高錳鑄鋼的高溫形變熱處理及其組織和力學性能

王 琳 馬 華 陳 晨 張福成, 2 暢國紀 劉恒亮

(1.燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北 秦皇島 066004； 3.中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066000;4.中國鐵建重工集團道岔分公司，湖南 株洲 412005)

高錳鋼具有優異的加工硬化特性和強韌性配合[1]，被廣泛用于制造承受沖擊磨損的零件，如礦山、建材、冶金、軍工和鐵路等行業的耐磨件[2- 4]。高錳鋼工程構件一般通過鑄造成型，經簡單熱處理后直接使用。但高錳鋼因為含碳量高、導熱性差且結晶速度較快，易產生粗大的結晶組織。此外由于高錳鋼凝固時線收縮率大，易產生縮松、氣孔和夾雜物等缺陷，嚴重影響其性能和使用壽命[5- 7]。

通常，粗大的晶粒不利于鋼鐵材料的力學性能。Di Schino等[8]發現，低鎳奧氏體不銹鋼的強韌性和硬度均隨著晶粒的增大而降低。具有粗大晶粒的材料，其單位體積的晶界面積小，阻礙位錯等缺陷運動和裂紋擴展的作用小，嚴重降低材料的強韌性[9]。粗大晶粒協調變形性差，會降低材料的塑性[10]。近年來，有人對鑄造缺陷與疲勞破壞之間的關系做了大量的試驗研究。張敏等[11]發現，失效的高錳鋼轍叉斷口有大量縮松、氣孔和夾雜物等鑄造缺陷，從而破壞了材料的連續性，減小了有效承載面積，導致其抗變形性能下降而斷裂。當高錳鋼鑄件受交變載荷作用時，應力易集中于鑄造缺陷處并萌生裂紋，從而引起疲勞破壞[11- 13]。為了防止鑄件產生晶粒粗大等鑄造缺陷，曾采取了各種工藝措施，但效果不明顯。

高溫形變熱處理是將高溫變形與熱處理相結合以提高材料力學性能的一種復合工藝。盧金文等[14]對Ti- 1300合金先進行高溫變形，以增加其位錯及細小亞結構等缺陷的密度，再進行適當的熱處理使其強化。周士猛等[15]研究發現，G33馬氏體鋼經高溫形變熱處理后，鋼中難溶碳化物溶解，固溶強化效果增強，晶粒細化，基體的位錯密度提高，在細晶強化和固溶強化的共同作用下，鋼的力學性能明顯提高?？梢姡邷匦巫儫崽幚砉に囋阡撹F等材料細化晶粒、提高力學性能等方面有顯著的效果。眾所周知，傳統高錳鋼的熱變形溫度范圍窄，變形性能差[16]。對于高錳鑄鋼，仍不能通過精確控制變形溫度和變形量來獲得穩定的組織和性能。本文對高錳鑄鋼進行了高溫形變熱處理，即將其高溫壓縮變形至不同的變形率，隨后在1 050 ℃保溫30 min后水韌處理(水淬)，獲得了比僅經水韌處理的鋼優異的組織和力學性能。

1 試驗材料與方法

試驗材料為在大氣環境中冶煉的高錳鑄鋼，其截面尺寸為200 mm×200 mm，化學成分(質量分數，%)為1.11C，13.1Mn，0.42Si，0.047P，0.006S。高溫形變熱處理工藝為：先將3塊試樣隨爐升溫至1 050 ℃保溫2 h，將其中1塊試樣直接水韌處理(水淬)，另2塊分別壓縮變形20%和25%，再于1 050 ℃保溫30 min后水韌處理(水淬)。用電火花線切割機在試樣變形表面以下5 mm處取樣，并加工成標距為25 mm、直徑為5 mm的拉伸試樣，用E45.105 MTS高低溫靜拉伸設備對以上3種狀態的試樣進行室溫拉伸試驗，應變速率為2×10-3s-1。

在試樣的相同部位取樣并加工成標距為10 mm、直徑為5 mm的疲勞試樣，用MTS液壓伺服試驗機進行低周疲勞試驗。疲勞試驗前用砂紙將試樣打磨光滑，以減小試樣表面狀態對疲勞性能的影響。試驗采用應變控制方式加載，總應變幅為0.4×10-2、0.6×10-2和0.8×10-2，應變速率為6×10-3s-1，判斷疲勞失效的標準為試樣斷裂或最大拉應力降低至原值的25%。

在試樣的相同部位切取試塊，打磨拋光，經4%(體積分數)硝酸酒精溶液腐蝕后，用Axiover 200MAT型光學顯微鏡觀察組織；用SU 5000型掃描電鏡對試樣變形表面以下0.5、5和10 mm處的缺陷進行觀察并統計其面積；用XHB- 3000布氏硬度計測定試樣的表面硬度(HB)。

2 試驗結果與分析

2.1 變形組織

水韌處理、熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣的顯微組織如圖1所示。圖1表明，熱變形量越大，鋼的晶粒越細小。僅經水韌處理的試樣組織粗大，其平均晶粒尺寸為732 μm，晶粒度小于00級(見圖1(a)和表1)；熱壓縮變形20%再水韌處理的試樣晶粒有所減小，但仍有少量粗大晶粒，其平均晶粒尺寸為237 μm，晶粒度為1.0級(見圖1(b)和表1)；變形量為25%的試樣的晶粒更加細小，基本無粗大晶粒，其平均晶粒尺寸為164 μm，與僅水韌處理的試樣相比，晶粒度提高到了2.0級(見圖1(c)和表1)。

圖1 經不同工藝熱處理的試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of the specimens heat treated with different processes

表1 經不同工藝熱處理的試樣的晶粒尺寸Table 1 Grain sizes of the specimens heat treated with different processes

表2為經水韌處理、熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣其變形表面以下0.5、5和10 mm處的缺陷面積統計結果，總體規律是，變形量越大，缺陷面積越小，且距試樣變形表面越近，缺陷減少越明顯。與僅水韌處理的試樣相比，熱壓縮變形25%再水韌處理的試樣中缺陷面積占比從≥0.27%減少到了≤0.06%，即缺陷明顯減少。此外，熱壓縮變形20%和25%的試樣在變形表面以下0.5 mm處的缺陷面積所占比例減少最顯著，分別從0.28%減少到了0.06%和0.04%。

圖2為僅水韌處理、熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣變形表面以下0.5 mm處的掃描電鏡圖，圖中黑色凹坑即為鑄造缺陷?？傮w上看，經高溫形變熱處理的試樣在其變形表面以下0.5 mm處的缺陷面積明顯減少，并且熱壓縮變形20%和25%的試樣此部位的缺陷面積基本相同。

表2 經不同工藝熱處理的試樣缺陷面積比例Table 2 Percentages of defect area in the specimens heat treated with different processes %

2.2 力學性能

表3為經水韌處理、熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣的力學性能?？梢钥闯觯浉邷匦巫儫崽幚淼脑嚇拥牧W性能明顯較高，并且隨著壓縮變形量的增大，性能提高更為明顯。熱壓縮變形20%再水韌處理的試樣的抗拉強度從僅水韌處理試樣的703 MPa提高到了819 MPa，提高了17%，斷后伸長率和沖擊韌度分別達到了42.8%和407 J/cm2；熱壓縮變形25%的試樣的強度和塑性提高幅度更大，抗拉強度達到了927 MPa，斷后伸長率達到了50.7%，試樣變形表面的硬度從205 HB提高到了238 HB。

2.3 低周疲勞性能

圖3為經水韌處理、熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣在各應變幅下的峰值應力隨循環周次的變化。總體上看， 3種狀態試樣的峰值應力隨循環周次的變化趨勢是一致的，即循環變形行為沒有明顯變化。隨著應變幅的增大，3種狀態試樣的峰值應力均隨之提高，疲勞壽命隨之縮短。從未變形和變形的試樣的疲勞壽命看，經熱壓縮變形20%和25%的試樣在各應變幅下的疲勞壽命均明顯提高， 并且熱壓縮變形25%的試樣提高幅度更大(見圖3和表4)。當應變幅△εt/2=0.4×10-2時，經熱壓縮變形20%后水韌處理的試樣的疲勞壽命比僅水韌處理的試樣高44%；應變幅△εt/2= 0.6×10-2時，提高了19%；應變幅△εt/2=0.8×10-2時，提高了34%。而熱壓縮變形25%水韌處理的試樣與僅水韌處理的試樣相比，其疲勞壽命在0.4×10-2應變幅下達到10 202周次，提高了95%，在0.6×10-2和0.8×10-2應變幅下分別提高了42%和71%。

圖2 經不同工藝熱處理的試樣其變形表面以下0.5 mm處的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images at 0.5 mm below the deformed surface of the specimens heat treated with different processes

表3 經不同工藝熱處理的試樣的力學性能Table 3 Mechanical properties of the specimens heat treated with different processes

3 討論

圖3 經不同工藝熱處理的試樣的峰值應力隨循環周次的變化Fig.3 Peak stress as a function of cycle number of the specimens heat treated with different processes

試樣在高溫變形時伴隨有動態再結晶，并且變形量越大位錯密度越高，再結晶形核率也越大，動態再結晶速度也更快[17- 19]。熱壓縮變形后于1 050 ℃保溫30 min時，試樣將發生靜態再結晶，且變形量越大，儲能越多，再結晶驅動力越大，再結晶程度也越大[17]，因此熱壓縮變形25%的試樣晶粒比熱壓縮變形20%的試樣更細小(見圖1(c))，其平均晶粒尺寸為164 μm，晶粒度2.0級(見表1)。根據Hall- Petch方程：

σs=σ0+Kd-1/2

式中：σs為屈服強度；σ0為常數，相當于單晶體的屈服強度；K為晶界對強度的影響系數；d為晶粒的平均直徑，可知，多晶體的屈服強度與晶粒尺寸成反比，即晶粒越細小強度越高[20]。因此經熱壓縮變形25%后水韌處理的試樣強度顯著提高，屈服強度達423 MPa，抗拉強度達927 MPa。同時，隨著晶粒細化程度的提高，單位體積內晶界面積增大，可緩解因位錯塞積而導致的應力集中，使位錯難以運動、裂紋難以形成，鋼的塑韌性得以提高[21]。低周疲勞試驗結果顯示，3種狀態試樣的疲勞壽命均隨著變形量的增大而提高，這種變化趨勢與試樣的力學性能相一致。高溫形變熱處理顯著提高了鋼的強韌性，并且變形量越大，強韌性越好，根據強度和塑性對低周疲勞壽命的決定性作用[22- 24]，鋼的低周疲勞壽命也越長。

表4 經不同工藝熱處理的試樣的疲勞壽命(循環周次)Table 4 Fatigue life of the specimens heat treated with different processes (cycle number) Nf

由于高錳鑄鋼在凝固過程中線收縮率較大，往往導致鑄件產生縮松、氣孔和夾雜物等鑄造缺陷，嚴重破壞了材料的連續性和致密性，降低材料的抗變形性能。當高錳鑄鋼件受到往復沖擊和磨損時，缺陷處易產生應力集中和萌生裂紋。另外，缺陷的存在也嚴重降低高錳鑄鋼件的抗裂紋擴展性能，最終導致力學性能和使用壽命降低[13]。本文研究的高錳鑄鋼試樣在高溫變形時，試樣內的部分孔洞類缺陷在外力作用下焊合，因而組織更致密，尤其是試樣的變形表面附近，缺陷減少最明顯，如表2所示。由試樣變形表面的硬度(表3)可以看出，經高溫形變熱處理的試樣變形表面硬度隨變形量增大而提高。其原因一方面是試樣變形后晶粒細化，另一方面是經高溫形變熱處理的試樣孔洞類缺陷減少，組織更加致密[25- 26]。

4 結論

(1)經高溫形變熱處理的高錳鑄鋼，晶粒明顯細化，孔洞類缺陷減少，并且隨變形量增大，組織更細小更致密。

(2)隨著變形量的增大，高錳鑄鋼的力學性能提高更為明顯。熱壓縮變形25%再水韌處理的高錳鑄鋼試樣，其抗拉強度從703 MPa提高到了927 MPa，提高了32%，斷后伸長率和沖擊韌性也分別提高了60%和46%。

(3)與僅僅水韌處理的高錳鋼試樣相比，經熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣在不同應變幅下的疲勞壽命均明顯提高，熱壓縮變形25%的試樣在應變幅為0.4×10-2、0.6×10-2和0.8×10-2時，疲勞壽命分別提高了95%、42%和71%。