珠光体对ZG120Mn13钢拉伸断裂过程的影响

丁志敏，付 能，冯 锐

（大连交通大学材料科学与工程学院，大连 116028）

珠光体对ZG120Mn13钢拉伸断裂过程的影响

丁志敏，付 能，冯 锐

（大连交通大学材料科学与工程学院，大连 116028）

为探究珠光体降低高碳高锰钢机械性能的原因，本文采用金相组织分析、机械性能测试和断口微观形貌分析等实验方法，研究了奥氏体基体上含体积分数23%珠光体的ZG120Mn13高碳高锰钢的拉伸性能及其裂纹形核和扩展过程.结果表明：通过时效处理，在奥氏体基体上析出的条状、颗粒状以及沿晶界连续分布的珠光体将使ZG120Mn13钢的强度和塑性大幅度下降.机械性能的降低与其力学行为有关，当基体为单一奥氏体时，裂纹将在大量孪生变形后，在孪晶界、孪晶与晶界交界处形核，并沿孪晶界长大而相互连接、扩展.而奥氏体基体上存在珠光体时，裂纹主要在珠光体团内形核，并通过相邻珠光体间奥氏体的塑性耗竭、切断而得以扩展.

高碳高锰钢；时效处理；组织结构；珠光体；机械性能；裂纹形核及其扩展

高碳高锰钢在强冲击、高应力载荷工况下具有极为优异的耐磨性能［1-2］.但由于高锰钢的初始硬度低，在强冲击载荷下，表层在发生形变硬化的同时也将产生较大的外形尺寸变化，而使摩擦副之间接触精度降低，导致随后的磨损量增大，其初期耐磨性降低［3］.此外，在非强冲击载荷工况下，高锰钢的耐磨性也没有得到充分的发挥［4-5］.

时效处理作为一种提高高锰钢耐磨性或初期耐磨性的简单、廉价的处理方法，得到了越来越多的应用.不过，一些文献［6-9］在研究了高锰钢时效处理之后的组织和机械性能后发现，只有经适当温度的时效处理才有可能提高高锰钢在非强冲击载荷下的耐磨性.一旦时效温度超过450℃，虽然在高锰钢的奥氏体基体上析出了更多的碳化物或珠光体，但其抗拉强度、韧性、甚至其耐磨性不增加反而大幅度下降.而关于时效处理所析出的珠光体是怎样影响高锰钢的强度、韧性和耐磨性等机械性能的问题，却鲜有文献报道.

鉴此，本文拟通过研究拉伸过程中单相奥氏体基体上珠光体存在与否时的裂纹形核和扩展过程的差异，来弄清楚时效处理过程中析出的珠光体降低高锰钢机械性能的原因.

1 实 验

本文所用材料为ZG120Mn13高碳高锰钢，其化学成分如表1所示.所用试样经熔炼、浇注、切割获得基尔试块，并经水韧处理、加工成所需试样后，再进行时效处理.水韧处理工艺为：1 050℃× 2 h水冷.为了获得较多量的珠光体，所采用的时效处理工艺为：550℃×2 h水冷.

表1 实验用高碳高锰钢的化学成分（质量分数/%）

拉伸实验在AG-IS 250 kN万能拉力试验机上进行，拉伸速率为5 mm/min，所用试样为直径10.0 mm标准圆柱短试样.在JSM-6360LV扫描电子显微镜上对拉伸断口进行了微观形貌分析.尔后，将拉断的试样沿垂直于断裂面的方向制成剖面金相试样.

在NEOPHOT21光学显微镜上对水韧处理及其时效处理后的金相试样和剖面金相试样进行了观察.制备金相试样和剖面金相试样的浸蚀方法为先用体积分数4%的硝酸酒精溶液浸蚀后，再用体积分数4%的盐酸溶液进行浸蚀.

采用定量金相方法中的直线截线法在光学显微镜上测定了奥氏体基体上的珠光体数量.测量时任意选取10个视场，每一视场纵、横方向各测量1次，最后获得珠光体团在直线段上的平均值.

2 结果与分析

2.1 ZG120Mn13钢不同组织时的拉伸性能及其断口微观形貌

图1为ZG120Mn13高锰钢水韧处理及其时效处理后的金相组织.从图1可以看出：高锰钢水韧处理的组织为单一奥氏体组织；经550℃时效处理后，在奥氏体基体上析出了较多呈条状或颗粒状的珠光体团，其珠光体体积分数为23%，且有较多珠光体团沿晶界连续分布.

图2和表2分别为ZG120Mn13钢不同组织时的拉伸应力-应变曲线及其拉伸性能.

从图2可以看出，具有奥氏体组织的高锰钢的塑性变形阶段很长，展现出了极高的塑性变形能力，并且在其变形曲线上出现了由孪生变形引起的锯齿状形态［2，10-12］；而当奥氏体基体上析出体积分数23%的珠光体时，其塑形变形阶段极短，表现出了较大的脆性，见图2（a）.表2的拉伸性能数据也显示，除了将稍增加屈服强度之外，珠光体在奥氏体基体上的析出均将大幅度地降低高锰钢的抗拉强度和塑性，特别是塑性.

表2 ZG120Mn13钢不同组织时的拉伸力学性能

图3为ZG120Mn13钢不同组织时的拉伸断口微观形貌.

从图3可以看出：奥氏体组织的拉伸断口呈现出明显的叠层状和韧窝状的混合断口形貌，且叠层状的尺寸较为粗大，见图3（a）；而当奥氏体基体上有珠光体析出时，其微观断口形貌有点与沿晶断口的冰糖状相类似，但又没有冰糖状断口形貌那样棱角分明，本文将其断口形貌称为类冰糖状断口，见图3（b）；而对图3（b）进行更高放大倍率进行观察时可以看到，沿晶断面由凹凸不平的“石断状”形貌（图3（c）上部分）与韧窝（图3（c）下部分）组成.图3所展现出的ZG120Mn13钢不同组织时的拉伸断口微观形貌肯定与其拉伸过程中裂纹的形核及其扩展过程有关.

2.2 ZG120Mn13钢不同组织时的断口剖面金相组织

图4和图5分别为ZG120Mn13钢不同组织时的断口剖面金相组织.由图4可以看出，当组织为单一奥氏体时，试样上存在有大量相互平行和交叉的孪晶.大量孪晶的存在以及图2（b）的拉伸曲线和其上的锯齿状表明，高碳高锰钢奥氏体从开始塑性变形到最后断裂的阶段中发生了较大的塑性变形，且其变形方式主要为孪生；而裂纹的形核位置为孪晶界（图4（a）中的A、B、C处，以及图4（b）中的A、B处）、孪晶与晶界交界（图4（a）中的D、E处，以及图4（b）中的C处）等位置，其中以孪晶界为主要的裂纹形核位置；且裂纹的扩展基本上是沿着孪晶界进行的（图4（a）中的C、F、G处，以及图4（b）中的D处）.图4（a）中H处还显示，相邻两裂纹在各自沿着孪晶界长大后通过相互连接而使裂纹进一步长大的情形.

图4 奥氏体组织的裂纹形核及其扩展

由图5可以看出，经时效处理后，在奥氏体基体上析出有较多珠光体，在奥氏体的基体上看不到孪晶以及珠光体团发生形状变化的痕迹，这表明奥氏体+珠光体组织在断裂前没有发生明显的塑性变形，而裂纹主要是在珠光体团内形核.因此，当珠光体团单独存在于奥氏体基体时，裂纹前端终止于奥氏体和珠光体团的交界处，如图5（b）中的A、B、C所示.而裂纹的继续扩展需在更高的外力作用下通过始终处于裂纹前沿局部的奥氏体不断地发生塑性变形、塑性耗竭、切断，最终使相邻珠光体间奥氏体发生断裂才得以进行.当珠光体团相互连接在一起时，主裂纹的扩展是不断地通过其前端珠光体团中小裂纹的形成、独自扩展以及与主裂纹相互连接而进行的，如图5（c）所示.

图5 奥氏体+珠光体组织的裂纹形核及其扩展

3 讨 论

由2.1小节可知，高碳高锰钢水韧处理后的组织为单一奥氏体组织.经550℃时效处理后则将在奥氏体基体上析出呈条状或颗粒状的珠光体团，其体积分数可达23%，且出现了较多珠光体团沿晶界呈连续分布的状态.与奥氏体组织相比较，珠光体的析出使得高锰钢在拉伸过程中的塑形变形阶段大大缩短，脆性明显增加，并大幅度地降低其抗拉强度和塑性，特别是塑性.高碳高锰钢组织的差异所引起拉伸性能的改变，肯定与各组织在拉伸条件下的变形、裂纹形核及其扩展过程中所表现的行为不一样有关.

当高锰钢具有奥氏体组织时，由于高锰钢奥氏体的稳定性高、层错能低［13-14］，以及具有优异的塑性，因而在整个高锰钢的变形和断裂的过程中没有新相的形成，主要是以孪生变形的方式进行塑性变形，且其塑性变形阶段非常长.反映在断口剖面金相组织上，出现了大量相互平行或交叉的孪晶.当孪生变形达到一定程度后，则裂纹将会在孪晶界、孪晶与晶界的交界等位置处，较多地是在孪晶界处形核，并沿孪晶界长大，以及相邻裂纹间相互连接而导致断裂（如图4所示）.而图3（a）中所示的叠层状微观断口形貌也间接地反映了高碳高锰钢中的奥氏体在断裂过程中裂纹沿孪晶界扩展，断裂后在其断面上呈现出叠层状的形貌.

而在奥氏体基体上析出有较多珠光体时，此时珠光体团作为硬度较高的组织存在于软质的奥氏体基体中［15］，因而在奥氏体+珠光体组织进行塑性变形时，奥氏体将优先进行塑性变形，而珠光体团将对奥氏体的变形起着阻碍作用.珠光体量越多，尺寸越大，则这种阻碍作用就越强，特别是当珠光体团连接成长条状、或沿奥氏体晶界呈连续分布时，其阻碍作用更强.反过来，这种阻碍作用的结果，不但使奥氏体的塑性变形减小，而且即使在高碳高锰钢产生宏观变形量较小的情况下，也会在奥氏体与珠光体团的交界处产生较大的应力集中.而在这种高应力集中状态下，珠光体团中的渗碳体片将会在大量源于铁素体片层中、而塞积于铁素体和渗碳体交界处位错的作用下，在垂直于拉伸轴方向上沿着强烈剪切形变带而开裂，继而使裂纹贯穿整个珠光体团［16］，其情形如图5所示的那样.此时，若珠光体团在奥氏体基体中单独存在时，则相邻珠光体团中的小裂纹将会通过两者之间的奥氏体在各自裂纹尖端应力作用下不断地发生塑性变形、塑性耗竭、切断，不断地向前扩展而相互连接，并通过这种相互间的不断连接扩展导致最后的断裂.此时，在拉伸断口的微观形貌上呈现出如图3（c）下部的韧窝形貌.但若珠光体团连接成长条状、或沿奥氏体晶界呈连续分布时，则主裂纹将主要是不断地通过小裂纹在其前端的珠光体团中形核、长大而后与主裂纹相互连接而得以扩展，最终导致断裂.此时，在拉伸断口微观形貌上呈现出如图3（c）上部分的凹凸不平的“石断状”形貌.由于在低的拉伸载荷下，珠光体团中就会有裂纹的产生，因而当在奥氏体基体中存在有珠光体时，则奥氏体的强度和塑性均将降低.珠光体量越多，在珠光体团中产生裂纹的几率就越大，因而其强度和塑性将下降得越多.特别是在珠光体团连接成长条状、或沿奥氏体晶界呈连续分布时，由于裂纹间可以直接沿着长条状方向或晶界相互连接扩展，则抗拉强度和塑性降低的幅度将更大.

4 结 论

1）ZG120Mn13钢时效处理后将在水韧处理所获得的奥氏体基体上析出条状和颗粒状珠光体团，其体积分数可达23%，且有较多的珠光体团沿晶界呈连续分布.珠光体的析出将使高碳高锰钢的强度和塑性大幅度地降低.

2）在ZG120Mn13钢为奥氏体时的拉伸断口剖面金相组织上，存在有大量相互平行和交叉的孪晶.而裂纹在孪晶界、孪晶与晶界交界等位置处形核、并沿着孪晶界长大，以及通过相邻裂纹间各自长大、连接而断裂.

3）在ZG120Mn13钢为奥氏体+珠光体组织时的拉伸断口剖面金相组织上，在奥氏体的基体上看不到孪晶以及珠光体团发生形状变化的痕迹.而裂纹主要通过珠光体团内的形核，并通过始终处于裂纹前沿的奥氏体不断地发生塑性变形、塑性耗竭、切断，最终使相邻珠光体团间的奥氏体发生断裂而得以扩展，或不断通过位于主裂纹前端珠光体团中小裂纹的形核、长大而后与主裂纹相连接的方式得以扩展，最终导致断裂.

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（编辑 程利冬）

Effect of pearlite on the tensile fracture process of ZG120Mn13 steel

DING Zhimin，FU Neng，FENG Rui

（College of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

To investigate the reason why pearlite on austenite matrix of Hadfield steel would reduce its mechanical properties，the effect of pearlite on the tensile properties，crack nucleation and propagation process of ZG120Mn13 steel which contains volume fraction of 23%pearlite，was studied by metallography analysis，mechanical property testing and fracture morphology analysis.The strength and ductility of ZG120Mn13 steel can be decreased by the aging treatment that produced the pearlite colonies with the strips and granular-like，or continuously along grain boundaries of the austenites.The strength and ductility of the steel sharply decrease because of pearlite.The decrement of mechanical properties is related to the crack nucleation and propagation process during the deformation and fracture of the steel.When the steel is a single-phase austenite，the cracks nucleate mainly at twin boundaries，or junctions between twins and grain boundaries after a large number of twinning deformation，then grow up along twin boundaries and connected with each other.Whereas，when there are pearlite colonies on the austenite matrix，cracks nucleated mainly in the pearlite colonies，and these cracks were expanded even to rupture by plastic deformation and fracture of austenite between adjacent pearlite colonies.

Hadfield steel；aging treatment；microstructure；pearlite；mechanical property；nucleation and development of crack

TG113

A

1005-0299（2015）04-0054-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150409

2014-05-14.

铁道部科技研究开发计划项目（2012G011-D）；辽宁省高等学校优秀人才支持计划（LR2012014）；大连市科技计划项目（2013A16GX119）.

丁志敏（1962—），男，教授，博士生导师.

丁志敏，E-mail：dingzm@djtu.edu.cn.