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(wěn)材料制備技術(shù)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(shù)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(yōu)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(yè)的耐磨件[2- 4]。高錳鋼工程構(gòu)件一般通過鑄造成型，經(jīng)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(jié)晶速度較快，易產(chǎn)生粗大的結(jié)晶組織。此外由于高錳鋼凝固時線收縮率大，易產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(xié)調(diào)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(guān)系做了大量的試驗研究。張敏等[11]發(fā)現(xiàn)，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(xù)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(yīng)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(chǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)等缺陷的密度，再進行適當?shù)臒崽幚硎蛊鋸娀Ｖ苁棵偷萚15]研究發(fā)現(xiàn)，G33馬氏體鋼經(jīng)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?，高溫形變熱處理工藝在鋼鐵等材料細化晶粒、提高力學性能等方面有顯著的效果。眾所周知，傳統(tǒng)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(wěn)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(jīng)水韌處理的鋼優(yōu)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(huán)境中冶煉的高錳鑄鋼，其截面尺寸為200 mm×200 mm，化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)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(shè)備對以上3種狀態(tài)的試樣進行室溫拉伸試驗，應(yīng)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(tài)對疲勞性能的影響。試驗采用應(yīng)變控制方式加載，總應(yīng)變幅為0.4×10-2、0.6×10-2和0.8×10-2，應(yīng)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(yīng)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(jīng)4%(體積分數(shù))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(tǒng)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(jié)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(tǒng)計結(jié)果，總體規(guī)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。總體上看，經(jīng)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(jīng)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(jīng)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?，經(jīng)高溫形變熱處理的試樣的力學性能明顯較高，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(jīng)水韌處理、熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣在各應(yīng)變幅下的峰值應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化?？傮w上看， 3種狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化趨勢是一致的，即循環(huán)變形行為沒有明顯變化。隨著應(yīng)變幅的增大，3種狀態(tài)試樣的峰值應(yīng)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(jīng)熱壓縮變形20%和25%的試樣在各應(yīng)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(yīng)變幅△εt/2=0.4×10-2時，經(jīng)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(yīng)變幅△εt/2= 0.6×10-2時，提高了19%；應(yīng)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(yīng)變幅下達到10 202周次，提高了95%，在0.6×10-2和0.8×10-2應(yīng)變幅下分別提高了42%和71%。

圖2 經(jīng)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(jīng)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(jīng)不同工藝熱處理的試樣的峰值應(yīng)力隨循環(huán)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(tài)再結(jié)晶，并且變形量越大位錯密度越高，再結(jié)晶形核率也越大，動態(tài)再結(jié)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(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，且變形量越大，儲能越多，再結(jié)晶驅(qū)動力越大，再結(jié)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(jù)Hall- Petch方程：

σs=σ0+Kd-1/2

式中：σs為屈服強度；σ0為常數(shù)，相當于單晶體的屈服強度；K為晶界對強度的影響系數(shù)；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(jīng)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(nèi)晶界面積增大，可緩解因位錯塞積而導致的應(yīng)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(jié)果顯示，3種狀態(tài)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(jù)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(jīng)不同工藝熱處理的試樣的疲勞壽命(循環(huán)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(chǎn)生縮松、氣孔和夾雜物等鑄造缺陷，嚴重破壞了材料的連續(xù)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(chǎn)生應(yīng)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(nèi)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(jīng)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(jīng)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(jié)論

(1)經(jīng)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(jīng)熱壓縮變形20%和25%后水韌處理的試樣在不同應(yīng)變幅下的疲勞壽命均明顯提高，熱壓縮變形25%的試樣在應(yīng)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%。