夾雜物對(duì)高錳鋼高溫塑性影響研究

莊昌凌，郭永峰，楊光凱

（貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025）

近些年，一些性能優(yōu)異的高錳鋼引起人們的廣泛關(guān)注，孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP）和相變誘導(dǎo)塑性鋼就是其中的典型代表，這類高錳鋼新鋼種具有優(yōu)異的綜合力學(xué)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(kuò)大了奧氏體相區(qū)，冷卻后組織以?shī)W氏體為主，具有較強(qiáng)的加工硬化能力，具有良好的耐磨性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、鐵路、軍工等領(lǐng)域[4-7]。孿晶誘導(dǎo)塑性鋼是一種高強(qiáng)度高塑性高錳鋼，該鋼種形變過(guò)程產(chǎn)生大量的孿晶導(dǎo)致其塑韌性得到較大的提升，所以也被稱為孿晶誘導(dǎo)塑性鋼，該鋼種在提高強(qiáng)度的同時(shí)也能提高塑性，引發(fā)了很多科研人員和鋼鐵企業(yè)的重視[8]。高溫塑性在科研和工程應(yīng)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(chǔ)，考慮到該高強(qiáng)度高塑性高錳鋼的高溫力學(xué)性能研究并不多，本文主要針對(duì)夾雜物對(duì)高錳鋼高溫塑性影響開(kāi)展研究，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室冶煉高錳鋼鑄錠，切樣制樣后用熱模擬試驗(yàn)機(jī)Gleeble 3500開(kāi)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(jìn)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(duì)高錳鋼高溫塑性影響，為高錳鋼質(zhì)量控制提供理論借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)方法

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

表1 高錳鋼化學(xué)成分，wt%

把鑄錠用線切割成φ10mm*120mm規(guī)格的高溫拉伸試樣，準(zhǔn)備好的高溫拉伸試樣將用于gleeble3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)高溫拉伸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在抽真空后充Ar條件下進(jìn)行，拉伸溫度區(qū)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(yù)定實(shí)驗(yàn)溫度，實(shí)驗(yàn)溫度分別是1000℃，1100℃，1200℃,1250℃，1275℃，1300℃、1310℃在實(shí)驗(yàn)溫度保溫1 min后以1×10-3/s-1應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖。

圖1 高溫拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖

圖5 Al2O3夾雜物和MnS夾雜物圖像與EDS圖譜

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高錳鋼高溫塑性

通過(guò)在1000℃，1100℃，1200℃,1250℃，1275℃，1300℃、1310℃等溫度下利用Gleeble-3500進(jìn)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(qū)間，在溫度為1200℃時(shí)存在塑性低谷，斷面收縮率值僅為47%，在該溫度區(qū)間隨著溫度繼續(xù)升高，塑性快速增強(qiáng)，在1275℃時(shí)，斷面收縮率提高到最大值89%。 但隨著溫度繼續(xù)增加25℃，在1300℃時(shí)，熱塑性曲線出現(xiàn)異常點(diǎn)，塑性突然急劇惡化，發(fā)生脆性斷裂，斷面收縮率值僅為13%。對(duì)該異常點(diǎn)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)該樣品斷口處存在大量Al2O3、AlN、MnO和MnS(Se)夾雜物，發(fā)現(xiàn)AlN在液相中析出，并且作為異質(zhì)形核核心，MnS(Se)等夾雜物會(huì)在其表面局部析出。脆性?shī)A雜物聚集將會(huì)嚴(yán)重惡化高溫力學(xué)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(jié)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(diǎn)，黑點(diǎn)是夾雜物，較大尺寸的夾雜物很容易在應(yīng)力作用下導(dǎo)致了微裂紋的產(chǎn)生，在拉伸作用力下，裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)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(fā)現(xiàn)大量樹(shù)枝晶，這些樹(shù)枝晶呈現(xiàn)不規(guī)則性，沿著各個(gè)方向生長(zhǎng)，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(guò)程中發(fā)生的滑移從而導(dǎo)致枝晶間斷裂。有些裂紋被拉大甚至擴(kuò)大，形成空洞，對(duì)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(huì)導(dǎo)致塑性和韌性嚴(yán)重下降。

2.3 斷口附近夾雜物分析

采用Zeiss-Utra55型場(chǎng)發(fā)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(chǎn)生的韌窩中發(fā)現(xiàn)了不規(guī)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(fā)現(xiàn)有夾雜物聚集現(xiàn)象。從圖4來(lái)看，所有試樣的斷口附近都發(fā)現(xiàn)了夾雜物，表明夾雜物是拉伸斷裂過(guò)程的微裂紋源，由于夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，在拉伸應(yīng)力的作用下，容易在夾雜物與基體之間產(chǎn)生微裂紋源，隨著拉伸應(yīng)力的增大，微裂紋逐漸擴(kuò)展形成裂紋。當(dāng)應(yīng)力大于某一極限值后，斷裂即會(huì)產(chǎn)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(fā)現(xiàn)MnO、AlN、MnS、Al2O3夾雜物及其復(fù)合夾雜物。圖5(a)顯示了呈聚集狀態(tài)的Al2O3夾雜物，在不少脆性斷裂的斷口附近發(fā)現(xiàn)了這類團(tuán)簇狀的Al2O3夾雜物，由于屬于脆性?shī)A雜物，而且處于團(tuán)簇狀態(tài)，這類夾雜物對(duì)鋼的高溫塑性有著嚴(yán)重的危害。這類Al2O3夾雜物很難避免，因?yàn)殇X元素和氧元素有很強(qiáng)的結(jié)合能力，在鋼中很容易生成，對(duì)鋼的的性能和質(zhì)量有很大的影響。MnS夾雜物是屬于塑性?shī)A雜物，在鋼中大多以單獨(dú)的形式存在，或者以復(fù)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(fù)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(xiàn)出團(tuán)簇狀聚集，對(duì)鋼的危害很大。

4 結(jié)論

（1）高錳鋼在1000℃～1310℃之間存在高溫脆性區(qū)間，表現(xiàn)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(chǎn)工藝制定上，需要避開(kāi)高溫塑性低谷區(qū)，以便獲得更好的加工性能。

（2）通過(guò)對(duì)斷口附近夾雜物分析，發(fā)現(xiàn)韌性斷裂和脆性斷裂的斷口都有不規(guī)則形貌的夾雜物，表明夾雜物是拉伸斷裂過(guò)程的微裂紋源，夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，在拉伸應(yīng)力的作用下，容易在夾雜物與基體之間產(chǎn)生微裂紋源，拉伸應(yīng)力大于某一極限值后，斷裂即會(huì)產(chǎn)生。

（3）斷口附近夾雜物分析結(jié)果表明，不少脆性斷裂的斷口附近產(chǎn)生的團(tuán)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(duì)鋼的力學(xué)性能有著嚴(yán)重的危害，是高溫塑性大幅降低的根本原因。