高錳鋼的塑性變形機(jī)理與應(yīng)用分析

歐陽(yáng)崢容

1 前言

高錳鋼是含Mn在10%～30%的錳鐵基鋼鐵材料，因具備超高的均勻延伸性能（可達(dá)90%）和強(qiáng)塑積（可達(dá)40 000 MPa%），具有超強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力（屈強(qiáng)比能低至0.3）和優(yōu)異的耐磨性能，近年來(lái)得到了很廣泛的關(guān)注與研究，根據(jù)具體性能需求，加入Al、Si、C等其他合金元素，廣泛應(yīng)用于汽車、軍工、礦業(yè)等領(lǐng)域。高錳鋼最普遍的性能特點(diǎn)是強(qiáng)韌結(jié)合、耐磨、無(wú)磁，原因在于其異于其他鋼種的塑性變形機(jī)制，即孿晶誘導(dǎo)塑性變形，而其他元素，尤其是C、N等間隙原子的加入，又極大地改變了這些行為的外在表現(xiàn)。因此使得這類鋼材不僅性能優(yōu)異，而且性能多變，能適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。目前對(duì)于高錳鋼的研究很多，涉及的面也很廣，但是仍舊缺乏一些最為基礎(chǔ)的、原子級(jí)別的變形機(jī)理描述，筆者通過(guò)大量閱讀此類文章，總結(jié)、鑒別出一些共識(shí)的、符合試驗(yàn)表現(xiàn)的原理，并將這些微觀機(jī)理展現(xiàn)出來(lái)。由于高錳鋼種類繁多，性能也是千差萬(wàn)別，本研究選擇的材料為含Mn 12%～14%、含C 1.0%～1.3%的Hadfield鋼［1］。

2 高錳鋼塑性變形機(jī)理

Hadfield鋼的使用狀態(tài)為水韌熱處理態(tài)，因此鋼的高溫奧氏體組織被完全地保留到了室溫，甚至是更低的溫度，具備和普通鋼鐵材料類似的彈性變形行為，而其塑性變形行為卻大相徑庭，甚至和一般的奧氏體金屬材料，例如銅和銀的合金，也截然不同，而且還展現(xiàn)出非同尋常的高應(yīng)變強(qiáng)化性能。要分析這些現(xiàn)象，還要從Hadfield的微觀組織結(jié)構(gòu)以及原子排布說(shuō)起。

奧氏體鋼的基體原子排布為FCC（face-centre cubic）［2］，為最密排結(jié)構(gòu)，但是區(qū)別于另外一種最密排結(jié)構(gòu)—密排六方結(jié)構(gòu)（HCP），其原子周期性排列方式為ABCABCABC……型，而密排六方結(jié)構(gòu)為ABABAB……型。奧氏體高錳鋼由于具備很低的層錯(cuò)能（SFE-stacking fault energy），晶體結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生堆垛層錯(cuò)，即周期性排布中容易出現(xiàn)ABCABABC這樣的結(jié)構(gòu)非周期性錯(cuò)亂，導(dǎo)致這類材料有很多的短程結(jié)構(gòu)排布類似于密排六方的原子排布；而密排六方金屬的塑性變形常以孿晶方式進(jìn)行。事實(shí)上，以孿晶方式進(jìn)行的塑性變形通常出現(xiàn)在滑移難以進(jìn)行的情況下［2］，例如滑移系少（密排六方）、變形量太大而無(wú)法繼續(xù)以滑移的方式進(jìn)行（高度變形的金屬）、變形速率很大（沖擊載荷）而滑移來(lái)不及進(jìn)行或引起滑移的臨界分切應(yīng)力來(lái)不及轉(zhuǎn)到利于滑移的方向上、低溫下（原子間結(jié)合力太大而無(wú)法滑移）等這些情況下才可以進(jìn)行，而且孿晶造成的塑性變形量并不大。但是孿晶帶來(lái)的晶體取向改變卻在很多時(shí)候給滑移帶來(lái)巨大的好處，使得原來(lái)不利于滑移的晶向開始滑移了；同時(shí)由于孿晶和位錯(cuò)、孿晶與孿晶以及它們和一些亞結(jié)構(gòu)之間相互作用，使得金屬在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生很顯著的應(yīng)變強(qiáng)化作用。強(qiáng)烈的應(yīng)變強(qiáng)化可以使金屬未變形的部分（與變形強(qiáng)化部分有顯著的強(qiáng)度梯度）被迫發(fā)生變形，而變形最嚴(yán)重的部位因?yàn)閺?qiáng)度很大而不會(huì)提前斷裂。這就是導(dǎo)致材料擁有巨大均勻延伸率的宏觀材料學(xué)原理。

對(duì)于高錳鋼來(lái)說(shuō)，使用環(huán)境就是要求有大的沖擊載荷、沖擊性摩擦，這些都能提供大的應(yīng)變速率和大的局部應(yīng)變量，是提供材料孿晶變形的外部因素，而大密度的堆垛層錯(cuò)，是提供孿晶誘導(dǎo)塑性（TWIP效應(yīng)）的內(nèi)因，也是設(shè)計(jì)此類材料的目的。

3 塑性變形影響因素分析

從晶粒取向、應(yīng)力狀態(tài)（拉伸和壓縮）、間隙原子（碳原子）等方面闡述其對(duì)孿晶誘導(dǎo)塑性和滑移塑性這兩種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的塑性變形機(jī)理的依賴性、對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的演化以及變形階段的影響。

3.1 晶粒取向與應(yīng)力狀態(tài)的影響

通過(guò)對(duì)單晶以及多晶Hadfield鋼的拉伸和壓縮試驗(yàn)，分析其在不同晶粒取向上和應(yīng)力狀態(tài)下的微觀應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)制和宏觀表現(xiàn)。Hadfield鋼（C 1.0%、Mn 12.4%）多晶體以及單晶［111］、［001］、［123］晶向上的拉伸及壓縮真應(yīng)力—真非彈性應(yīng)變曲線如圖1所示［3］。

圖1 Hadfield鋼不同晶向真應(yīng)力—真非彈性應(yīng)變曲線

由圖1a可以看出，不同的加載方向，不同的加載階段，高錳鋼的加工硬化能力區(qū)別明顯，［123］方向塑性變形起始階段的應(yīng)變硬化系數(shù)為G/300（G為剪切彈性模量），而［111］方向起始階段僅有G/1 000，而到隨后居然突然增高，達(dá)到G/400；［001］方向則基本維持在G/500。

由圖1b可以看出，［001］方向初期階段幾乎沒(méi)有發(fā)生加工硬化，應(yīng)變硬化系數(shù)僅有不到G/2 000，這種趨勢(shì)不符合FCC金屬多滑移發(fā)生時(shí)的表現(xiàn)，因此材料必定發(fā)生了孿晶型塑性變形；［111］方向則顯示了與拉伸試驗(yàn)近似的硬化效果。

配合原位光學(xué)以及透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)拉伸過(guò)程［111］方向在塑性變形一開始就發(fā)生了孿晶，直至整個(gè)初級(jí)階段都維持了這樣一個(gè)占主導(dǎo)地位的塑性變形機(jī)制，而在壓縮過(guò)程中［001］方向塑性變形的初始階段也是以孿晶機(jī)制主導(dǎo)進(jìn)行的。這些情況下，后續(xù)的金屬變形都經(jīng)歷了突然增大的應(yīng)變強(qiáng)化過(guò)程，這些過(guò)程是由于孿晶之間以及孿晶與滑移之間的相互作用大大強(qiáng)于簡(jiǎn)單的滑移與滑移之間的強(qiáng)化作用（見圖2），主要體現(xiàn)在已有孿晶對(duì)二次孿晶和滑移位錯(cuò)自由路徑的限制?？梢姡瑢\晶對(duì)初期塑性變形的貢獻(xiàn)以及隨后的加工硬化起到了極其關(guān)鍵的作用，同時(shí)，孿晶變形使得原先很多不利于滑移的晶向在發(fā)生轉(zhuǎn)向后也變得利于滑移了，這點(diǎn)也是孿晶誘導(dǎo)塑性的主要機(jī)制。需要注意的是，這些孿晶的寬度范圍都是納米級(jí)的（見圖2）［4］，這無(wú)疑極大地細(xì)化了孿晶區(qū)的晶粒，造成了強(qiáng)度很大的孿晶組織，同時(shí)對(duì)未發(fā)生孿晶區(qū)域的組織和織構(gòu)演化也有影響。

圖2 Hadfield鋼孿晶間及孿晶與滑移之間的相互作用

3.2 間隙原子的影響

N原子和C原子都是很強(qiáng)的奧氏體形成元素，也是最主要的應(yīng)變時(shí)效強(qiáng)化（動(dòng)態(tài)和靜態(tài)）元素。事實(shí)上，N原子的效力在這類材料里要強(qiáng)于C原子，但是本研究以Hadfield鋼作為目標(biāo)，僅討論C元素對(duì)高錳鋼塑性變形的影響。

水韌狀態(tài)下，Hadfield高錳鋼中C原子全部固溶到奧氏體八面體間隙中，塑性變形過(guò)程中C原子的行為有一部分同其他鋼鐵材料中的游離C原子一樣，會(huì)釘扎到變形形成的位錯(cuò)，形成柯氏氣團(tuán)。但是在這類鋼鐵材料中，C原子有了與眾不同的行為：首先，除了有些一般情況下存在于已有位錯(cuò)位置的C原子（極少量），絕大部分固溶于奧氏體八面體空隙中的C原子會(huì)在發(fā)生堆垛層錯(cuò)的面缺陷附近偏聚形成鈴木氣團(tuán)，事實(shí)上造成了成分和結(jié)構(gòu)均不同于基體的尺寸為一個(gè)原子級(jí)的區(qū)域。這些區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是密排六方的排列方式，而密排六方金屬的塑性變形方式中更易于偏向?qū)\晶的方式進(jìn)行。所以在這個(gè)區(qū)域偏聚的C原子也必定對(duì)孿晶過(guò)程存在影響，同時(shí)也對(duì)整個(gè)塑性變形過(guò)程中的應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)有著極大的影響。這些影響體現(xiàn)在C元素的不同含量和不同應(yīng)力狀態(tài)上。

選取在拉伸和壓縮過(guò)程中均存在孿晶行為的單晶［111］方向進(jìn)行拉伸和壓縮試驗(yàn)，選取1.0%和1.3%兩個(gè)碳含量的材料進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 Hadfield鋼［111］方向的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

從圖3中可以看出，隨著C含量增加，孿晶和滑移的臨界應(yīng)力水平都增加了，同時(shí)應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)也增加（曲線斜率增加），而韌性（曲線與橫軸圍起的面積）卻無(wú)明顯降低。在C含量較高的情況下，孿晶和多滑移帶寬度較薄，其相互限制、交錯(cuò)更為密集，造成了較大的硬化系數(shù)。而且在這種情況下，更多的C原子從八面體間隙中進(jìn)入了四面體間隙中，也就是從一個(gè)半徑約為0.146a（a為FCC的晶格常數(shù)）的間隙進(jìn)入了極為局促的半徑為0.06 a的空間里，造成了孿晶和孿晶界的強(qiáng)化。在壓縮試驗(yàn)中，寬度約40～50 nm的孿晶與多滑移帶（MSBs）的相互作用導(dǎo)致了極大的應(yīng)變強(qiáng)化，孿晶變得更為受限而發(fā)生孿晶的體積分?jǐn)?shù)也隨著在［123］方向C含量的增加而增加了。還有另一方面，就是隨著間隙原子（C原子）的含量增加，一些理論上不宜發(fā)生孿晶的取向上也變得傾向于產(chǎn)生孿晶變形了，造成這一變化的原因很可能在于C含量的提高增加了孿晶形核的推動(dòng)力，而且也降低了層錯(cuò)能（更低的層錯(cuò)能允許更多的層錯(cuò)存在，使孿晶更容易發(fā)生了）。

事實(shí)上，影響高錳鋼塑性變形過(guò)程的因素還有很多，除了以上介紹的因素外，變形速率、變形時(shí)材料所處的溫度都是比較顯著的影響因素，這些作用規(guī)律已經(jīng)有了一些研究，獲得了一些結(jié)論，但更多的研究工作仍需要做，這些研究都可能為這一類材料的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新應(yīng)用帶來(lái)更深刻的指導(dǎo)。

4 高錳鋼的應(yīng)用

多晶體應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)是單晶體組合的宏觀表現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的認(rèn)可。目前高錳鋼的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面［5］：

1）耐磨領(lǐng)域。高錳鋼最先于19世紀(jì)末期由英國(guó)人Hadfield發(fā)明，這也是它名字的來(lái)源，歷經(jīng)120 a的應(yīng)用檢驗(yàn)，其優(yōu)異的性能被不斷認(rèn)可、不斷發(fā)展，目前在耐磨領(lǐng)域已經(jīng)把其他耐磨鋼種（如高碳鉻耐磨鋼）逐步替代。這源于它大大領(lǐng)先于其他耐磨鋼種的耐磨機(jī)制：高錳鋼僅可算是中等強(qiáng)度，然而其在使用過(guò)程中表面硬化，基體軟韌的力學(xué)特性確保其擁有良好耐磨性能的同時(shí)，不會(huì)發(fā)生其他類型的破壞。破損、開裂，尤其是抵抗沖擊性摩擦、重物料砸壓磨損的能力幾乎沒(méi)有其他鋼種可以代替，類似耐磨板外表韌性鋼材基體的復(fù)合材料。

目前這類鋼材多數(shù)還是以鑄鋼件的形式使用，因鑄造件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和夾雜物數(shù)量等較經(jīng)過(guò)壓力加工的材料還是有相當(dāng)?shù)牟罹啵乙?guī)格、尺寸、形狀也受到影響，所以已經(jīng)逐步由軋制加工工藝替代，但是難度較大。另外，成分設(shè)計(jì)方面，加入一些強(qiáng)碳化物形成元素造成第二相強(qiáng)化的材料也得到了很大的發(fā)展，有利于提高高錳鋼相對(duì)屈服強(qiáng)度不高的問(wèn)題，以滿足要求耐磨件同時(shí)具備較大抗變形能力的領(lǐng)域?？偟膩?lái)講，這些領(lǐng)域主要包括采礦、噴砂噴丸、機(jī)械履帶以及挖掘鏟的制造等。

2）汽車領(lǐng)域。汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用主要在于鋼材擁有大而均勻的塑性變形能力，對(duì)于其他要求沖壓成型性能的領(lǐng)域，高錳鋼同樣可以得到應(yīng)用。

3）防護(hù)領(lǐng)域。由于高錳鋼具備很高的強(qiáng)塑積（約40 000 MPa%），可以應(yīng)用到一切能夠吸收沖擊能量的領(lǐng)域，包括防彈板、保險(xiǎn)箱、防盜門以及汽車的防撞梁等領(lǐng)域。

4）低溫領(lǐng)域。由于高錳鋼為奧氏體組織，其穩(wěn)定性可維持到很低的溫度，而韌脆轉(zhuǎn)變溫度也很低，這些特征也可以加以利用，擴(kuò)大其適用范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

高錳鋼以其優(yōu)異的耐磨性、成形性、防護(hù)性和低溫性能，正迅速在各個(gè)領(lǐng)域得到認(rèn)可并得以持續(xù)改良，同時(shí)其優(yōu)異性能發(fā)揮的微觀機(jī)理也正在被不斷地研究、論證，這種實(shí)踐與理論互動(dòng)的發(fā)展模式必將為這一類鋼鐵材料的未來(lái)應(yīng)用提供強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。

［1］ P.H.Adler,G.B.Olson,W.S.owen.Strain hardening of hadfield manganesesteel［J］.Metall.Trans.A,1986，12A：1 725.

［2］ 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［3］ I.Karaman,H.Sehitoglu,Y.I.Chumyakov.The Deformation of Low-Stacking-Fault-Energy Austenitic Steels［J］.Acta Materialia,2000,48：1 345.

［4］ I.Karaman,H.Sehitoglu,Y.I.Chumyakov.The Deformation of Low-Stacking-Fault-Energy Austenitic Steels［J］.Acta Materialia,2000,48：2 031.

［5］ 李樹索，陳希杰.高錳鋼的發(fā)展與應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，1998（3）：70-73.