高錳鋼形變過程中加工硬化機理的研究

張福全　何翠　周惦武

摘 要：采用Gleeble3500試驗機對ZGMn13Cr2高錳鋼進行0. 1 s -1應變速率下的室溫壓縮實驗，應變量分別為5%， 30%和50%.利用金相顯微鏡、維氏顯微硬度機、XRD和TEM等方法，研究了壓縮變形量對ZGMn13Cr2顯微組織衍變及加工硬化機制的影響.結果表明：高錳鋼壓縮變形后晶粒內出現大量變形帶，變形帶相互交叉、纏結、割截.壓縮變形量為5%時，高密度位錯相互纏結呈位錯胞或者位錯墻，壓縮變形量為30%時，基體內出現形變孿晶，隨著變形量的進一步增大，孿晶的密度和體積分數增大，水韌態高錳鋼在壓縮變形量為50%的條件下，其顯微硬度與初始態相比提高了125%，達到HV560.8.XRD結果顯示，壓縮變形后基體組織為奧氏體和少量的碳化物，未發現相變誘發馬氏體組織.隨著變形量的增大，高錳鋼加工硬化機理由位錯強化機制向形變孿晶強化為主、位錯+少量層錯強化機制為輔的機制轉變.

關鍵詞：高錳鋼；加工硬化機理；壓縮變形量；組織；性能

中圖分類號：TG145 文獻標識碼：A

高錳鋼因具有高強度、高韌性、高耐磨性、良好的加工硬化能力而廣泛地應用于礦山機械、鐵路、冶金、電力等承受沖擊載荷的設備中.近年來為提高高錳鋼鑄件在實際應用中的加工硬化能力和耐磨性，研究者在合金化、表面預硬化等方向做出了大量的努力.如許云華等[1]、馮曉勇[2]利用高速重擊的方式獲取表面納米化晶層，提出了納米晶強化機制.胡曉艷[3]利用爆炸硬化技術獲得了表層含高密度位錯和孿晶等微觀缺陷的加工硬化層.但是，關于高錳鋼的加工硬化機制，多年來并沒有統一的說法，除了形變誘發馬氏體相變硬化說[4]被大多數學者否定之外，還有孿晶硬化說[5-8]、位錯硬化說[9]、FeMnC原子團硬化說[10]、綜合硬化說[11]、納米晶與非晶相鑲嵌硬化說[12]等.目前針對高錳鋼的研究主要在低應變速率（10-2 s-1以下）[13]、小能量多次沖擊[14]的工況下進行，這與高錳鋼承受較高能量和高應變速率的實際工況不符.本文則采用Gleeble3500熱模擬機對高錳鋼在較高應變速率、較大變形量條件下進行壓縮實驗，探究其加工硬化規律及機制，為實際應用中充分發揮高錳鋼的耐磨性和加工硬化能力提供理論依據.

1 實驗材料及方法

實驗材料為ZGMn13Cr2，其主要化學成分見表1.采用中頻爐熔煉，樹脂石英砂造型，澆注標準Y形試塊.為獲得碳化物分布均勻、綜合性能優良的奧氏體組織，試塊在真空管式爐內（GSL1600）加熱至650 ℃保溫1.5 h，再以相同的升溫速率升至1 080 ℃保溫1.5 h后進行水韌處理，經線切割加工成Ф6 mm×9 mm的熱模擬標準試樣.

熱模擬壓縮實驗在Gleeble3500型試驗機上進行，壓縮過程中抽真空.試驗采用中軸壓縮的方式，為減少摩擦力，試樣與壓頭之間添加潤滑油，為防止潤滑油污染壓頭，壓頭和試樣之間墊鉭片，變形過程全部由微機處理系統控制并自動采集有關數據，最后以表格形式輸出載荷________________________________________行程和真應力________________________________________真應變等數據.熱模擬壓縮實驗方案如下：變形溫度為298 K，應變速率為0.1 s-1，變形量分別為5%， 30%和50%.

利用OM， XRD（RigakuD/max2550V）及TEM（F20）對經不同應變量變形后的試樣進行微觀組織結構表征，利用HV1000顯微維氏硬度計測量高錳鋼經壓縮后的硬度.金相樣品的制備過程：試樣機械磨平拋光后，用4%硝酸和鹽酸酒精反復擦拭腐蝕80～90 s；TEM樣品的制備過程：機械拋光研磨至70～80后，沖成Φ3 mm薄片，再減薄至40 ，液氮冷卻至-30 ℃以下，采用3%HClO4+97%CH3COOH溶液進行電解雙噴，雙噴電壓為75 V，電流為45 mA.

2 實驗結果與討論

2.1 真應力真應變曲線與加工硬化率曲線

高的加工硬化能力是高錳鋼在實際應用過程中耐沖擊耐磨損的重要原因，通過真應力真應變曲線所獲得的加工硬化率（θ=dσε）曲線，可以很好地反映高錳鋼壓縮變形過程中內部位錯、層錯、孿晶等相關的微觀缺陷的變化特征[15].圖1a為室溫下高錳鋼在Gleeble3500機上以0.1 s-1恒應變速率壓縮50%后獲取的真應力真應變曲線，圖1b為對真應力應變曲線求一階導數獲得的加工硬化率真應變曲線，圖1c為根據Hutchinson和Ridley[9]在壓縮過程中建立的純位錯密度模型擬合出來的加工硬化率曲線，相關函數如下：

從圖1a可看出應力隨著應變量的增大而增大，曲線可分為3個階段：0<ε≤5%時為彈性變形階段，流變應力幾乎呈線性迅速增加；5%<ε≤30%為直線硬化階段，流變應力增加的趨勢有所放緩；30%<ε≤50%為拋物線硬化階段，流變應力增加的趨勢進一步減緩.從圖1b可看出加工硬化率曲線隨著應變的增加先快速遞減，在約為5%處遞增，隨著變形的繼續，加工硬化率曲線出現了一個平臺.

對比曲線b與曲線c可以看出在應變量大于5%時，實驗測得的加工硬化率曲線較純位錯模型擬合出來的加工硬化率曲線有一個明顯的增值，這表明在壓縮過程中基體硬化機理發生了變化，高錳鋼內部強化機制并非為單一的位錯強化機制.經后續的TEM和XRD可以證明由位錯強化機制變成位錯+層錯+孿晶強化機制.

2.2 XRD物相分析

圖2所示是應變速率為0.1 s-1，壓縮變形量分別為5%， 30%和50%的XRD衍射圖譜，圖中顯示壓縮變形后物相仍為奧氏體和少量碳化物，并未檢測到ε馬氏體.隨著壓縮量的增加，（111）γ衍射峰強度異常增加，而（311）γ和（200） 射峰強度減小，說明高錳鋼晶粒內部發生偏轉，產生大量的（111）γ織構；各衍射峰的寬度增加，這是因為高錳鋼層錯能較低，約為23 mJ/m2[16]，壓縮變形后層錯增加，生成形變孿晶，使晶粒碎化，孿晶的生成以及內應力的增大共同造成了衍射峰加寬這一現象.

2.3 壓縮量對微觀組織的影響

2.3.1 金相組織

圖3是應變速率為0.1 s-1，壓縮變形量分別為5%， 30%和50%時高錳鋼的顯微組織圖片.在外部軸向壓縮應力的作用下，基體內部出現大量相互交叉、阻滯和割截的變形帶.變形量為5%時變形帶大多呈平直狀，間距較寬（如圖3（a）所示）.變形量為30%時，變形帶密度增大，自身寬度變寬，出現折截狀臺階（如圖3（b）所示）.變形量為50%時，變形帶的間距縮短，痕跡加深，密度進一步增大，臺階狀變形帶明顯增加（如圖3（c）所示），相互交叉、阻滯和割截的變形帶，將基體分割成細小的區域，使得高錳鋼的硬度增大，高錳鋼加工硬化能力加強.由于光學顯微鏡下無法清晰地辨別變形帶為滑移線還是孿晶，為了更進一步地了解加工硬化的深層次原因和機制，必須對其微觀晶體缺陷進行表征.

2.3.2 透射電鏡組織

圖4所示為室溫下應變速率為0.1 s-1，壓縮變形量分別為5%， 30%和50%時高錳鋼的透射形貌及特征電子衍射花樣.圖4（a）為壓縮變形量為5%時高錳鋼的透射電鏡形貌，從圖中可看出高密度位錯相互纏結呈位錯胞或者位錯墻；圖4（b）（c）（d）是壓縮變形量為30%時透射電鏡形貌的明暗場及其衍射斑點，從圖中可看出基體內出現了形變孿晶和少量層錯；圖4（e）（f）（g）是壓縮變形量為50%時透射電鏡形貌的明暗場及其衍射斑點，從圖中可看出孿晶衍射斑點強度增大，其密度和體積分數增大.

由不同壓縮變形量的透射照片可還原靜態壓縮過程中高錳鋼內部微觀晶體缺陷的變化情況：高錳鋼屬于FCC結構，晶體中的滑移系較多，在變形初期晶粒內部的滑移系大量啟動，位錯則通過滑移、累積、重排、湮滅等方式在基體中形成大量平直的位錯墻和位錯胞[2]，隨著變形的增大，位錯不斷增殖，位錯單個或多個連續分布或塞積于晶界處，大量塞積的位錯群引起應力集中，當局部的切應力達到孿晶生成的臨界切應力時，高錳鋼開始以孿生的形式進行塑性變形.隨著變形量的繼續增大，孿晶體積分數不斷增大，位錯密度也有所增大，局部區域孿晶中間出現少量的層錯，孿晶及層錯形成了位錯難以逾越的壁壘，這將導致位錯運動的阻力增大.綜上所述，隨著變形量的增大，高錳鋼在壓縮變形過程中加工硬化機制發生了改變，由位錯強化機制逐漸向位錯+少量層錯+形變孿晶機制轉變.

2.4 壓縮變形量對加工硬化能力的影響

硬度是衡量材料軟硬程度的一種指標，可通過顯微硬度來衡量高錳鋼承受靜態壓縮載荷后樣品加工硬化的程度.圖5所示是應變速率為0.1 s-1，壓縮變形量分別為5%， 30%和50%時的顯微硬度變化曲線，硬度值均由5個點求平均值得到.

從圖中可知經壓縮變形后高錳鋼顯微硬度隨變形量的增加近似呈線性增長，水韌態高錳鋼在壓縮變形量為50%的條件下，其顯微硬度與初始態的相比提高了125%，達到HV560.8，由此可知高錳鋼在變形量為50%的條件下加工硬化能力得到充分發揮.硬化能力受變形量的影響較大，這與高錳鋼在不同壓縮變形量時的微觀硬化機理不同有關：在變形初期，對應的強化機制為位錯強化，所以高錳鋼硬度增值較小，加工硬化并沒有得到充分發揮.隨著壓縮變形的繼續進行，晶體內應力不斷增大，孿晶和層錯不斷形成，其強化機制為位錯+少量層錯+孿晶，孿晶和層錯對位錯的阻滯作用更強，導致一定孿晶內部會形成多系孿晶，孿晶系增多與孿晶重復交割強度加大使得碎化晶粒的尺寸進一步減少，起到細化晶粒的作用，所以材料的硬度不斷增加.

3 結 論

1）ZGMn13Cr2高錳鋼在恒應變速率等溫壓縮時，流變應力隨應變的增大而增加， 0<ε≤0.05時為彈性變形階段，流變應力幾乎呈線性迅速增加；0.05<ε≤0.30時為直線硬化階段，流變應力增加的趨勢有所放緩；0.30<ε≤0.50時為拋物線硬化階段.

2）應變速率為0.1 s-1時，壓縮量在0%～50%的形變范圍內基體為奧氏體和少量碳化物，未發現相變誘發馬氏體組織.水韌態高錳鋼在壓縮變形量為50%的條件下，其顯微硬度與初始態的相比提高了125%，達到HV560.8.

3）壓縮變形量為5%時，基體內部位錯密度較高，形成了大量平直的位錯墻和位錯胞，對應的強化機制為位錯強化；壓縮變形量為30%時，基體內出現形變孿晶；壓縮變形量為50%時，孿晶的密度和體積分數進一步增大，強化機制以形變孿晶強化為主，位錯+少量層錯為輔.

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