2006,28(2)：129) [12]Li R S.Non-equilibrium Thermodynamic Theory and Dissipa- [6]Zhang Y J.Xue L.Han JT,et al.Morphology change during tive Structure.Beijing:Tsinghua University Press.1986 crack healing of impacted sample.Iron Steel Res.2003.15 (李如生。非平衡态热力学和耗散结构·北京：清华大学出版 (3):52 社，1986) (张永军，薛凌，韩静涛，等.平板撞击试样热愈合处理内裂纹 [13]Xing X S.On the formula for entropy production rate.Acta 形态研究.钢铁研究学报，2003,15(3)：52) Phys Sin,2003,52(12):2969 [7]Zhao Z L.Han JT,Lin J.et al.Metallurgical analysis and experi- (邢修三.嫡产生率公式及其应用.物理学报，2003,52(12)： mental study on inner crack intercritical heat treatment healing in 2969) Q235 stee.Heat Treat Met.2006(Suppl 1):80 [14]Xing X S.On the basic equation of statistical physics.Sci China (赵中里，韩静涛，刘靖，等.Q235钢内裂纹亚温愈合处理的金 SerA,1998,28(1):62 属学分析及实验研究.金属热处理，2006（增刊1）：80) (邢修三，再论统计物理基本方程.中国科学A,1998,28(1): [8]Xiao J M.Introductive of Macro-materialogy.Harbin:Harbin 62) Institute of Technology Press.2004 (下期预告) 喷射沉积AZ31镁合金微观组织与力学性能 黄进峰李永兵罗海荣崔华蔡元华段先进张济山 采用喷射沉积方法制备了A☑31镁合金沉积柱坯，利用热轧作为后续加工，研究了镁合金的组织变化及 材料的性能.实验结果表明：沉积态合金组织均匀，晶粒细小（平均晶粒尺寸约为20）；热轧变形的致密化 过程、动态再结晶以及退火再结晶使合金具有良好的组织结构和力学性能：轧制态试样断口呈现为脆性解理 断裂方式，退火态试样断口则表现为脆性和韧性断裂混合机制
［3］ Wei D BHan J TXie J Xet al．Study on inner crack healing at elevated temperature in metals．J Univ Sci Technol Beijing 200022（3）：245 （韦东滨韩静涛谢建新等．金属材料内部裂纹高温愈合实 验研究．北京科技大学学报200022（3）：245） ［4］ Wei D BHan J TXie J Xet al．Experimental study on inner crack healing in steel during hot plastic deforming．Acta Metall Sin200036（6）：622 （韦东滨韩静涛谢建新等．热塑性变形条件下钢内部裂纹 愈合的实验研究．金属学报200036（6）：622） ［5］ Zhang Y JHan J TRen X Pet al．Micro-analysis of the healing area of inner cracks in a16Mn steel．J Univ Sci Technol Beijing200628（2）：129 （张永军韩静涛任秀平等．161Mn 钢内裂纹愈合区域（组 织、性能）的微观分析．北京科技大学学报200628（2）：129） ［6］ Zhang Y JXue LHan J Tet al．Morphology change during crack healing of impacted sample．J Iron Steel Res200315 （3）：52 （张永军薛凌韩静涛等．平板撞击试样热愈合处理内裂纹 形态研究．钢铁研究学报200315（3）：52） ［7］ Zhao Z LHan J TLin Jet al．Metallurgical analysis and experimental study on inner crack intercritical heat treatment healing in Q235stee．Heat T reat Met2006（Suppl1）：80 （赵中里韩静涛刘靖等．Q235钢内裂纹亚温愈合处理的金 属学分析及实验研究．金属热处理2006（增刊1）：80） ［8］ Xiao J M．Introductive of Macro-materialogy．Harbin：Harbin Institute of Technology Press2004 （肖纪美．宏观材料学导论．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 2004） ［9］ Zhou B L．Nonequilibrium processes in materials processing． Chin J Mater Res199711（7）：576 （周本濂．材料制备中的非平衡过程．材料研究学报199711 （7）：576） ［10］ Liu Z CRen H PSong Y Q．Course of Solid State Phase Changes in Metals．Beijing：Metallurgical Industry Press2003 （刘宗昌任慧平宋义全．金属固态相变教程．北京：冶金工 业出版社2003） ［11］ Zeng Z F Liu Y．Dissipative structure and its application on material research．China Ceram Ind20029（6）：63 （曾芝芳刘阳．耗散结构及其在材料研究中的应用．中国陶 瓷工业20029（6）：63） ［12］ Li R S．Non-equilibrium Thermodynamic Theory and Dissipative Structure．Beijing：Tsinghua University Press1986 （李如生．非平衡态热力学和耗散结构．北京：清华大学出版 社1986） ［13］ Xing X S．On the formula for entropy production rate． Acta Phys Sin200352（12）：2969 （邢修三．熵产生率公式及其应用．物理学报200352（12）： 2969） ［14］ Xing X S．On the basic equation of statistical physics．Sci China Ser A199828（1）：62 （邢修三．再论统计物理基本方程．中国科学 A199828（1）： 62） （下期预告） 喷射沉积 AZ31镁合金微观组织与力学性能 黄进峰 李永兵 罗海荣 崔 华 蔡元华 段先进 张济山 采用喷射沉积方法制备了 AZ31镁合金沉积柱坯利用热轧作为后续加工研究了镁合金的组织变化及 材料的性能．实验结果表明：沉积态合金组织均匀晶粒细小（平均晶粒尺寸约为20μm）；热轧变形的致密化 过程、动态再结晶以及退火再结晶使合金具有良好的组织结构和力学性能；轧制态试样断口呈现为脆性解理 断裂方式退火态试样断口则表现为脆性和韧性断裂混合机制． 第3期 赵中里等： 低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构 ·243·