高碳高錳鋼450℃時效處理后的拉伸斷裂行為

管現軍，馮銳，丁志敏

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.中車大同電力機車有限公司技術中心，山西 大同 037038)*

高碳高錳鋼450℃時效處理后的拉伸斷裂行為

管現軍1，馮銳2，丁志敏1

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028；2.中車大同電力機車有限公司技術中心，山西 大同 037038)*

采用金相分析、拉伸實驗以及斷口形貌觀察等分析手段研究了100Mn13高碳高錳鋼450℃時效處理后的組織、拉伸性能、斷口形貌特征及其裂紋形核與擴展過程.結果表明：高碳高錳鋼水韌處理及450℃時效處理后的金相組織為奧氏體基體上存在有少量沿晶界呈不連續分布的碳化物.具有這樣組織的高碳高錳鋼仍具有優越的塑性和高的抗拉強度，其斷裂后的抗拉強度和延伸率可分別達到981 MPa和70%.拉伸斷裂后的高碳高錳鋼組織中出現了大量的孿晶，而且裂紋在孿晶界處以及晶界上的碳化物處形核，并沿晶界和孿晶界長大，相鄰裂紋相互連接、擴展，直至斷裂.拉伸斷口微觀形貌為石斷狀，其斷裂面上存在有大量的韌窩.

高碳高錳鋼；450℃時效處理；晶間碳化物；斷裂行為

0 引言

高碳高錳鋼作為一種優異的耐磨材料，其研究和應用已有上百年的歷史[1].由于在高沖擊載荷或高接觸應力下，高碳高錳鋼具有高耐磨性、高韌性和高加工硬化性，而被廣泛應用于鐵路、采礦、建材等行業[2].

雖然高碳高錳鋼在高沖擊工況下擁有不可替代的地位，但其弱點也不容忽視.高碳高錳鋼的應用，因未變形和變形初期的硬度低、耐磨性能差，而受到一定的影響[3].所以，人們往往采取非常經濟的時效處理來提高其初始硬度及耐磨性[4-6].根據文獻[7-11]報道，高錳鋼經水韌+450℃時效處理后，得到了較佳的強度和塑性配合，提高了其初始硬度和耐磨性，表現出了較好的綜合性能，且450℃時效后的組織為奧氏體+少量碳化物組織.高碳高錳鋼的這種組織之所以具有較好的綜合性能是與其變形及斷裂行為有關.關于高碳高錳鋼時效后的變形及斷裂行為，僅僅文獻[12]研究了奧氏體基體上存在有珠光體組織時的變形和斷裂行為，且作者認為珠光體組織是造成高錳鋼脆性斷裂的原因.而關于450℃時效處理后高碳高錳鋼的變形及斷裂行為的研究，目前還鮮有報道.

鑒于此，本文通過研究水韌處理后經450℃時效處理后高碳高錳鋼的原始組織，以及拉伸斷裂后的斷口形貌、斷口剖面組織及其裂紋的形核與擴展形態，來探究該狀態下高碳高錳鋼的拉伸及斷裂行為.

1 實驗材料及方法

本實驗所采用材料為100Mn13高碳高錳鋼，其化學成分如表1所示.材料在熔煉、澆鑄和鍛造之后采用電火花線切割機加工成Φ30 mm的圓棒，并利用SX-4-10箱式電阻爐對其進行水韌+450℃時效處理.最后將處理后的實驗材料加工成5倍Φ20 mm的標準圓柱拉伸試樣.

拉伸實驗在WEW-600型萬能試驗機上進行.然后，利用SUPRA55型掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行分析.并將斷后試樣制成剖面金相試樣，磨光、拋光和腐蝕之后進行金相分析和SEM分析.

表1 實驗用高碳高錳鋼化學成分 %

2 實驗結果與分析

2.1 水韌+450℃時效處理后的顯微組織及拉伸性能

圖1為100Mn13高碳高錳鋼經水韌+450℃時效處理后得到的金相組織.由圖1可以看出，經450℃時效處理之后的高錳鋼組織中含有少量碳化物.碳化物不連續的分布在奧氏體晶界上.

圖1 時效處理后高碳高錳鋼的金相組織

圖2和表2分別為100Mn13高碳高錳鋼經水韌+450℃時效處理后的拉伸應力-應變曲線圖及其時效組織與水韌組織拉伸性能.由圖2和表2可以看出，含有少量碳化物的高錳鋼在拉伸過程中呈現出了幾乎不低于水韌組織的塑性變形能力，其延伸率達到70%.而且450℃時效處理后的高錳鋼仍保持有較高的強度，其屈服強度和抗拉強度分別為374 MPa和981 MPa.此外，從拉伸曲線后半段M處的放大圖可以看到，在拉伸曲線上出現了鋸齒狀形態，這一結果與文獻[12-14]中的報道有類似之處，且文獻中作者認為該現象是由孿生變形引起的.

圖2 高碳高錳鋼的拉伸應力-應變曲線

拉伸性能抗拉強度/MPa屈服強度/MPa斷后延伸率/%斷面收縮率/%均勻收縮率/%時效組織98137470.0742.4738.02水韌組織97235972.8046.5338.93

2.2 高碳高錳鋼拉伸斷裂后的斷口形貌

圖3為水韌+450℃時效處理后100Mn13高碳高錳鋼的拉伸斷口形貌.從圖3(a)可以看出，水韌+450℃時效處理后的高碳高錳鋼拉伸斷口呈現出“石斷狀”形貌，這與沿晶斷裂的冰糖狀形貌相像.進一步對其斷裂面進行放大觀察可以得到如圖3(b)所示的斷口形貌，即在石斷面上布滿了大量深度較淺的韌窩.上述斷口形貌說明高碳高錳鋼經水韌+450℃時效處理后的斷裂方式為沿著晶界和孿晶界擴展的微孔聚集型斷裂.

(a) 拉伸斷口顯微形貌

(b)局部放大

2.3 高碳高錳鋼斷口剖面組織及裂紋的形核與擴展

圖4為100Mn13高碳高錳鋼斷口剖面金相組織及其裂紋的形核與擴展情況.由圖4(a)可以看出，在斷裂后的高碳高錳鋼剖面組織中出現了大量的孿晶，且部分晶粒中還出現了二次孿晶,如圖4 (a)中A處所示.

圖4 高碳高錳鋼斷口剖面金相組織及裂紋形核和擴展

由圖4(b)中可以看出，高碳高錳鋼中的裂紋主要在晶界(圖(b)中B處所示)、三叉晶界(圖(b)中C處所示)和孿晶界處(圖(b)中D處所示)形核，且裂紋主要沿晶界擴展.此外，在沿晶界擴展的大裂紋附近，存在沿晶界(圖(b)中C處所示)和沿孿晶界(圖(b)中E處所示)擴展的次生裂紋，這些次生裂紋有向大裂紋擴展并與之相連的趨勢.在掃描電鏡下進一步對100Mn13高碳高錳鋼裂紋的形核與擴展情況進行觀察，結果如圖5所示.

圖5 高碳高錳鋼裂紋形核及擴展掃描照片

在圖5(a)中可以明顯看出裂紋在晶界上不同的碳化物處形核，并有沿晶界擴展的趨勢.在圖5(b)中可以看出，裂紋在孿晶界上形核(圖5(b)中A、B處所示)，而且在孿晶界上形成的微孔主要集中在大裂紋附近的次生裂紋前端(圖5(b)中A、B、C、D等處)，且相鄰微孔之間有彼此相連的趨勢(圖5(b)中C、D處所示).

3 討論

在2.1節中可以看出，100Mn13高碳高錳鋼水韌+450℃時效處理后，在其奧氏體晶界上存在有少量呈不連續分布的碳化物，而得到奧氏體+碳化物組織，具有該組織的高碳高錳鋼在拉伸過程中表現出了優越的塑性和較高的抗拉強度.

在拉伸過程中，由于奧氏體高錳鋼的穩定性高、層錯能低[15]，其在塑性變形過程中不會產生新相，而會發生大量的孿生變形，從而導致高錳鋼斷口剖面金相組織中出現大量相互平行或交叉的孿晶(如圖4(a)中所示)，并表現出了優異的塑形變形能力.當孿生變形進行到一定程度后，裂紋將在孿晶界上及晶界上的碳化物處形核(如圖5所示).裂紋形核后，隨著塑性變形的不斷進行，微孔獨立長大.微孔的長大造成微孔間的應力集中.對于晶粒內部，待應力增大到孿晶界上的原子間作用力大小時，微孔間的孿晶界將會被撕裂，造成裂紋的擴展.對于晶界上碳化物間的奧氏體，隨著應力的增加將不斷發生塑性形變，待奧氏體塑性耗竭后，奧氏體沿晶界撕裂，造成裂紋擴展.綜上，100Mn13高碳高錳鋼經水韌+450℃時效處理后的斷裂方式為沿晶界和孿晶界擴展的微孔聚集型斷裂.

高錳鋼在拉伸斷裂的過程中，呈不連續分布的碳化物對其塑性變形階段影響甚微，這保證了100Mn13高碳高錳鋼水韌+450℃時效處理后的優良塑性.同時，塑性變形到一定程度后，裂紋在晶界上的碳化物處形核，并沿晶界迅速擴展，造成了斷裂面上具有較淺韌窩的“石斷狀”形貌(如圖3所示).

4 結論

(1) 高碳高錳鋼水韌處理及450℃時效處理后的金相組織為奧氏體基體上存在有少量沿晶界呈不連續分布的碳化物.其斷裂后的延伸率和抗拉強度可分別達到70%和981 MPa；

(2) 拉伸斷裂后的高碳高錳鋼中出現了大量的孿晶，而且裂紋在孿晶界處和晶界上的碳化物處形核，并沿晶界和孿晶界長大，相鄰裂紋相互連接、擴展;

(3) 高碳高錳鋼拉伸斷口呈“石斷狀”形貌，斷裂面上存在有大量的韌窩，斷裂方式為沿晶界和孿晶界擴展的微孔聚集型斷裂.

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Study of Tensile and Fracture Behavior of High Carbon High Manganese Steel Treated by Water Toughening and Aging at 450℃

GUAN Xianjun1，FENG Rui2，DING Zhimin1

(1.School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2.Datong Electric Locomotive Company Technology Center, Datong 037038, China)

The microstructure, tensile property, the characteristic of fracture morphology and the process of nucleation and expansion of cracks were studied by metallography analysis，tensile test and fracture morphology analysis. The test result show that the microstructure of the high carbon and high manganese steel treated by aging at 450℃ is consisted of a few discontinuous carbides existing on the austenitic grain boundary. The high carbon and high manganese steel with the microstructure behaves superior plasticity and high tensile strength. Its tensile strength and elongation can reach 981 MPa and 70% respectively. Deformation twins are formed in fractured mafrix of the high carbon and high manganese steel, and fracture nucleation happens on the twin boundary and on the carbides on grain boundary. Cracks grow up along the twin boundary and grain boundary, and the fracture spreads by adjacent cracks attaching to each other, resulted in fracture. Fracture morphology of the high carbon and high manganese steel is fractured stone like, and many dimples exist on the fracture surface.

hadfield steel; 450℃ aging treatment; intercellular carbides; fracture behavior

1673- 9590(2017)02- 0067- 04

2016-03-15 基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目(2012G011-D)；大連市科技計劃資助項目(2013A16GX1191)

管現軍(1989-)，男，碩士研究生； 丁志敏 ( 1962-) ，男，教授，博士，主要從事材料表面改性與金屬材料強韌化的理論及其工藝的研究

A

E- mail:dingzm@djtu.edu.cn.