高锰钢加工硬化机理研究
高锰钢的加工硬化
浅谈高锰钢的加工硬化
加工硬化是高锰钢的重要特征。
铸态高锰钢经水韧处理后形成单一的奥氏体组织，该组织硬度仅为170~230HB。
但是经过形变后奥氏体高锰钢的形变层内表现出的加工硬化现象，变形层的硬度可以达到500~800HB。
铸件的硬化层与冲击载荷的大小和形态、组织状态、化学成分、塑性性能、强度性能、形变速度等因素有关。
硬化层具有很高的硬度和良好的韧性，这种性能使硬化层具有高的抗冲击疲劳性能和高的抗磨料削损和形变磨损。
在表层硬化层被磨耗的同时外部冲击载荷又使硬化层连续不断地向钢的内部发展。
当高锰钢组分和外部载荷条件确定后，钢表面硬化层的硬度变化规律就确定，且这个规律不受表层磨损的影响而一直延续下去。
高锰钢在外载荷作用下产生的这种形变强化，通常称之为加工硬化。
该加工硬化最大的特点是在强冲击磨料磨损条件下，钢的表面通过形变强化具有很高的耐磨性。
实践中，越靠近表层，硬度分布急剧升高；越靠近基体内部，硬度分布趋于平缓。
硬化层下面仍是软韧的奥氏体组织。
这种硬度分布反映了钢表层的塑性变形程度，钢表层塑性变形量的分布与硬度分布有近似的规律，形变程度越高，硬度越高。
钢的表面这种塑性形变能够较好地吸收外部冲击载荷产生的冲击功。
从高锰钢加工硬化后的显微组织看，硬化层最外层的显微组织发生了很大变化，晶粒成为扁平状，滑移线数量很多，且不同的晶粒滑移线有不同的方向，从表层向内部发展，随变形程度的降低，晶粒变形程度减小，滑移线也减小。
高锰钢形变过程中加工硬化机理的研究
湖
南
大
学
学
报 （自 然 科 学 版 ）
Ｖｏ１ ．４ ３， Ｎｏ ．１ ２
Ｄｅ ｃ ．２ ０ １ ６
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ）
高锰钢属于fcc结构晶体中的滑移系较多在变形初期晶粒内部的滑移系大量启动位错则通过滑移累积重排湮灭等方式在基体中形成大量平直的位错墙和位错胞2随着变形的增大位错不断增殖位错单个或多个连续分布或塞积于晶界处大量塞积的位错群引起应力集中当局部的切应力达到孪晶生成的临界切应力时高锰钢开始以孪生的形式进行塑性变形
ｔ ｈｅ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ｅ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕｔ ｉ ｏｎ ａ ｎ ｄ ｗｏ ｒ ｋ ｈａ ｒ ｄ ｅ ｎ ｉ ｎｇ ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ＺＧＭ ｎｌ ３ Ｃｒ ２ Ｈａ ｄ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｗｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｂｙ ｏ ｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏｐ ｅ，ｖ ｉ ｃ ｋｅ ｒ ｓ ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｈａ ｒ ｄ ｎｅ ｓ ｓ ｍａ ｃ ｈｉ ｎ ｅ， ｔ ｒ ａ ｎｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐｙ ａ ｎｄ Ｘ－ ｒ ａ ｙ ｄ ｉ ｆ — ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ．Ｔｈｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｓ ｈｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｌ ａ ｒ ｇｅ ｎ ｕｍｂｅ ｒ ｏｆ ｄｅ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂａ ｎｄ ｓ ａ ｐ ｐｅ ａ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｇ ｒ ａ ｉ ｎ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍ— ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ｈｉ ｇ ｈ ｍａ ｎｇ ａ ｎｅ ｓ ｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｓ ．Ｔｈｅ ｄ ｅ ｆ ｏｒ ｍａ ｔ ｉ ｏｎ ｂａ ｎｄｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ，ｔ ａ ｎ ｇｌ ｅ ｄ ａ ｎｄ ｉ ｓ ｏｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｈ ｏ ｔ ｈｅ ｒ
高锰钢的切削加工性讲解
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刃倾角
• 为了保持刀尖部分的强度，切削高锰钢时 一般应选择负刃倾角。
• 选用硬质合金刀具时，λs =-5°～0°。
• 选用陶瓷刀具时，λs =-10°～-5°。
刀尖圆弧半径
• 切削高锰钢时,不论采用何种刀具材料,刀尖 部分都应修磨出较大的圆弧半径,以加强刀 尖强度,提高刀具耐用度.一般粗车时rε=1～ 2 mm;半精车时 rε=0.5～1 mm;精车时 rε=0.2～0.5mm。工艺系统刚性好时取大 值,反之取小值 。
前后角
主副偏角
刃倾角
前角与后角
1. 切削高锰钢时,为了减轻加工硬化,要求刀具保持 锋利.但一般不可以采用大前角,因为前角大不利 于保证刃口强度和改善散热条件.常采用较小前 角或负前角及较大后角,但后角太大也会削弱刃 口强度引起崩刃。 2. 采用硬质合金刀具时，γ0=-3°～3°， α0=8°～12°；采用陶瓷刀具时，γ0=-5°～10°,α0=5°～10°。粗车时取小值,精车时取 大值。
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铣削ZGMn13的刀具磨损曲线
结束
水韧处理：
所谓水韧处理,就是把钢加热到1000℃～ 1100℃,保温一段时间,使钢中的碳化物全部 溶入奥氏体中,然后迅速冷却,使碳化物来不 及从奥氏体中析出,从而保持了单一的均匀 的奥氏体组织.
铁碳合金相图
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高锰钢在切削过程中，由于塑性变形大， 奥氏体组织转变为细晶粒的马氏体组织， 从而产生严重的硬化现象。加工前硬度一 般为HBS200～220，加工后表面硬度可达 HBW450～550，硬化层深度0.1～0.3 mm， 其硬化程度和深度要比45号钢高几倍。严 重的加工硬化使切削力增大，加剧了刀具 磨损，也容易造成刀具崩刃而损坏。
4. 高锰钢在切削过程中,由于塑性变形和切 削力的影响,切削层及表层下一定深度范围 内会产生严重的加工硬化现象。为了使刀 尖避开毛坯表层和前一次走刀造成的硬化 层,应选择较大的切削深度和进给量。 5. 一般粗车时αp =3～6 mm，f=0.3～0.8 mm/r；大件粗车时可取αp =6～10 mm; 半精车时αp =1～3 mm；f=0.2～0.4 mm/r；精车时口αp ≤1 mm；f≤0.2mm/r。
关于高锰钢性能的研究
Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｎｙ １１１ｉｌｌ ｌｉｎｅｒ ｓｈｏｒｔ ｃｙｃｌｅ，ｏｆｔｅｎ ｂｒｏｋｅｎ， ｓｕｃｈ ａｓ ｐｉｐｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｉ ｕｓｅｄ ｔｏ Ｍｉｎｎｉｅ ｒｅ－ｈｉｇｈ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｓｔｅｅｌ
高锰钢适宜的工况是加工硬化值大于ＨＲＣ５４的高应力（或高冲击 功）下的磨料磨损。在加工硬化值小于ＨＲｃ４５、高锰钢没有其他优化措 施的情况下应选低合金钢作为易磨损件。
针对我公司磨机衬板使用周期短，经常出现断裂、缩孔等铸造问题， 用铌对高锰钢进行再合金化，可以提高其耐磨性，在熔炼后采用吹氮气 的办法，细化组织、改善铸造质量。
ｅ马氏体出现“…。冲击载荷作用小时。其加工硬化速度快，可迅速形 成高硬度的稳定的硬化层，抗冲击磨料磨损的能力大幅度提高。美国 Ｃｌｉｍａｘ公司研制的奥氏体中锰钢，开辟了一条发挥奥氏体锰钢潜力的 新途径。
２
（Ｃ）既提高Ｍｎ含量，又提高ｃ的含量 超高锰钢是在普通高锰钢成分的基础上通过提高碳锰含量发展而 来的。它既具有高的加工硬化速率，又保持了高韧性的奥氏体组织，在
ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｈａｓｅ，ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｂｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ．
Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｅ ａｎｄ ｉｔ ｄｉｆｆｕｓｅｓ ｔｈｅ ｇｌｏｂｕｌａｒ ｃａｒｂｉｄｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ， ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ，ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｈｏｅ ｏｆ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｎｄ
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年——月——日
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探讨改性高锰钢组织及性能研究
探讨改性高锰钢组织及性能研究1 前言高锰钢具有较高的耐磨性能和冲击韧性，因而被广泛应用于球磨机衬板等易损件。
高锰钢作为耐磨材料，在抵抗强冲击、大压力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面，其优异的耐磨性是其他材料所无法比拟的。
高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下，其表层迅速产生加工硬化，并有高密度位错和形变孪晶相继生成，从而产生高耐磨的表面层，而此时内层奥氏体仍保持着良好的韧性。
然而，随着现代工业的发展，普通高锰钢已经不能适应某些特殊工况条件的要求，需要进一步提高机械性能和耐磨性能，延长耐磨件的使用寿命。
试验表明，用合金化高锰钢制作的破碎机板锤、锤头、衬板和颚板等耐磨产品的使用寿命和抗磨损能力较普通高锰钢产品有很大的提高。
本文通过加入合金元素对奥氏体高锰钢进行合金化，研究了合金化高锰钢的显微组织、力学性能和耐磨性。
2 实验方法2.1 试样的制备熔炼采用500kg中频感应电炉，原料是废钢、生铁、高碳锰铁、铬铁、硅铁、钼铁、钛铁，用碳粉和硅钙粉作为还原剂，用铝终脱氧。
按照合金成分严格配料，以保证钢液质量，造型工艺为砂型铸造，浇注成标准铸钢楔形试块，高锰钢浇注温度不低于1500℃，改性高锰钢浇注温度1480-1500℃。
表1是传统高锰钢ZGMn13和改性高锰钢ZGMn13Cr2的化学成分。
采用线切割在试块下部截取金相试样、标准拉伸试样、冲击试样及耐磨损试样。
表1 试验材料化学成分/%2.2 热处理工艺及性能检测试样的热处理工艺参数为：采用80～100℃/h的速率将试样加热至600℃保温6h，再加热升温到1080～1100℃保温4h，水淬。
拉伸性能测试采用INSTRON 5587 300kN电子材料试验机，冲击韧度测试采用JB-300B型试验机，用电动洛氏HRD-150硬度计测试材料的硬度，硬度值取7点的平均值，用JSM-5610LV型扫描电子显微镜（SEM）观察试样的显微组织和冲击断口形貌。
静载磨损试验采用ML-100型销盘式磨料磨损试验机，试验磨程20.7 m、磨料180目砂纸、载荷6 N。
辙叉用高锰钢的循环变形与硬化-燕山大学学报
第 卷第 期 年月
关键词：辙叉；Hadfield 高锰钢；低周疲劳；应力应变曲线；循环硬化
中图分类号：TG333.17 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2012.06.007
引言
本文通过应变控制的低周疲劳试验，研究 高锰钢辙叉材料在循环加载条件下的应力响
自 多年前
发明高锰钢以来，由 应、循环变形行为及硬化特征。
于该钢具有优异的强度、塑性和韧性，因此至今仍 广泛应用于矿山、建材、铁路等机械设备中。在实
试验材料与方法
际服役过程中，这些高锰钢部件往往承受反复、变 动的载荷，这种反复、变动的载荷除了引起摩擦磨 损外，还常常引起构件的疲劳破坏，这种疲劳破坏 是构件过早失效的主要原因之一 。例如，高锰钢 辙叉在车轮载荷的反复滚压下，经常出现严重的循 环塑性变形及由此引起的滚动接触疲劳失效等 。 对服役高锰钢辙叉解剖、分析后发现，在辙叉下方 距表面不同深度处，辙叉材料呈现出不同程度的塑 性变形特征；其硬度值从表面到内部呈梯度分布， 表现为不同程度的加工硬化 。辙叉内部材料的 这种不同程度的变形与加工硬化，显然不是因为车 轮的单向、一次性加载所引起，而是由于车轮反复 滚压使辙叉材料产生循环变形所致。尽管人们对传 统高锰钢和新近研发的新型高锰钢材料在单向拉 伸或压缩载荷下的变形行为、加工硬化规律以及变
Key words: crossing; Hadfield high manganese steel; low cycle fatigue; stress strain curve; cyclic hardening
高锰钢加工硬化机理研究(1)
时效两种形式交替进行的，而应变时效是 碳原子在位错周围扩散的结果，因此保证
# 原子在位错应力场中的微扩散是必要。 +26
综合作用硬化假说 综合作用硬化假说认为是由于几种机 理综合作用引起形变高锰钢的加工硬化， 而 不 是 由 单 独 一 种 机 理 引 起 的 。 文 献 ’7, 研 究了高锰钢爆破处理后出现硬化现象， 是 由于冷作硬化、 晶粒细化、 位错、 堆垛层错 和孪晶的综合作用引起高锰钢加工硬化。 文 献 ’8, 通 过 9$ 射 线 衍 射 、 透射电镜等多种 方法研究后认为高锰钢加工硬化机理包 含： （ 高位错密度区强化； （ 动态应变时 )） +） 效强化； （ 形变孪晶界强化。认为这几种 4） 机制都起作用，但是不同条件下有一种或 几 种 起 主 要 作 用 。 文 献 ’)3, 研 究 了 不 同 锰 、 碳含量的高锰钢加工硬化机理后，提出高 锰钢加工硬化是由于高锰钢形变时有大量 形变孪晶的出现， 孪晶间距减小， 孪晶带变 薄，并有一定数量的交叉孪晶综合作用的 结果。 还有很多根据不同的实验提出别的几 种不同的机理同时对高锰钢加工硬化起作 用的观点，这些观点有一个共同点那就是 认为是几种机制同时起作用引起了高锰钢 的加工硬化现象。
段， 即： （ 易滑移阶段， 滑移只在一个滑移系 $） 内发生，在平行的滑移系面上移动的位错 很少受到其他的位错干扰，故可移动相当 长的距离并可能到达晶体表面，这样位错 源就能增殖出新位错。 （ 第二阶段随着变形量加大， 滑移在 !） 多个晶面族和滑移系内发生，此时硬化机 制有三种： （ 位错交割产生割阶>固定位 0） 错使位错运动困难； （ 位错交割和再交割 -） 成位错缠结或三维网络，位错在某一滑移 面运动时会以不同的角度穿过此滑移面并 与其他的位错形成林位错，此时由于位错 间的弹性相互作用使位错运动受阻； （ 位 ?） 错相互作用形成胞状结构或亚晶粒互相锁 住， 同时胞壁成为位错运动的障碍。 继续变 形所需增加的应力与位错的平均自由程 # 有关， 即与 # 呈反比关系：
高锰钢的研究与应用进展
·８６·
材料开发与应用
２００８年８月
（Ｃ）＝１．Ｏ％一１．２０％，ｔ￡，（Ｃｒ）＝２．Ｏ％一２．５％， ２
高锰钢成分设计新进展
近年来，有许多学者在高锰钢化学成分设计
训（Ｓｉ）＝Ｏ．８％。Ｃｒ的加入不仅可以形成碳化
物，还降低了奥氏体的稳定性。钢形变时有马氏 体出现，加工硬化速度快。可迅速形成高硬度的
稳定的硬化层。 第三，加入Ｍｏ、Ｎｉ等元素‘３Ｊ６．１７】，提高奥氏 方面做了大量工作，以寻求进一步提高高锰钢加 工硬化能力，扩大高锰钢的应用范围。对于耐磨
高锰钢这些改进主要包括以下几个方面。 第一，降低Ｃ、Ｍｎ含量并合金化，如奥氏体
中锰钢¨ＪＪｌ。美国Ｃｌｉｍａ）【公司研制的奥氏体中 锰钢，其化学成分为：埘（Ｃ）＝１．００％一１．８０％，ｔｃ， （Ｍｎ）＝６．Ｏ％～８．０％，ｔ‘『（Ｓｉ）＝Ｏ．３０％一 １．００％，似（Ｓ）＜０．０５％，埘（Ｐ）Ｓ＜Ｏ．０５％。该钢 经水韧处理后得到不稳定的奥氏体组织，在压缩 或冲击磨损条件下塑性变形诱发产生大量形变 诱发马氏体，从而迅速硬化。由于形变诱发马氏
的研制。例如，汽车用钢的主要欧洲供应商Ａｒ－
ｃｅｌｏｒ公司和ｎｙｓｓｅｎ
Ｋ１１ｌｐｐ
Ｓｔａｈｌ（Ｔｌ（ｓ）公司的研
发部门从２００５年开始共同研制了一系列的高锰
名为孪生诱发塑性（州ｎＩｌｉｎｇ
ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｌ晒ｔｉｃｉｔｙ，
’阿ＩＰ钢哺Ｊ，其典型成分为：Ｆｅ一２３Ｍｎ—Ｏ．６Ｃ．抗
第２３卷第４期
体的强化效果远高于高锰钢的层错孪晶强化，故 而中锰钢的耐磨性远高于高锰钢的。
第二，加入一种或几种碳化物形成元 素［１·１６’１ ８１，如Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｔｉ等，以提高钢的屈服 强度。一种亚稳奥氏体锰钢的开发就是在Ｍｎｌ３ 的基础上，适当降低碳锰含量，并加入一定含量
高锰钢强化研究综述
高锰钢强化研究综述高锰钢作为一种抗冲击耐磨材料广泛应用于冶金矿山、煤炭、电力等行业。
高锰钢是一种延性耐磨材料，冲击韧性很高，室温下高达a ku276.6。
“屈强比”较低，R el334～409MPa，Rm607～980MPa,有很强的应变硬化能力。
但在未充分硬化前，其耐磨性能并不高。
影响其磨损能力的因素主要是应变硬化能力和机械强度。
简单的说硬化性能好和机械强度两个因素保证表层硬度高而内层金属韧性，塑形好，类似调质钢，具有良好的综合力学性能。
应变硬化又叫加工硬化或形变强化，是材料重要的力学行为之一。
金属对塑形变形的抗力是随变形量的增加而增加的。
流变应力随应变的增加而增加的现象就是应变硬化。
塑形变形会使金属的强度性能（屈服极限、硬度、强度极限、弹性模量）等提高，而塑形性能降低。
加工硬化性能好有利于耐磨性的提高，体现在如下三个方面：硬化层表面硬度高，硬度提高快；有利于提高硬化层厚度；有利于提高屈服强度（Rel）和抗拉强度(Rm)。
硬化层表面的硬度提高和Rm、Rel 等力学性能的提高将直接促进耐磨性的提高。
应变硬化指数n是指因塑性变形引起的硬度和强度增加的度量。
n值的物理含义是材料均匀变形的能力。
n值大材料不易进入分散失稳，材料应变强化的能力强（即把变形从大应力处向小应力处转移的能力），n值隐含的物理意义是整个变形区域上应变分布的均匀性。
高锰钢加工硬化理论有孪晶硬化，位错硬化，Fe-Mn-C原子团硬化，马氏体硬化等。
将在后文结合强化理论阐述。
提高机械强度冲击韧性提高，抗冲击性能提高，在强烈冲击载荷下不会断裂。
另外疲劳强度（σ-1）提高，抗疲劳剥落能力提高，这促进高锰钢产品的寿命。
各种提高锰钢耐磨性研究工作开展的基础就是在提高某一性能的同时，最好亦能提高另一性能，但至少不损害或降低另一性能。
但是有学者根据使用工况不同，做了不同方向的研究。
如非强烈冲击载荷工况下的中锰钢，降低锰、碳含量，使奥氏体稳定性降低，而使加工硬化性能提高，但机械强度的不可避免降低。
高锰钢辙叉机械冲击预硬化工艺研究
ｍｉｌｌ和
钢试样硬化程度不断增加．冲击１０ Ｓ以后．高锰钢
万方数据
机械工程学报
第４７卷第１６期
硬化程度达到饱和。因此，高锰钢每个点的最佳冲
试验温度为３００℃时，硬化点边缘距离为
击硬化时间为１０
ｓ。
－１∞、０∞、ｌｍｍ、３ｍｉｌｌ和５ｍ的高锰钢表
面硬度分布情况，如图５所示。可以看出，冲击硬 化点之间硬度随其间距离增大而降低。当硬化点相 互重叠时，中间位置的硬度叠加比较显著，使得中
道岔的关键部件——辙叉【１１。高锰钢辙叉经过水韧
’同家重Ｊ占基础研究发喂计划（９７３计划．２０１０ＣＢ７３１６０６）、国家杰出青
年科学摹金（５０９２５５２２）和＿｝ⅡＩ北省杰：ｌ｛青年科学摹舍（Ｅ２００９００１６３２）资 助项目。２０１０１２０８收到切稿。２０ｌ １０５２４收到修政稿
万方数据
２０１
ｐｒｅ—ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆ．ｏｆ ｌｌｉｇｈ
ｏｕｔ
ｏｎ
ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ
ａｓ
ｍａｎｇａｎｅｓｅ
ｓｔｅｅｌ ｃｒｏｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｍｐａｃｔ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
ｍａｎｇａｎｅｓｅ
ｓｔｅｅｌ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｓ
口口［口 口口口
３ｍｍ
５ｍｍ
图２冲击点边缘距离示意图
用ＴＨ３２０洛氏硬度仪测量不同工艺条件下高 锰钢的加工硬化情况，金相试样利用４％硝酸酒精 腐蚀，用Ａｘｉｏｖｅｒｔ２００Ｍａｔ观察硬化处理前后高锰钢 亚表层的金相组织，采用ＪＥＭ．２０１０型ＴＥＭ观察分 析硬化处理前后试样的微观组织结构。
１试验材料和方法
高锰钢爆炸硬化技术在工程中的应用
几十年来 ， 国内外 的学者对高锰 钢爆炸 硬化机理
的研究做了大量的工作 。 目前 ， 对 于高锰钢爆炸硬化
的宏 观机理 已达成 一致 共识 。 即： 当炸药在 高锰 钢表
面爆炸后 ， 爆炸形成的冲击波向工件内传播 ， 从而在 工件内部形成激波， 在此激波作用下 ， 工件表面下一 定 范围 内发生 塑形变形 或结 构变 化 ， 因此 ， 在宏 观上
作者简 介 ： 葛贵伟 （ １ ９ ８ ３ 一 ） ， 男， 工程 师 ， 学士 ， ２ ０ ０ ５年
毕业 于安 徽理 工大 学弹药工程 与爆 炸技 术专 业 ，现在 中煤
国际工程 集 团沈 阳设计 研究 院民爆工程设计 所工作 。
Ｅ蟊瑟 墓誊
露天采矿 投木 ２ ０ １ ３ 年 第８ 期
市场潜 力 ， 在 当前 建设 节约 型、 环保 型社 会 中意 义十 分重要 。
２ 高锰钢 爆炸 硬化 机理
爆 炸硬化 是在爆 炸加 工领 域 中应用 而 产生 的新
型加工工艺 ，是利用炸药爆炸瞬间产生的高能量 冲 击波作用于待爆工件 ，使高锰钢工件的表面和一定 深度范围内产生硬化效果 ， 进而改善和提高工件 的 机械性能和耐磨性 ， 延长工件的使用寿命 。目前 ， 该 工艺 已广泛应 用 于高锰 钢矿 山耐 磨件 、 铁路 辙叉 、 采
金船 挖斗斗唇 等 易磨损 工件 的硬 化处理 上 。 自１ ９ ５ ５年 ， 美 国人 Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ Ａ ｌ ｅ ｘ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｍｅ ｌ ｅ ｏ ｄ提 出采 用爆炸 预硬 化法 以来 ，经过半 个多世纪 的发 展 ， 高锰钢爆炸硬化理 论和硬化 技术逐 渐趋于成熟 ， 应用 越来 越广泛 。我 国对爆炸 硬化技术 的研究始 于 ２ ０ 世 纪６ ０ 年代初期 ， 铁道部门对铁路辙叉进行 了爆炸硬化 试验 研究 ； ８ ０年代 ， 在 中科 院力 学 所 、 铁 道科 学研 究
高锰钢现状研究
建立国际合作与交流平台
与国际知名学者和团队建立合 作关系，共同培养高锰钢领域 的国际化人才。
完善人才激励机制
设立奖励制度，对在高锰钢领 域取得突出成果的学者和团队 进行表彰和激励，激发研究人 才的创新热情和积极性。
THANKS
感谢观看
工艺，提高材料的屈服强度和冲击韧性是当前的研究热点之一。
02 03
耐腐蚀性能
高锰钢的耐腐蚀性能仍有待提高。研究表面处理技术、开发新型涂层材 料以及优化热处理工艺，以增强高锰钢的耐腐蚀性能是当前的研究趋势 之一。
轻量化
随着汽车和其他工业领域对节能和环保需求的提高，高锰钢在轻量化方 面的应用越来越受到关注。研究高强度高锰钢的加工工艺和优化设计方 案，以实现部件的轻量化是当前的研究热点之一。
高锰钢应用领域
高锰钢广泛应用于矿山机械领域，如 挖掘机、装载机和运输机的耐磨衬板 、输送带和筛网等。
铁路运输领域也大量使用高锰钢，如 铁轨、道岔和车辆耐磨板等。
在建筑机械领域，高锰钢用于制造冲 击载荷较大的建筑工具和结构件，如 打桩机、破碎机和挖掘机等。
汽车制造领域中，高锰钢用于制造汽 车底盘、发动机零件和工具等。
汽车、能源、建筑等 行业的快速发展也将 推动高锰钢市场的扩 大。
高锰钢技术挑战与对策
挑战一
高锰钢在加工过程中存在开裂、变形等问题 ，需要加强生产工艺控制和技术研发。
挑战二
高锰钢在热处理过程中温度控制要求严格，需 要采用先进的加热和冷却技术。
挑战三
高锰钢在应用过程中存在耐磨性不足的问题，需 要加强表面处理和涂层技术的研究与应用。
03
高锰钢制备工艺
熔炼与铸造
熔炼
高锰钢的熔炼通常使用电炉或感应炉 ，熔点较高，需要使用高温炉进行熔 炼。同时，为了获得良好的机械性能 ，需要控制好合金元素的含量。
高锰钢的性能特点及强化原理
《材料冶金学》专题之一高锰钢的性能特点及强化原理1概述自Hadfield 1882年发明高锰钢以来，至今已有100多年的历史。
高锰钢一般是指含碳量为0 9%～1 3%,含锰量为11 0%～14 0%的铸钢,即ＺＧＭｎ13。
此材料在1000～1100℃之间为单一奥氏体组织,为保持此组织,需高温淬火,即在1100～1050℃间的温度内立即水淬至常温。
经过处理后的材料具备很好的韧性,受冲击载荷时发生表面硬化,其具有很高的耐磨性,故称之为耐磨钢。
因此高锰钢被广泛应用于机械制造、冶金、矿山、建材、电力和铁路等部门所使用的金属耐磨体，如挖掘机斗齿、球磨机衬板、破碎壁、轧臼壁、拖拉机履带板、风扇磨冲击板、破碎机颚板、铁道路岔等。
但由于此材料加工硬化快,不易切削加工,一般只限于铸造。
2高锰钢的性能特点2.1高锰钢的机械性能高锰钢的铸态组织是由奥氏体、碳化物、珠光体和通常存在的少量磷共晶等所组成。
碳化物数量多时会在晶界上以网状出现，钢的性能很脆。
这种低塑性、低韧性的钢在铸态下是无法使用的。
但通过固溶处理（即水韧处理）后，在强冲击工况下它变成一种高强度、高塑性、韧性好、特别耐磨的材料。
其性能对比如表1：σb (Mpa)σ0.2(Mpa)δ(%)αKJ/cm2HB铸态性能343.23―392.27 294.20―490.330.5―59.80―29.42200―300水韧处理性能617.82―1274.86343.23―470.7215―85196.13―294.20180―225表1：高锰钢在铸态下和水韧处理后性能对比以上是高锰钢在常温下的各种机械性能，但具有奥氏体组织的高锰钢在加热时会发生组织转变，性能会发生很大的变化。
当温度超过125℃时，在奥氏体中开始有碳化物析出。
随着温度的提高析出量增加，钢的性能变脆，塑、韧性下降。
图1是高锰钢经1050℃水韧处理后加热温度和延伸率的关系；图2是化学成分为 C1.12%, Mn13.56%, Si0.63%, S0.012%,P0.092%, Ti0.06%的高锰钢，经水韧处理后加热到不同温度，保温5小时水冷后测得的冲击韧性。
高锰钢现状发展
高锰钢现状发展[论文关键词]加工硬化机理常见问题现状发展应用[论文摘要]本文通过分析加工硬化机理、高锰钢生产中的常见问题等方面系统论述了高锰钢的现状，从生产工艺方面论述了高锰钢今后发展的情况，并进一步对高锰钢的应用进行了阐述。
高锰钢俗称“耐磨钢”，被广泛的应用于各个行业的许多耐磨件上。
随着对磨损机理研究的深入发展，人们对高锰钢的特性也了解的更透彻。
一、高锰钢加工硬化机理高锰钢原始硬度很低，而加工硬化能力很强，在使用中硬度提高，形变速度越快，硬化效果显著，硬度也越高，目前强化机理有以下几种：1、位错强化机制：高锰钢是大量Mn原子置换铁原子，显著降低层错能，因而易于形变，使位错密度增高，形成堆垛层错和形变亚结构，呈现加工硬化现象。
2、形变孪晶机制：高锰钢拉伸后，硬化区出现层状孪晶，硬度达HV460。
经重锤锤击后出现层状孪晶及位错缠结达HV500。
爆炸硬化时出现复合孪晶，硬度提高，硬化层加厚。
3、形变马氏体机制：从热力学角度讲，合金快速冷至M点以下可获得马氏体，而在M点以下存在Md点，在M，Md之间因应力作用可产生形变马氏体。
一般M点低于200℃。
Mn量为12％时，M点为-230℃以下，因此室温下一般变形的高锰钢不会产生形变诱发马氏体。
如果钢中碳量降至0。
8%时，在室温下也没能发现形变马氏体，而在-196℃低温下可出现δ。
θ马氏体，改变高锰钢中的含锰量，将锰量降至4％，室温形变后有ε。
δ马氏体产生，常规成分高锰钢固溶后经50％的变形量形变，硬度已达到较高数值，变值量增至35％时，发现有少量(约1、4％)δ马氏体，其间硬度变化与δ马氏体量的增加速度不一致，这样较大变形量的试验，也间接证明硬化主要原因不是由于产生了δ马氏体。
以前关于发现马氏体的报导，可能是高锰钢在空气炉中高温加热，造成表面碳、锰降低，或是加热不足，局部贫碳，促使形变马氏体出现。
根据这个机理，现在已有将高锰钢进行表面控制脱碳，使得在水韧处理后产生马氏体，用以强化高锰钢，提高耐磨性的报导。
文献综述参考样例
（一）立项依据与研究内容1、项目的立项依据在机械制造和生产中常常会遇到一些新、难加工材料的工件需要切削加工，如果不了解、熟悉其可加工性，就无法选择合适的加工刀具材料，也就无法保证其生产效率和加工质量，甚至无法加工，这是机械加工中的难题。
其中，高锰钢就属于典型代表之一。
由于高锰钢材料具有的特殊性能，如强度、硬度高，耐磨损等，得到了越来越广泛的应用，如应用于国防、军工、航空、铁路等。
以铁路为例，高速铁路上使用的道岔就是高锰钢材料，其具有代表性的钢种为含碳量1.0-1.4%、含锰量11-14%的哈德菲尔德(Hadfield)高锰钢，经水韧处理后的高锰钢在常温下的组织为单一的奥氏体固溶体，在加工中当其受到冲击力和压力时，材料组织剧烈强化而使奥氏体转变为马氏体,表层硬度显著提高,从而使材料具有极高的耐磨性,导致用常规切削方法加工极为困难,刀具寿命、加工精度和加工效率均很低。
如沈阳铁路局某配件厂，在高锰钢道岔上钻孔时，使用的硬质合金钻头破损情况非常严重，经常是钻一个孔，需要几把钻头“前赴后继”才能完成，铣削时，刀具的破损及磨损现象也非常普遍。
企业不仅加工效率极低，而且资源浪费严重，仅刀具一项，每年就达数百万元。
因此，高锰钢的加工问题是一个迫切需要解决的问题，解决好该问题，可以有效提高劳动生产率，降低加工成本，保证切削加工质量，对生产十分有利。
仅对铁路行业而言，揭示高锰钢切削加工的机理，研究和开发高效切削加工高锰钢的新技术，可以有效地优化切削参数和切削过程，提高高锰钢道岔加工效率，降低刀具磨损，从而可以进一步制定以及完善高速铁路高锰钢道岔的生产工艺标准，为我国新建高速客、货运专线铁路序幕的拉开，提供一定的原动力。
同时，对于其它行业和领域内高锰钢的应用加工，也可以提供理论与技术上的支撑。
美、日、德、前苏联等工业发达国家从60年代起开始研究难切削材料包括高锰钢的加工技术。
我国从70年代后期开始进行高锰钢切削加工的研究，重点研究用于铁路的ZGMn13 高锰钢辙叉的钻削、刨削和铣削加工。
高锰钢爆炸硬化技术研究的开题报告
高锰钢爆炸硬化技术研究的开题报告标题：高锰钢爆炸硬化技术研究一、研究背景高锰钢是一种具有高硬度、高韧性和良好的耐磨性能的钢种，广泛应用于矿山、铁路、建筑等领域。
然而，目前在高强度条件下，高锰钢的加工难度较大，加工后会发生一定程度的软化现象，降低了其使用寿命和耐磨性能。
因此，如何提高高锰钢的硬度和韧性，以及降低其软化现象，成为了当前研究的热点问题。
爆炸硬化技术是一种通过爆炸冲击波作用于材料表面，使其表面形成高压、高温的瞬态状态，从而使表面组织发生相变或变形，从而到达提高材料硬度、韧性的目的。
由于爆炸硬化技术具有成本低、工艺简单、易操作等优势，因此逐渐应用于各种金属材料的表面加工领域。
二、研究目的和意义本研究的目的是探究高锰钢在爆炸硬化技术作用下的表面硬化、耐磨性能及其相应机理，为高锰钢的加工提供新的方法和途径，进一步提高高锰钢的使用寿命和耐磨性能。
三、研究方法和内容（一）研究方法通过文献资料查阅、实验测试和数据分析等方式，研究高锰钢在不同爆炸作用条件下的表面硬化、耐磨性能变化规律；分析爆炸硬化过程中的物理、化学、力学参数的影响因素和作用机理；采用扫描电镜等分析技术对样品的表面微观形貌进行观察和表征，探究表面组织结构和晶粒的变化情况。
（二）研究内容1. 先对高锰钢的组成、特性和加工技术进行综述和分析。
2. 制备高锰钢样品，分别采用激光爆炸和电火花爆炸硬化技术进行处理，分析表面硬度的变化以及耐磨性能的改善情况。
3. 利用扫描电镜等分析技术，观察高锰钢表面微观形貌的变化，研究其表面组织结构和晶粒的变化情况。
4. 对测试结果进行数据分析和统计，总结高锰钢爆炸硬化技术的适用条件、加工结果，提出相应的优化措施和发展方向。
四、研究预期结果通过本研究，预计可以得出以下结果：1. 爆炸硬化技术对高锰钢的表面硬度和耐磨性能具有显著改善效果。
2. 通过对高锰钢表面微观形貌的观察和表征，可以探究表面晶粒的变化情况，以及相应的加工机理。
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高锰钢加工硬化机理研究
王建华，任立军 （中南大学 机电学院，湖南 长沙 ’!"")#）
摘 要：介绍了关于高锰钢加工硬化机理的几个假说： 形变马氏体硬化假说、 孪晶硬化假说、 高位错密度硬化假说、 动态应变时效硬化假说、 综合作用硬化假说、 *+ , -. , / 原子团硬化假说。 穆斯堡尔谱实验、 电子探针等方法进行研究分析后认为， 上述 通过对高锰钢进行 01-、 21-、 1345、 几种机理在不同的条件下都对高锰钢加工硬化起不同程度的作用， 同时也发现， 随高锰钢中的 -.、 高锰钢表现出更好的加工硬化能力， 我们同意是由于对高锰钢加工硬化起主要作用是 / 含量增加， 原子团而引起的。 *+ , -. , / 关键词：高锰钢；加工硬化；机制 中图号： 267 文献标识码：4 ! 引言 高锰钢是在强冲击工况下具有高强度、 高塑性、 韧性好、 特别耐磨的一种材料。从理论上解释高锰 钢加工硬化现象还存在不少的疑点， 至今还没有一 种很完美、 能得到各方面接受的理论来很好地解释 高锰钢的加工硬化现象。下面将就这个问题做一些 简单的研究和探讨。 " 形变诱发马氏体相变硬化假说 形变诱发马氏体相变硬化假说认为奥氏体高锰 钢加工硬化的原因是由于高锰钢形变诱发高锰钢中 的奥氏体转变成马氏体
［&， !"］ 点 。文献 ［#］ 在研究高锰钢中奥氏体的稳定性
与形变能力时提出奥氏体高锰钢由于层错能低， 在 形变过程中容易形成层错， 在层错处会出现! 马氏 体或形成形变孪晶，但是并不容易出现" 马氏体，
!CCC V ［!" ］ XMNJRJ -<X4:1， 2JR+YGRH <@4?4， XHUYGRGFH @<08<:4\4， <RMNJKH @>B<， 2+NUMJRG :42> 4 0NMLF H. *DHI IGNYG. NY+ *DHI ]JUUJS+ HW J. ［ B］ 4[GJD *DHI *J. 1^MGOO+L IGNY 4GK$U+OJKJNHK V ?MDD+NG. HW B0-1， =HD V (&， @HV (7C， >QNHE+K !&)C， OO##&’ , #’"! V ［!!］ X -GFJR+， 2V <.JEJ， 2V :JNH <TOKHP+T+.N HW Z.UNJED+ /YJKJQN+KGUNGQU HW ［ B］ J. 4[GJD *DHI *J. EF 4GK$U+OJKJNHK 1^MGOT+.N A 2KJ.U HW 40-1， BHMK$ .JD HW *DMGLU 1.SG.++KG.S， =HD V !"&， -JK， !&)%， OO#% , ’"A 作者简介：王晓东 （!&%’ , ） ， 江苏徐州人， 在读硕士研究生， 主 要从事流体机械理论及应用方面研究 A 2+D： "7!C , #))77!!， 1$TJGD： [$ L$IQMTN_ UG.JV QHTV
错缠结或三维网络， 位错在某一滑移面运动时会以 不同的角度穿过此滑移面并与其他的位错形成林位 错。此时由于位错间的弹性相互作用使位错运动受 阻； $位错相互作用形成胞状结构或亚晶粒互相锁 住， 同时胞壁成为位错运动的障碍。 （<） 第 < 阶段开 始后， 足够高的应力使被阻挡的位错借助于交滑移 而运动。 当高锰钢受到外加载荷作用时由于 ’( 的原子 在正刃位错的上半边 （受 半径大于 ./ 的原子半径， 压缩边） 交互作用能是正值， 溶质原子受到排斥； 而 在下半边 （受压缩边） 交互作用是负值。在发生形变 时溶质原子 ’( 会被吸到位错附近。 * 原子处于 " ［#， ［" @ !， 间隙位置上。对点阵 - ./ 的 #， " @ !］ " @ !， #］ 造成不对称的畸变， 与螺位错发生交互作用。 ’(、 * 原子与位错的交互作用它们将聚集在位错附近以降 低体系的畸变能， 形成所谓溶质原子气团 （柯垂尔气 团） 。当发生塑性变形时气团会阻止位错的运动， 引 起加工硬化现象。’(、 * 这两种溶质原子还会与位 错发生电交互作用， 自由电子会从点阵受压地区移 至受张地区， 形成了局部电偶极。 ’( 原子与 ./ 原 子的价电子不同， 自由的电子会离开而形成正离子， 与位错之间会产生短程的静电相互作用。 ’(、 *原 子与位错之间还有 ABCB6D 交互作用使扩展位错形成 层错区局部的偏聚， 也会阻碍位错的移动， 同时随层 错能的下降， 扩展位错会加宽， 也产生强化作用。要 使高锰钢发生塑性形变必须克服上述所有阻碍位错 运动的力， 就必须消耗一定的能量才能实现， 而这在 宏观上就表现为加工硬化现象。 # 动态应变时效硬化假说 晶体之所以能发生塑性变形是由于位错运动引 起的， 据此动态应变时效硬化假说认为， 晶体发生塑 性变形时溶质原子受到与位错周围扭曲的原子结构 所伴生的高能应变能的影响， 将被吸引到位错中心 处形成 “柯氏气团” ， 使系统的应变能降低并对位错 的运动起钉扎作用， 即产生了动态应变时效强化效 应， 从而导致了加工硬化现象的出现。奥氏体锰钢 的穆斯堡尔谱试验显示出其冷加工时碳原子的群
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［’］ 蔡娜， 钟芳源 A 轴流式弯掠动叶变工况气动— — —声学性能的实验 研究 ［ B］ （#） ： A 工程热物理学报， !&&C， () , #"A ［7］ 蔡娜， 李地， 钟芳源 A 新型弯掠动叶风机性能实验 ［ B］ A 流体机械， （!!） ： !&&C， % , !"A ［C］ 刘富武， 杜朝辉， 钟芳源 A 轴流通风机动叶前弯对扩大稳定工况 的试验研究 ［ B］ （C） ： A 风机技术， !&&&， 7 , )A 土 ［%］ 郭绪 土 ， 愈茂铮 采用端壁边界层抽吸方法抑制叶栅二次流的 A 土 效果分析 ［ B］ （C） ： A 工程热物理学报， !&&&， (#! , (#’A ［)］ 6 = 0+DEF， B / 9G.， * 6 8HIJKL 2MKEMD+.N *DHI 0+OJKJNGH. /H.NKHD HP+K J ［ B］ ?JQRIJKL$*JQG.S ;JTO =GJ 2KJ.UP+KU+ J.L 0I+ON 6KHHP+U V 2KJ.U HW 40-1， BHMK.JD HW *DMGLU 1.SG.++KG.S， =HD V !!(， BM.+， !&&"， OO(#) , (’" V ［&］ XMNJRJ -<@X4:1， <RMNJKHY @>B<， XHUYGRGFH @<08<:4@4， 0MUMTM -Z$ ;424 2Y+ O+KWHKTJ.Q+ /YJKJQN+KGUNGQ HW J. 4GK$U+OJKJNHK HW 4[GJD *DHI ［ B］ *J. V ?MDD+NG. HW B0-1， =HD V ()， @HV (’(， 4MSMUN !&)7， OO!C7& ,