高锰铸钢的高温形变热处理及其组织和力学性能

王 琳 马 华 陈 晨 张福成, 2 畅国纪 刘恒亮

(1.燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004； 3.中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066000;4.中国铁建重工集团道岔分公司，湖南 株洲 412005)

高锰钢具有优异的加工硬化特性和强韧性配合[1]，被广泛用于制造承受冲击磨损的零件，如矿山、建材、冶金、军工和铁路等行业的耐磨件[2- 4]。高锰钢工程构件一般通过铸造成型，经简单热处理后直接使用。但高锰钢因为含碳量高、导热性差且结晶速度较快，易产生粗大的结晶组织。此外由于高锰钢凝固时线收缩率大，易产生缩松、气孔和夹杂物等缺陷，严重影响其性能和使用寿命[5- 7]。

通常，粗大的晶粒不利于钢铁材料的力学性能。Di Schino等[8]发现，低镍奥氏体不锈钢的强韧性和硬度均随着晶粒的增大而降低。具有粗大晶粒的材料，其单位体积的晶界面积小，阻碍位错等缺陷运动和裂纹扩展的作用小，严重降低材料的强韧性[9]。粗大晶粒协调变形性差，会降低材料的塑性[10]。近年来，有人对铸造缺陷与疲劳破坏之间的关系做了大量的试验研究。张敏等[11]发现，失效的高锰钢辙叉断口有大量缩松、气孔和夹杂物等铸造缺陷，从而破坏了材料的连续性，减小了有效承载面积，导致其抗变形性能下降而断裂。当高锰钢铸件受交变载荷作用时，应力易集中于铸造缺陷处并萌生裂纹，从而引起疲劳破坏[11- 13]。为了防止铸件产生晶粒粗大等铸造缺陷，曾采取了各种工艺措施，但效果不明显。

高温形变热处理是将高温变形与热处理相结合以提高材料力学性能的一种复合工艺。卢金文等[14]对Ti- 1300合金先进行高温变形，以增加其位错及细小亚结构等缺陷的密度，再进行适当的热处理使其强化。周士猛等[15]研究发现，G33马氏体钢经高温形变热处理后，钢中难溶碳化物溶解，固溶强化效果增强，晶粒细化，基体的位错密度提高，在细晶强化和固溶强化的共同作用下，钢的力学性能明显提高。可见，高温形变热处理工艺在钢铁等材料细化晶粒、提高力学性能等方面有显著的效果。众所周知，传统高锰钢的热变形温度范围窄，变形性能差[16]。对于高锰铸钢，仍不能通过精确控制变形温度和变形量来获得稳定的组织和性能。本文对高锰铸钢进行了高温形变热处理，即将其高温压缩变形至不同的变形率，随后在1 050 ℃保温30 min后水韧处理(水淬)，获得了比仅经水韧处理的钢优异的组织和力学性能。

1 试验材料与方法

试验材料为在大气环境中冶炼的高锰铸钢，其截面尺寸为200 mm×200 mm，化学成分(质量分数，%)为1.11C，13.1Mn，0.42Si，0.047P，0.006S。高温形变热处理工艺为：先将3块试样随炉升温至1 050 ℃保温2 h，将其中1块试样直接水韧处理(水淬)，另2块分别压缩变形20%和25%，再于1 050 ℃保温30 min后水韧处理(水淬)。用电火花线切割机在试样变形表面以下5 mm处取样，并加工成标距为25 mm、直径为5 mm的拉伸试样，用E45.105 MTS高低温静拉伸设备对以上3种状态的试样进行室温拉伸试验，应变速率为2×10-3s-1。

在试样的相同部位取样并加工成标距为10 mm、直径为5 mm的疲劳试样，用MTS液压伺服试验机进行低周疲劳试验。疲劳试验前用砂纸将试样打磨光滑，以减小试样表面状态对疲劳性能的影响。试验采用应变控制方式加载，总应变幅为0.4×10-2、0.6×10-2和0.8×10-2，应变速率为6×10-3s-1，判断疲劳失效的标准为试样断裂或最大拉应力降低至原值的25%。

在试样的相同部位切取试块，打磨抛光，经4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀后，用Axiover 200MAT型光学显微镜观察组织；用SU 5000型扫描电镜对试样变形表面以下0.5、5和10 mm处的缺陷进行观察并统计其面积；用XHB- 3000布氏硬度计测定试样的表面硬度(HB)。

2 试验结果与分析

2.1 变形组织

水韧处理、热压缩变形20%和25%后水韧处理的试样的显微组织如图1所示。图1表明，热变形量越大，钢的晶粒越细小。仅经水韧处理的试样组织粗大，其平均晶粒尺寸为732 μm，晶粒度小于00级(见图1(a)和表1)；热压缩变形20%再水韧处理的试样晶粒有所减小，但仍有少量粗大晶粒，其平均晶粒尺寸为237 μm，晶粒度为1.0级(见图1(b)和表1)；变形量为25%的试样的晶粒更加细小，基本无粗大晶粒，其平均晶粒尺寸为164 μm，与仅水韧处理的试样相比，晶粒度提高到了2.0级(见图1(c)和表1)。

图1 经不同工艺热处理的试样的显微组织Fig.1 Microstructures of the specimens heat treated with different processes

表1 经不同工艺热处理的试样的晶粒尺寸Table 1 Grain sizes of the specimens heat treated with different processes

表2为经水韧处理、热压缩变形20%和25%后水韧处理的试样其变形表面以下0.5、5和10 mm处的缺陷面积统计结果，总体规律是，变形量越大，缺陷面积越小，且距试样变形表面越近，缺陷减少越明显。与仅水韧处理的试样相比，热压缩变形25%再水韧处理的试样中缺陷面积占比从≥0.27%减少到了≤0.06%，即缺陷明显减少。此外，热压缩变形20%和25%的试样在变形表面以下0.5 mm处的缺陷面积所占比例减少最显著，分别从0.28%减少到了0.06%和0.04%。

图2为仅水韧处理、热压缩变形20%和25%后水韧处理的试样变形表面以下0.5 mm处的扫描电镜图，图中黑色凹坑即为铸造缺陷。总体上看，经高温形变热处理的试样在其变形表面以下0.5 mm处的缺陷面积明显减少，并且热压缩变形20%和25%的试样此部位的缺陷面积基本相同。

表2 经不同工艺热处理的试样缺陷面积比例Table 2 Percentages of defect area in the specimens heat treated with different processes %

2.2 力学性能

表3为经水韧处理、热压缩变形20%和25%后水韧处理的试样的力学性能。可以看出，经高温形变热处理的试样的力学性能明显较高，并且随着压缩变形量的增大，性能提高更为明显。热压缩变形20%再水韧处理的试样的抗拉强度从仅水韧处理试样的703 MPa提高到了819 MPa，提高了17%，断后伸长率和冲击韧度分别达到了42.8%和407 J/cm2；热压缩变形25%的试样的强度和塑性提高幅度更大，抗拉强度达到了927 MPa，断后伸长率达到了50.7%，试样变形表面的硬度从205 HB提高到了238 HB。

2.3 低周疲劳性能

图3为经水韧处理、热压缩变形20%和25%后水韧处理的试样在各应变幅下的峰值应力随循环周次的变化。总体上看， 3种状态试样的峰值应力随循环周次的变化趋势是一致的，即循环变形行为没有明显变化。随着应变幅的增大，3种状态试样的峰值应力均随之提高，疲劳寿命随之缩短。从未变形和变形的试样的疲劳寿命看，经热压缩变形20%和25%的试样在各应变幅下的疲劳寿命均明显提高， 并且热压缩变形25%的试样提高幅度更大(见图3和表4)。当应变幅△εt/2=0.4×10-2时，经热压缩变形20%后水韧处理的试样的疲劳寿命比仅水韧处理的试样高44%；应变幅△εt/2= 0.6×10-2时，提高了19%；应变幅△εt/2=0.8×10-2时，提高了34%。而热压缩变形25%水韧处理的试样与仅水韧处理的试样相比，其疲劳寿命在0.4×10-2应变幅下达到10 202周次，提高了95%，在0.6×10-2和0.8×10-2应变幅下分别提高了42%和71%。

图2 经不同工艺热处理的试样其变形表面以下0.5 mm处的扫描电镜图Fig.2 SEM images at 0.5 mm below the deformed surface of the specimens heat treated with different processes

表3 经不同工艺热处理的试样的力学性能Table 3 Mechanical properties of the specimens heat treated with different processes

3 讨论

图3 经不同工艺热处理的试样的峰值应力随循环周次的变化Fig.3 Peak stress as a function of cycle number of the specimens heat treated with different processes

试样在高温变形时伴随有动态再结晶，并且变形量越大位错密度越高，再结晶形核率也越大，动态再结晶速度也更快[17- 19]。热压缩变形后于1 050 ℃保温30 min时，试样将发生静态再结晶，且变形量越大，储能越多，再结晶驱动力越大，再结晶程度也越大[17]，因此热压缩变形25%的试样晶粒比热压缩变形20%的试样更细小(见图1(c))，其平均晶粒尺寸为164 μm，晶粒度2.0级(见表1)。根据Hall- Petch方程：

σs=σ0+Kd-1/2

式中：σs为屈服强度；σ0为常数，相当于单晶体的屈服强度；K为晶界对强度的影响系数；d为晶粒的平均直径，可知，多晶体的屈服强度与晶粒尺寸成反比，即晶粒越细小强度越高[20]。因此经热压缩变形25%后水韧处理的试样强度显著提高，屈服强度达423 MPa，抗拉强度达927 MPa。同时，随着晶粒细化程度的提高，单位体积内晶界面积增大，可缓解因位错塞积而导致的应力集中，使位错难以运动、裂纹难以形成，钢的塑韧性得以提高[21]。低周疲劳试验结果显示，3种状态试样的疲劳寿命均随着变形量的增大而提高，这种变化趋势与试样的力学性能相一致。高温形变热处理显著提高了钢的强韧性，并且变形量越大，强韧性越好，根据强度和塑性对低周疲劳寿命的决定性作用[22- 24]，钢的低周疲劳寿命也越长。

表4 经不同工艺热处理的试样的疲劳寿命(循环周次)Table 4 Fatigue life of the specimens heat treated with different processes (cycle number) Nf

由于高锰铸钢在凝固过程中线收缩率较大，往往导致铸件产生缩松、气孔和夹杂物等铸造缺陷，严重破坏了材料的连续性和致密性，降低材料的抗变形性能。当高锰铸钢件受到往复冲击和磨损时，缺陷处易产生应力集中和萌生裂纹。另外，缺陷的存在也严重降低高锰铸钢件的抗裂纹扩展性能，最终导致力学性能和使用寿命降低[13]。本文研究的高锰铸钢试样在高温变形时，试样内的部分孔洞类缺陷在外力作用下焊合，因而组织更致密，尤其是试样的变形表面附近，缺陷减少最明显，如表2所示。由试样变形表面的硬度(表3)可以看出，经高温形变热处理的试样变形表面硬度随变形量增大而提高。其原因一方面是试样变形后晶粒细化，另一方面是经高温形变热处理的试样孔洞类缺陷减少，组织更加致密[25- 26]。

4 结论

(1)经高温形变热处理的高锰铸钢，晶粒明显细化，孔洞类缺陷减少，并且随变形量增大，组织更细小更致密。

(2)随着变形量的增大，高锰铸钢的力学性能提高更为明显。热压缩变形25%再水韧处理的高锰铸钢试样，其抗拉强度从703 MPa提高到了927 MPa，提高了32%，断后伸长率和冲击韧性也分别提高了60%和46%。

(3)与仅仅水韧处理的高锰钢试样相比，经热压缩变形20%和25%后水韧处理的试样在不同应变幅下的疲劳寿命均明显提高，热压缩变形25%的试样在应变幅为0.4×10-2、0.6×10-2和0.8×10-2时，疲劳寿命分别提高了95%、42%和71%。