夾雜物對高錳鋼高溫塑性影響研究

莊昌凌，郭永峰，楊光凱

（貴州大學，貴州 貴陽 550025）

近些年，一些性能優異的高錳鋼引起人們的廣泛關注，孿晶誘導塑性鋼（TWIP）和相變誘導塑性鋼就是其中的典型代表，這類高錳鋼新鋼種具有優異的綜合力學性能被人們視作理想的汽車材料[1，2]。高錳鋼由于含有較高的錳含量[3]，擴大了奧氏體相區，冷卻后組織以奧氏體為主，具有較強的加工硬化能力，具有良好的耐磨性，廣泛應用于機械、冶金、鐵路、軍工等領域[4-7]。孿晶誘導塑性鋼是一種高強度高塑性高錳鋼，該鋼種形變過程產生大量的孿晶導致其塑韌性得到較大的提升，所以也被稱為孿晶誘導塑性鋼，該鋼種在提高強度的同時也能提高塑性，引發了很多科研人員和鋼鐵企業的重視[8]。高溫塑性在科研和工程應用中具有重要作用，連鑄矯直、熱處理、鍛壓等工藝的制定必須以高溫塑性為基礎，考慮到該高強度高塑性高錳鋼的高溫力學性能研究并不多，本文主要針對夾雜物對高錳鋼高溫塑性影響開展研究，主要通過實驗室冶煉高錳鋼鑄錠，切樣制樣后用熱模擬試驗機Gleeble 3500開展高溫塑性研究，獲得試樣在高溫下斷面收縮率隨溫度的變化情況，進行斷口形貌觀察，分析該鋼種斷口附近夾雜物，研究夾雜物對高錳鋼高溫塑性影響，為高錳鋼質量控制提供理論借鑒。

1 實驗方法

采用工業純鐵、高純鋁塊、電解錳和增碳劑等作為原料，利用中頻感應爐冶煉了高錳鋼鑄錠，鑄錠的化學成分如下圖所示。

表1 高錳鋼化學成分，wt%

把鑄錠用線切割成φ10mm*120mm規格的高溫拉伸試樣，準備好的高溫拉伸試樣將用于gleeble3500熱模擬試驗機高溫拉伸實驗。實驗在抽真空后充Ar條件下進行，拉伸溫度區間選擇在1000～1310℃。加熱變形制度為以10 ℃/ s的速率升溫到1250℃，保溫3min，然后以3 ℃/ s的速率升溫/降溫到預定實驗溫度，實驗溫度分別是1000℃，1100℃，1200℃,1250℃，1275℃，1300℃、1310℃在實驗溫度保溫1 min后以1×10-3/s-1應變速率進行拉伸試驗，拉斷后噴水急速冷卻，保留斷口形貌并在掃描電鏡下觀察，分析其斷裂類型。圖5.3為高溫拉伸實驗過程示意圖。

圖1 高溫拉伸實驗示意圖

圖5 Al2O3夾雜物和MnS夾雜物圖像與EDS圖譜

2 實驗結果與討論

2.1 高錳鋼高溫塑性

通過在1000℃，1100℃，1200℃,1250℃，1275℃，1300℃、1310℃等溫度下利用Gleeble-3500進行高溫拉伸，采用斷面收縮率表示塑性，其中斷面收縮率是拉伸前后樣品的橫截面積減少量占拉伸前橫截面積的百分比，斷面收縮率值越大，表明塑性越好。

式中，A0、Af分別為試樣斷裂前后的橫截面積

從圖2可知，在1000℃～1250℃之間，存在高溫脆性區間，在溫度為1200℃時存在塑性低谷，斷面收縮率值僅為47%，在該溫度區間隨著溫度繼續升高，塑性快速增強，在1275℃時，斷面收縮率提高到最大值89%。 但隨著溫度繼續增加25℃，在1300℃時，熱塑性曲線出現異常點，塑性突然急劇惡化，發生脆性斷裂，斷面收縮率值僅為13%。對該異常點進行深入分析，發現該樣品斷口處存在大量Al2O3、AlN、MnO和MnS(Se)夾雜物，發現AlN在液相中析出，并且作為異質形核核心，MnS(Se)等夾雜物會在其表面局部析出。脆性夾雜物聚集將會嚴重惡化高溫力學性能，這是斷面收縮率大幅降低的根本原因。

圖2 高溫下高錳鋼的斷面收縮率

2.2 斷口形貌分析

利用金相顯微鏡觀察斷口形貌，結果如下圖3所示：

圖3 金相顯微鏡觀察斷口

圖3 (a)(b)(c)(d)是高溫下高錳鋼斷口附近的微觀組織，從圖3(a)可以明顯的觀察到裂紋，裂紋源有許多小黑點，黑點是夾雜物，較大尺寸的夾雜物很容易在應力作用下導致了微裂紋的產生，在拉伸作用力下，裂紋會進一步擴展。降低鋼材的塑性。圖3(b)觀察到大量的柱狀晶，這些柱狀晶分布不均勻，晶體間距較小。圖3(c)和圖3(d)發現大量樹枝晶，這些樹枝晶呈現不規則性，沿著各個方向生長，沿著枝晶的邊界可以觀察少部分微裂紋，這是由于枝晶邊界在拉伸過程中發生的滑移從而導致枝晶間斷裂。有些裂紋被拉大甚至擴大，形成空洞，對鋼材的塑性影響非常大。圖3(d)中有較大的裂紋，裂紋旁邊有少量微孔，可能會導致塑性和韌性嚴重下降。

2.3 斷口附近夾雜物分析

采用Zeiss-Utra55型場發射掃描電鏡觀察高錳鋼在不同溫度下拉伸試樣的斷口，如下圖所示：

如圖4(a)(b)(c)(d)所示，在4(a)(b)中韌性斷裂產生的韌窩中發現了不規則形貌的夾雜物，夾雜物尺寸在5～10um左右。在4(c)(d)是脆性斷裂，在斷口附近發現有夾雜物聚集現象。從圖4來看，所有試樣的斷口附近都發現了夾雜物，表明夾雜物是拉伸斷裂過程的微裂紋源，由于夾雜物破壞了基體的連續性，在拉伸應力的作用下，容易在夾雜物與基體之間產生微裂紋源，隨著拉伸應力的增大，微裂紋逐漸擴展形成裂紋。當應力大于某一極限值后，斷裂即會產生。

圖4 掃描電鏡觀察斷口附近夾雜物

采用掃描電鏡與能譜儀分析斷口附近夾雜物，發現MnO、AlN、MnS、Al2O3夾雜物及其復合夾雜物。圖5(a)顯示了呈聚集狀態的Al2O3夾雜物，在不少脆性斷裂的斷口附近發現了這類團簇狀的Al2O3夾雜物，由于屬于脆性夾雜物，而且處于團簇狀態，這類夾雜物對鋼的高溫塑性有著嚴重的危害。這類Al2O3夾雜物很難避免，因為鋁元素和氧元素有很強的結合能力，在鋼中很容易生成，對鋼的的性能和質量有很大的影響。MnS夾雜物是屬于塑性夾雜物，在鋼中大多以單獨的形式存在，或者以復合夾雜物的形式存在，硫化錳夾雜物很容易包裹氧化鋁形成復合的MnSAl2O3夾雜物。AlN夾雜物危害也較大，和Al2O3夾雜物類似，容易呈現出團簇狀聚集，對鋼的危害很大。

4 結論

（1）高錳鋼在1000℃～1310℃之間存在高溫脆性區間，表現為斷面收縮率先降低再升高，總體上具有良好的高溫塑性，在生產工藝制定上，需要避開高溫塑性低谷區，以便獲得更好的加工性能。

（2）通過對斷口附近夾雜物分析，發現韌性斷裂和脆性斷裂的斷口都有不規則形貌的夾雜物，表明夾雜物是拉伸斷裂過程的微裂紋源，夾雜物破壞了基體的連續性，在拉伸應力的作用下，容易在夾雜物與基體之間產生微裂紋源，拉伸應力大于某一極限值后，斷裂即會產生。

（3）斷口附近夾雜物分析結果表明，不少脆性斷裂的斷口附近產生的團簇狀的Al2O3夾雜物是斷面收縮率大幅降低的重要原因，這類夾雜物對鋼的力學性能有著嚴重的危害，是高溫塑性大幅降低的根本原因。