夹杂物对高锰钢高温塑性影响研究

庄昌凌，郭永峰，杨光凯

（贵州大学，贵州 贵阳 550025）

近些年，一些性能优异的高锰钢引起人们的广泛关注，孪晶诱导塑性钢（TWIP）和相变诱导塑性钢就是其中的典型代表，这类高锰钢新钢种具有优异的综合力学性能被人们视作理想的汽车材料[1，2]。高锰钢由于含有较高的锰含量[3]，扩大了奥氏体相区，冷却后组织以奥氏体为主，具有较强的加工硬化能力，具有良好的耐磨性，广泛应用于机械、冶金、铁路、军工等领域[4-7]。孪晶诱导塑性钢是一种高强度高塑性高锰钢，该钢种形变过程产生大量的孪晶导致其塑韧性得到较大的提升，所以也被称为孪晶诱导塑性钢，该钢种在提高强度的同时也能提高塑性，引发了很多科研人员和钢铁企业的重视[8]。高温塑性在科研和工程应用中具有重要作用，连铸矫直、热处理、锻压等工艺的制定必须以高温塑性为基础，考虑到该高强度高塑性高锰钢的高温力学性能研究并不多，本文主要针对夹杂物对高锰钢高温塑性影响开展研究，主要通过实验室冶炼高锰钢铸锭，切样制样后用热模拟试验机Gleeble 3500开展高温塑性研究，获得试样在高温下断面收缩率随温度的变化情况，进行断口形貌观察，分析该钢种断口附近夹杂物，研究夹杂物对高锰钢高温塑性影响，为高锰钢质量控制提供理论借鉴。

1 实验方法

采用工业纯铁、高纯铝块、电解锰和增碳剂等作为原料，利用中频感应炉冶炼了高锰钢铸锭，铸锭的化学成分如下图所示。

表1 高锰钢化学成分，wt%

把铸锭用线切割成φ10mm*120mm规格的高温拉伸试样，准备好的高温拉伸试样将用于gleeble3500热模拟试验机高温拉伸实验。实验在抽真空后充Ar条件下进行，拉伸温度区间选择在1000～1310℃。加热变形制度为以10 ℃/ s的速率升温到1250℃，保温3min，然后以3 ℃/ s的速率升温/降温到预定实验温度，实验温度分别是1000℃，1100℃，1200℃,1250℃，1275℃，1300℃、1310℃在实验温度保温1 min后以1×10-3/s-1应变速率进行拉伸试验，拉断后喷水急速冷却，保留断口形貌并在扫描电镜下观察，分析其断裂类型。图5.3为高温拉伸实验过程示意图。

图1 高温拉伸实验示意图

图5 Al2O3夹杂物和MnS夹杂物图像与EDS图谱

2 实验结果与讨论

2.1 高锰钢高温塑性

通过在1000℃，1100℃，1200℃,1250℃，1275℃，1300℃、1310℃等温度下利用Gleeble-3500进行高温拉伸，采用断面收缩率表示塑性，其中断面收缩率是拉伸前后样品的横截面积减少量占拉伸前横截面积的百分比，断面收缩率值越大，表明塑性越好。

式中，A0、Af分别为试样断裂前后的横截面积

从图2可知，在1000℃～1250℃之间，存在高温脆性区间，在温度为1200℃时存在塑性低谷，断面收缩率值仅为47%，在该温度区间随着温度继续升高，塑性快速增强，在1275℃时，断面收缩率提高到最大值89%。 但随着温度继续增加25℃，在1300℃时，热塑性曲线出现异常点，塑性突然急剧恶化，发生脆性断裂，断面收缩率值仅为13%。对该异常点进行深入分析，发现该样品断口处存在大量Al2O3、AlN、MnO和MnS(Se)夹杂物，发现AlN在液相中析出，并且作为异质形核核心，MnS(Se)等夹杂物会在其表面局部析出。脆性夹杂物聚集将会严重恶化高温力学性能，这是断面收缩率大幅降低的根本原因。

图2 高温下高锰钢的断面收缩率

2.2 断口形貌分析

利用金相显微镜观察断口形貌，结果如下图3所示：

图3 金相显微镜观察断口

图3 (a)(b)(c)(d)是高温下高锰钢断口附近的微观组织，从图3(a)可以明显的观察到裂纹，裂纹源有许多小黑点，黑点是夹杂物，较大尺寸的夹杂物很容易在应力作用下导致了微裂纹的产生，在拉伸作用力下，裂纹会进一步扩展。降低钢材的塑性。图3(b)观察到大量的柱状晶，这些柱状晶分布不均匀，晶体间距较小。图3(c)和图3(d)发现大量树枝晶，这些树枝晶呈现不规则性，沿着各个方向生长，沿着枝晶的边界可以观察少部分微裂纹，这是由于枝晶边界在拉伸过程中发生的滑移从而导致枝晶间断裂。有些裂纹被拉大甚至扩大，形成空洞，对钢材的塑性影响非常大。图3(d)中有较大的裂纹，裂纹旁边有少量微孔，可能会导致塑性和韧性严重下降。

2.3 断口附近夹杂物分析

采用Zeiss-Utra55型场发射扫描电镜观察高锰钢在不同温度下拉伸试样的断口，如下图所示：

如图4(a)(b)(c)(d)所示，在4(a)(b)中韧性断裂产生的韧窝中发现了不规则形貌的夹杂物，夹杂物尺寸在5～10um左右。在4(c)(d)是脆性断裂，在断口附近发现有夹杂物聚集现象。从图4来看，所有试样的断口附近都发现了夹杂物，表明夹杂物是拉伸断裂过程的微裂纹源，由于夹杂物破坏了基体的连续性，在拉伸应力的作用下，容易在夹杂物与基体之间产生微裂纹源，随着拉伸应力的增大，微裂纹逐渐扩展形成裂纹。当应力大于某一极限值后，断裂即会产生。

图4 扫描电镜观察断口附近夹杂物

采用扫描电镜与能谱仪分析断口附近夹杂物，发现MnO、AlN、MnS、Al2O3夹杂物及其复合夹杂物。图5(a)显示了呈聚集状态的Al2O3夹杂物，在不少脆性断裂的断口附近发现了这类团簇状的Al2O3夹杂物，由于属于脆性夹杂物，而且处于团簇状态，这类夹杂物对钢的高温塑性有着严重的危害。这类Al2O3夹杂物很难避免，因为铝元素和氧元素有很强的结合能力，在钢中很容易生成，对钢的的性能和质量有很大的影响。MnS夹杂物是属于塑性夹杂物，在钢中大多以单独的形式存在，或者以复合夹杂物的形式存在，硫化锰夹杂物很容易包裹氧化铝形成复合的MnSAl2O3夹杂物。AlN夹杂物危害也较大，和Al2O3夹杂物类似，容易呈现出团簇状聚集，对钢的危害很大。

4 结论

（1）高锰钢在1000℃～1310℃之间存在高温脆性区间，表现为断面收缩率先降低再升高，总体上具有良好的高温塑性，在生产工艺制定上，需要避开高温塑性低谷区，以便获得更好的加工性能。

（2）通过对断口附近夹杂物分析，发现韧性断裂和脆性断裂的断口都有不规则形貌的夹杂物，表明夹杂物是拉伸断裂过程的微裂纹源，夹杂物破坏了基体的连续性，在拉伸应力的作用下，容易在夹杂物与基体之间产生微裂纹源，拉伸应力大于某一极限值后，断裂即会产生。

（3）断口附近夹杂物分析结果表明，不少脆性断裂的断口附近产生的团簇状的Al2O3夹杂物是断面收缩率大幅降低的重要原因，这类夹杂物对钢的力学性能有着严重的危害，是高温塑性大幅降低的根本原因。