影响高锰钢力学性能的几个因素
简述碳、硅、锰、磷、硫五元素对钢材的性能的影响
简述碳、硅、锰、磷、硫五元素对钢材的性能的影响摘要：钢材在现代生产建设中应用较为广泛，是建筑业、制造业和人们日常生活中不可或缺的成分，而化学元素对钢材的组织和性能有重要的影响，下面以碳、硅、锰、磷、硫这五大元素为例简述化学元素对钢材的性能的影响，进而改善钢材的性能使之适用于更广泛的场所。
关键词：韧性；强度；塑性；焊接性能1.定义1.1碳（C）：是一种主要呈四价的非金属元素，无臭无味的固体。
化学符号为C，在常温下具有稳定性，不易反应、极低的对人体的毒性，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地摄取，化学符号为C，位于元素周期表的第二周期IVA族。
1.2硅（Si）：是一种四价的非金属元素，硅也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。
主要以合金的形式使用，也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中，或用作半导体材料和光生电池的元件。
化学符号是Si，旧称矽。
原子序数14，相对原子质量28.0855，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。
1.3锰（Mn）：是一种多价金属元素，质硬而脆，单质是一种灰白色、硬脆、有光泽的过渡金属。
纯净的金属锰是比铁稍软的金属，含少量杂质的锰坚而脆，潮湿处会氧化。
元素符号Mn，原子序数25。
1.4磷（P）：是一种氮族多价非金属元素，广泛存在于它的各种化合物中，元素符号P，是第15号化学元素，处于元素周期表的第三周期、第ⅤA族。
1.5硫（S）：是一种多价的非金属元素，无味无嗅不溶于水，通常单质硫是黄色的晶体，又称作硫磺。
硫元素在自然界中通常以硫化物、硫酸盐或单质的形式存在。
对人体而言，单质硫通常是无毒无害的，而其他含硫化合物可能有一定毒性，如硫化物毒性一般比较大。
化学符号S，原子序数16，硫是氧族元素（ⅥA族）之一，在元素周期表中位于第三周期。
2.对钢材的性能的影响2.1碳（C）：碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等存在不⼩的影响。
关于高锰钢的若干问题
关于高锰钢的若干问题通常高锰钢含13%Mn，已有百余年历史，至今尚有一些问题在这里讨论一下，可能对读者有所裨益。
1 常用高锰钢1.1 国内近20年来，由于过去滥用高锰钢，在一些原不该用高锰钢的场合也用了。
后来人们用其它材料代替了高锰钢，取得了很大成绩。
但这并不是说高锰钢的用途越来越小，不值得重视了。
其实不然，高锰钢仍拥有巨大市场，其中绝大多数是Mn13，其次则是含铬的Mn13Cr2。
此外，还有加入其它合金元素的高锰钢(见表1)［1］。
表1 高锰钢的典型成分Tab.1 Typical composition of high manganese steel %1.2 加入各种合金元素后的力学性能，如图1至图4［1］所示，从中可以看到几个问题：(1) 薄断面(25 mm)的性能均优于厚断面(150 mm)，这是由于厚断面中碳的偏析比较严重所致［2］，这也是在对待厚断面高锰钢件时应该十分注意的一个问题。
(2) 通常高锰钢的σs只有350 MPa左右，使高锰钢件在服役中易于产生流变，流变使生产操作十分不便，而且甚至会产生严重的后果。
加入Cr、Mo、Ni等元素可以提高σb ，但主要的着眼点却在于提高σs(图1、2)，其中含Cr或Mo的高锰钢可达σs 410 MPa，那种高屈服点的高锰钢σs可达660 MPa。
有人以为加Cr可以提高耐磨寿命，但实践并未观察到这一现象。
(3) 加Mo可以提高σs，而不牺牲韧性，这点优于加铬。
加Mo可提高铸态高锰钢的力学性能(δ＞20%，αK(夏氏)＞53 J/cm2），因此有些铸件若不适宜进行热处理，可以采用这种措施。
由于Mo与C易于结合，使C在钢中的溶解减慢，推迟碳化物的析出［3］，并指出加入1.0%Mo可基本上消除铸态碳化物，韧性得以提高。
Mo的这一特点就赋予高锰钢一些方便之处，也就是在铸造、切割、焊补时不易产生裂纹(指碳低时)。
Mo既然能抑制淬火时碳化物的析出，因此适用于厚壁铸件及高碳铸件。
影响钢材性能的主要因素
硅也是有益元素，有更强的脱氧作用，是强 氧化剂，常与锰共同除氧。适量的硅可以细 化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、 冷弯性能和焊接性能却没有显著的不良影响。 硅在镇静钢中的含量一般为0.12%～0.30%， 在低合金钢中的含量一般为0.2%～0.55%。 但过量的硅也会对焊接性能和抗锈蚀性能不 利。
影响钢材性能的主要因素
• 4. 热处理 • 一般钢材以热轧状态交货，某些高强度钢材
则在轧制后经热处理才出厂。热处理的目的 在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性 和韧性。
影响钢材性能的主要因素
• 三、应力集中的影响
• 钢构件当中不可避免地 存在着孔洞、刻槽、凹 角、裂纹以及厚度或宽 度的突然改变，此时构 件中的应力不再保持均 匀分布，而是在某些区 域产生高峰应力，另外 一些区域则应力降低， 即所谓应力集中的现象。
• 8. 氧(O)、氮(N)
氧和氮也是有害元素，在金属熔化状态下可 以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比 硫剧烈，一般要求其含量小于0.05%。氮能使 钢冷脆，与磷相似，一般要求其含量小于 0.008%。
影响钢材性能 二、成材过程中的影响
• 1. 冶炼
我国目前结构用钢主要是用平炉和氧化转炉 冶炼而成，侧吹转炉钢质量较差，不宜作为 承重结构用钢。在建筑钢结构中，主要使用 氧气顶吹转炉生产的钢材。冶炼过程控制钢 的化学成分与含量，并不可避免地产生冶金 缺陷，从而影响不同钢种、钢号的力学性能。
影响钢材性能的主要因素
• 7. 铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)
铝是强氧化剂，用铝进行补充脱氧，不仅能 进一步减少钢中的有害氧化物而且能细化晶 粒，提高钢的强度和低温韧性。铬和镍是提 高钢材强度的合金元素，用于Q390 及以上牌 号的钢材中，但其含量也应受到限制，以免 影响钢材的其他性能。
高锰钢的化学成分对组织和性能的影响研究
高锰钢的化学成分对组织和性能的影响研究本文作者：刘华多刘喆对高锰钢的性能产生了一定的影响。
若经水韧处理，高锰钢奥氏体中的残存碳化物将较多，这些碳化物可能会沿晶界分布而使高锰钢的韧性大为下降。
1.2锰锰是高锰钢的主要成份，它对合金γ目区的扩大、奥氏体组织的稳定及Ms点的降低都有很大的影响，锰可使高锰钢的奥氏体组织保持到室温。
在钢中锰除了固溶在奥氏体外。
还有一部分会存在于（Mn、Fe）C型的碳化物中。
若锰的含量增加，则高锰钢的强度及####韧性都将提高，这是因为锰具有增加晶间结合力的作用。
锰若含量很高会使钢的导热性下降，进而很容易出现穿晶组织，严重影响了高锰钢的机械及力学性能等。
为获得理想的机械性能，当碳含量在O.9％－1.5％范围内时，我们通常将锰的含量控制在11％－14％范围内。
锰的含量确定多由铸件结构及工况条件等方面来决定。
大断面及结构复杂的铸件其含锰量应相对较高，另外若铸件用于强烈####使用，则含锰量也应高些。
1.3硅硅通常是作为一种脱氧剂带入，它具有强化固溶体、提高屈服强度的作用。
但是它封闭Y相区且会促进石墨化。
当其含量大于0.6％时，一方面会导致高锰钢产生粗晶，另一方面也会使碳在奥氏体中溶解度降低，进而促使碳化物在晶界的析出，不但降低了钢的耐磨性及韧性，也增加了钢的热裂倾向。
因此，通常我们将硅控制在0.3％－0.6％范围内，但在某些特殊情况下，如需钢水具有良好的流动性时，我们应增加硅量，使晶界的状况得到改善。
1.4硫高锰钢中因硫与锰的存在，便生成了硫化锰，硫化锰可进入溶渣。
在生产中若硫小于0.02％，则完全可达到标准要求。
1.5磷磷在奥氏体中的溶解度很小，通常是和铁、锰等产生共晶磷化物，且在晶界析出。
磷和容易引起铸件的热裂，降低铸件的机械性能并对耐磨性有一定的损害，严重时甚至会在工作中断裂。
如0.12％磷含量的高锰钢若用来制造某些圆锥式破碎机的衬板，其寿命往往只有0.038％磷含量的高锰钢其寿命的一半。
浅析化学成分对高锰钢性能的影响
浅析化学成分对高锰钢性能的影响本文通过分析，论证了高锰钢基本组成成份及合金元素对其性能的影响，为高锰钢性能的改善奠定了理论基础。
标签：高锰钢成分合金元素性能近年来，尽管已研制了好多种耐磨材料，但是最古老的一种高合金耐磨材料——高锰钢，由于具有优异的耐磨性及良好的韧性，在冶金、矿山、建筑、铁道、军工等部门得到了广泛的应用。
一、基本组成成份对高锰钢性能的影响1.碳:是高锰钢的主要元素之一。
碳能稳定合金中的奥氏体，在快速冷却时使奥氏体保留到室温，而呈单相奥氏体组织，随着碳含量的增加，碳的固溶强化作用增加，提高了高锰钢的强度，硬度和耐磨性。
碳含量继续增加，高锰钢铸态组织中碳化物量增多，虽经固溶(水韧)处理，可将大多数碳化物溶入奥氏体中，但由于碳化物和奥氏体比容的差别，使得固溶后的高锰钢中存在超显微的孔洞缺陷，致使密度下降，影响了高锰钢的性能。
当水韧处理后高锰钢奥氏体中残存碳化物较多，或沿晶界分布使其韧性大大下降。
对非强冲击磨损条件下工作的高锰钢(高锰钢使用后残体HBS＜400时称为非强冲击磨损），少量残余碳化物对抵抗磨损有利，但对强冲击磨料磨损条件下工作的零件，则采用较低碳含量为宜。
选择合适的碳量除与工况条件有关，还与工件的形状、大小及铸造工艺有关，例如大断面和尺寸不规则的零件含碳量应低些，砂型铸造的因冷速慢，容易造成铸态组织中出现大量碳化物，不利重新加热时的溶入奥氏体中，含碳量也应低些。
一般，碳含量控制在0.9％～1.4%范围内，但在某些情况下，采用了含碳量较高的高锰钢，现在已被采用的含碳 1.5％～1.9％的高碳高锰就是一个例子。
2.锰:是高锰钢中主要成份，它扩大合金的γ相区，稳定奥氏体组织,并降低Ms点,使高锰钢奥氏体组织能保持到室温，锰在钢中除固溶于奥氏体外，另一部分存于（Fe、Mn）C型碳化物中，锰含量增加，强度、冲击韧性提高，这和锰增加晶间结合力有关。
锰含量高时使钢的导热性降低容易得到穿晶组织，影响高锰钢的性能，这是我们不希望的。
硼含量对超高锰钢组织和性能的影响
铸造
ＦＯＵＮＤＲＹ
Ｆｅｂ． ２００８ Ｖｏｌ．５７ Ｎｏ．２
硼含量对超高锰钢组织和性能的影响
何奖爱， 李书琴， 辛启斌， 杨中东 （ 东北大学材料与冶金学院， 辽宁沈阳 １１０００４）
摘要： 在超高锰钢中加入不同含量的硼 （ ０．００１ ５％￣０．００６ ０％） ， 随着硼含量的增加， 在热处理后金相组织中晶界碳化物
在低冲击磨料磨损条件下硼含量较高时可以提高
耐磨性， 这和硼的细化组织和强化晶界的作用有关。Ｂ
原子比碳原 子 大 ， 因 此 硼 原 子 在Ｆｅ３Ｃ中 置 换 固 溶 ， 导 致碳化物产生更 大的晶格歪斜， 所以Ｆｅ（３ ＣＢ） 的 显微
性能 硬度 （ ＨＢ）
Ｍｎ１８
Ａ１
Ａ２
Ａ３
Ａ４
２２１
２１３ ２１５ ２１５ ２１７
冲击韧性／ （ Ｊ·ｃｍ－２）
１６２
１８１ １９１ １７８ １６５
相对耐磨性
１
１．１６ １．４６ １．５１ １．９８
由表１可见， 不同含硼量超高锰钢试样的硬度在 ＨＢ ２１３￣２１７变化， 随硼含量增加硬度变化不大； 比未 加硼的超高锰钢硬度低。主要是由于未加硼超高锰钢 晶界碳化物较多， 而使其硬度提高。表１中， 当Ｂ含量 为 ０．００３ ０％ 时 ， 冲 击 韧 性 值 高 达 １９１ Ｊ／ｃｍ２， Ｂ 含 量 为 ０．００６ ０％时冲击韧性最低， 为１６５ Ｊ／ｃｍ２； 可见经水韧处 理后， 冲击韧性先升高后降低。这是由于钢中硼的含 量＜０．００５ ０％时有细化组织的作用， 数量过多时反而使 晶粒粗化。钢中硼含量较高时， 由于硼的分布不均匀， 局部区域硼富集， 能够形成含硼的共晶， 其中有硼化 铁 （ Ｆｅ２Ｂ） 、碳化物 和γ相 ， 这 些 共 晶 很 脆 ， 严 重 恶 化
高锰钢的线膨胀系数
高锰钢的线膨胀系数
摘要：
一、高锰钢简介
二、线膨胀系数定义及意义
三、高锰钢的线膨胀系数数值及影响因素
四、线膨胀系数在实际应用中的重要性
五、总结
正文：
一、高锰钢简介
高锰钢（High-Mn Steels）是一种具有高锰含量（一般为1%～20%）的钢铁合金。
由于其良好的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，高锰钢在工业领域得到了广泛的应用，如矿山、建材、耐磨零件等领域。
二、线膨胀系数定义及意义
线膨胀系数是指材料在温度变化时，单位长度上的尺寸变化与温度变化的比值。
它是描述材料热膨胀性能的重要指标，对于了解材料在不同温度下的尺寸稳定性及热加工性能具有重要意义。
三、高锰钢的线膨胀系数数值及影响因素
高锰钢的线膨胀系数较大，一般在10^-11～10^-10 1/℃之间。
其数值受成分、加工工艺和热处理等因素影响。
随着锰含量的增加，高锰钢的线膨胀系数会减小；而随着碳含量的增加，线膨胀系数会增大。
此外，高锰钢在高温下的线膨胀系数增速较快，低温下的线膨胀系数增速较慢。
四、线膨胀系数在实际应用中的重要性
在实际应用中，高锰钢的线膨胀系数直接影响到零件和装置的设计、制造和使用。
了解和掌握高锰钢的线膨胀系数，可以确保在高温、低温环境下，设备能够正常工作，避免因温度变化导致零件尺寸不稳定而引发的故障。
五、总结
高锰钢的线膨胀系数是衡量其热膨胀性能的重要指标，对于实际应用中的设计和制造具有指导意义。
掌握高锰钢的线膨胀系数，有助于优化设计、提高设备使用寿命和稳定性。
Mn13高锰钢抗磨损机理
Mn13高锰钢抗磨损机理
（1）形变诱发马氏体说
高锰钢在表面脱碳或在高应力作用下也可能发生马氏体转变。
（2）孪晶说
高锰钢的锤击变形主要通过孪晶进行，孪晶片分割奥氏体基体及孪晶界阻碍位错运动是加工硬化的主要原因。
（3）层错说
高锰钢即使在-196℃压缩变形至断裂，仍保持f.c.c 奥氏体结构。
其变形痕迹是堆垛层错，从而认为层错是加工硬化的主要原因
（4）动态应变时效说
造成高锰钢加工硬化的主要原因是动态应变时效。
（5）综合作用说
高锰钢的加工硬化是下述多种因素综合作用的结果：①高位错密度区强化；②动态应变时效强化；③形变孪晶强化；④形变诱发马氏体强化。
这几种机理都起作用，但根据应力、应变条件及合金物化性能的不同，其中可能一种或几种因素起主要作用。
Mn13钢板具有良好塑韧性，易于加工成型，表面经冲击后，由于围观组织变化，表面硬度迅猛升高，从而表现出优异的耐磨性能。
随着表面的逐渐磨损，内部组织逐渐发生转变，使钢板表面持续拥有良好抗耐磨性能。
上海频开实业有限公司位于国内现有规模较大的钢材市场——乐从钢铁世界，是涟钢战略客户，主营产品有耐磨钢、高强度钢板、工程机械用钢、汽车大梁钢、冷轧高强车厢板、耐候钢、耐酸钢和中高碳钢等特殊钢，公司在上海、武汉、娄底、佛山均有库存，常备万吨库存，品种规格全，可定期货，是集原材料供应、加工、配送于一体的现代化企业。
稀土对高锰钢组织性能的影响
不同稀土加入量对高锰钢组织及力学性能的影响霍文霞, 任慧平*, 金自力,计云萍（内蒙古科技大学材料冶金学院，内蒙古包头 014010）摘要：针对不同稀土硅铁加入量的高锰铸钢，采用电子式万能试验机拉伸性能测试，蔡司（ZEISS）金相显微镜进行金相显微组织观察， SEM（scanning electron microscope）及其配备的EDS（Energy Disperse Spectroscopy）进行组织形貌与能谱分析。
结果表明：稀土加入高锰钢中，能够细化晶粒，改变碳化物的形态与分布，使碳化物呈颗粒状弥散分布，有效改善高锰钢的强度与塑韧性等综合力学性能。
关键字：高锰钢；稀土；夹杂物；碳化物；强度中图分类号：TG142.72文献标识码：AEffect of Microstructure and Mechanical Properties of HighManganese Steel containing Different Content Rare EarthHUO Wen-xia, REN Hui-ping*, JIN Zi-li，JI Yun-ping(Inner Mongolia university of science and technology, Baotou 014010)Abstract：study on microstructure，tensile mechanical properties and the fracture morphology of high manganese steel with different content rare earth ferro silicon．By The tensile testing, metallographic observation, SEM (scanning electron microscope) and EDS (Energy Disperse Spectroscopy) method。
高锰钢锤击提高硬度的标准
高锰钢锤击提高硬度的标准
高锰钢经过锤击可以提高硬度的标准，主要根据以下几个方面进行评估：
1. 打击力度和频率：锤击的力度和频率对高锰钢的硬度提升起着关键作用。
较大的打击力度和适度的频率可以有效地提高高锰钢的硬度。
2. 碎屑形状和尺寸：锤击过程中产生的碎屑形状和尺寸也会影响高锰钢的硬度。
如果碎屑形状均匀且尺寸较小，会增加高锰钢的晶界阻碍和变形硬化等效应，从而提高硬度。
3. 温度控制：在锤击过程中，要注意控制高锰钢的温度。
过高的温度可能导致高锰钢的晶界溶解，减少硬度提升效果。
4. 锤头材质和形状：锤头的材质和形状也会对高锰钢的硬度提升起到一定影响。
较硬的锤头材质和合适的形状可以增加锤击力度，从而提高高锰钢的硬度。
需要注意的是，在进行锤击以提高高锰钢硬度之前，需要进行试验验证，确保锤击工艺对于具体的高锰钢合金具有硬度提升的效果。
影响高锰钢力学性能的几个因素
影响高锰钢力学性能的几个因素影响高锰钢力学性能的几个因素摘要：论述了影响高锰钢力学性能的因素有碳化物、夹杂物、化学成分、晶粒度。
经实践摸索，我们认为碳化物、夹杂物是影响高锰钢力学性能的主要因素，在检验过程中应严格控制。
根据我厂实际情况，对成分控制比较严格，一般都能达到成分要求，所以对性能影响也不会太大。
当不存在穿晶现象时，晶粒度对高锰钢的力学性能影响较小，在检验过程中可做为一般检验项目。
高锰钢是历史最悠久，也是世界各国通用的一种抗磨钢。
这种钢适用于在重力冲击或挤压的工作条件下经受摩擦的零件，这种奥氏体钢具有加工硬化性质，在冲击或重力挤压下，其表层发生加工硬化现象，硬度比原来大幅提高，可达到450～550HBW，而冲击韧度相应有所降低。
这种具有高硬度的表层使铸件具有良好的抗磨性，至于铸件的内部则由于没有受到加工硬化，仍旧保持其原有的硬度和良好的韧性。
当铸件的工作表面被磨掉一层后，显露出来的新的一层又被加工硬化，而同样获得了高的硬度，由于表层具有高硬度而内部具有良好的韧性这两方面很好的结合，所以铁路道岔中高锰钢辙叉铸件就是利用这一特性制造的。
为了保证高锰钢的这种力学性能，必须严格检查其关键项点，使产品保质保量，避免生产过程中出现废品。
一、高锰钢的铸态组织含wMn=10% ～14% 、wC = 0.9 % ～1.4%的钢，在900 以上时，具有单一奥氏体组织，当温度降低到约900℃以下时将有碳化物(FeM) 3C析出，当温度继续下降至620℃左右时，开始共析转化，并一直持续到约300℃时终了，在这样平衡条件下得到的金相组织为铁素体和碳化物。
但在铸造条件下，高锰钢结晶过程中的冷却速度大于平衡条件，因此组织转变不能按平衡条件进行，而是共析转化来不及发生，得到的金相组织是由奥氏体和碳化物组成的。
二、对影响高锰钢力学性能的因素探讨1. 碳化物对高锰钢性能的影响由表1数据可看出，无论是构成网状的析出碳化物还是>3块的未熔碳化物，对高锰钢力学性能的影响非常大，使其冲击值及抗拉强度大大降低，远远低于标准规定的数值，Rm≥750 MPa ，aK ≥147J/cm2 ，所以，碳化物会严重影响高锰钢的力学性能，在检查时应严格控制。
高锰钢的耐磨性
高锰钢的耐磨性高锰钢铸件在受到冲击截荷和压应力时，金属表面发生塑性变形，迅速产生加工硬化并诱发产生马氏体与ε相，从而形成硬而耐磨的表面层，而心部仍是奥氏体组织。
表面层硬度由原来的200HB左右提高到500HB以上，硬化层厚度可达到10～20mm，甚至更多。
在表面逐渐被磨损掉的同时，在冲击载荷的作用下硬化层不断地向内发展。
在低冲击载荷和低应力磨损情况下，由于不能在表面产生足够的加工硬化，这时高锰钢的耐磨性往往不一定比相当硬度的其他钢种好。
为适应不同工况的要求，调整基本成分和加入其他合金元素，以提高钢的耐磨性，发展了一些改进型高锰钢。
国内外一部分改进型高锰钢的化学成分和用途见下表。
改进型高锰钢的化学成分和用途园锥破碎机轧臼壁的研制应用本课题研制的轧臼壁是选矿厂碎矿车间碎矿系统园锥破碎机重要的备件之一、在实际工况条件下，该工件承受着极强烈的、高周次的、反复交变应力的作用〔冲击、磨擦、挤压，剪切等〕，其质量的好坏，将直接到选矿厂能否进行正常的生产经营活动。
1．轧白壁工件的选材分析根据轧臼壁工件在实际工况条件下的受力状态，服役特点(高周次的强烈冲击、磨擦、挤压、剪切的反复)，结合国内目前使用耐磨材料现状，经一系列对比分析、反复试验我们选择了在强烈冲击、磨擦、挤压，剪切工况条件下具有强大潜能(加工硬化能力)的高锰钢作为制作轧臼壁工件的材质。
1．1轧臼壁工件化学成份的确定高锰钢的耐磨性由钢的化学成份、钢中夹杂物含量、钢中碳化物的溶解与偏析度、钢的晶粒度和铸造质量的优劣等决定。
1.2高锰钢中各元素对其性能的影响硅：含硅量高，降低碳在奥氏体中的溶解度，碳化物在晶界上析出增多且肥大，水韧处理后，在晶界上留下较大的显微疏松，但为了完全消除，钢中的含硅量，控制在0.4—0.6％最佳，含硅量>0.8％对高锰钢各项性能无明显影响。
锰：高锰钢由于含锰量高，钢的铸态组织为奥氏体与碳化物，经1000℃左右加热水淬处理(通常称水韧处理)后。
高锰钢的热处理
热处理技术与装备高锰钢的热处理是将高锰钢铸件加热到碳化物固溶的温度,并保温一定时间,然后在水中快速冷却,形成单一的奥氏体组织,使其强度和韧性大大提高,达到可加工硬化的目的。
与普通碳钢不同,高锰钢在水中淬火后不是变硬,而是变软了,因此高锰钢的热处理又叫水韧处理。
在热处理过程中,碳化物是在固溶态下溶解到奥氏体中去的,所以又叫固溶强化处理。
高锰钢固溶理的参数主要有入炉温度、升温速度、保温温度、保温时间、摆放位置等。
1入炉温度和加热速度高锰钢铸件在入炉之前,铸件表面的粘砂、披缝和浇注冒口要清理干净。
粘砂对铸件加热或冷却都有隔热作用,使铸件加热和入水后的冷却不均匀,严重粘砂会降低铸件入水后的冷却速度,造成晶界碳化物重新析出。
披缝较薄,在热处理加热时会脱碳,水淬后会变成马氏体,马氏体相变体积膨胀,可能会使铸件基体受到拉应力而开裂。
高锰钢导热性能低, 100℃以下为碳钢的1/4~1/6倍, 600℃时为碳钢的1/2~5/7倍。
高锰钢热膨胀系数大,为碳钢的2倍, 500℃以上更大。
虽然铸件在低温加热过程中无相变应力发生,但加热到300℃以上,会在晶内和晶界上出现脆性碳化物增多的现象,有时会发生珠光体转变。
高锰钢辙叉结构复杂,同一铸件壁厚相差悬殊,铸件本身存在不小不等的铸造应力。
在热第1期吴霞等:高锰钢的热处理处理的加热或冷却过程中不同部位存在较大的温差,产生热应力。
这样,热应力和铸造应力叠加,会使辙叉产生裂纹。
因此,必须控制高锰钢辙叉的入炉温度和加热速度。
高锰钢辙叉热处理工艺分两种:冷辙叉处理和热辙叉处理。
对于热辙叉,如果装入同一窑的所有辙叉的装窑温度基本和窑温一致,则这种工艺可以节能,提高效率。
但在实际生产中装窑温度很难与窑温一致,且相差较大,主要原因有:不同炉次的辙叉开箱水爆后在同一窑中进行热处理,造成同一窑中辙叉的初始温度不同;由于连续生产,每天窑的温度也不尽相同;季节性的温度变化导致辙叉与窑温的变化较大;辙叉在窑内的排序不同会造成一定的温差。
钨对高锰钢显微组织和冲击韧性的影响
··高锰钢因为具有较高的韧性和良好的加工硬化性能，而广泛应用于冶金、建材、电力、建筑、煤炭工业等高冲击磨料磨损工况[1]，但在工业生产和应用实践中发现，高锰钢铸件晶粒易粗大而影响韧性和耐磨性，有时韧性不足难以抵抗强烈的冲击而使得高锰钢件早期断裂失效。
为解决铸造高锰钢件晶粒易粗大、韧性不足以及耐磨性不够的问题，国内外从不同方面开展了系列研究开发工作，其中合金化是主要研究方面之一。
目前关于Mn 、Cr 、Mo 、Ni 、Nb 、V 、Ti 、RE 等元素对高锰钢影响的研究已有许多报道，并不同程度用于指导生产[2-5]，有人研究过钨对中锰奥氏体钢耐磨性的影响[6]，但是关于钨元素对高锰钢影响的研究较少。
本文重点探讨W 对铸造高锰钢晶粒、碳化物、硬度和冲击韧性的影响，为含W 高锰钢的研究开发与生产应用提供参考。
1试验材料和方法试验用高锰钢化学成分见表1。
试验用钢在500kg中频感应电炉中熔炼，在砂型中浇注标准Y 型试块。
试块在高温箱式电炉中加热，1100℃保温2h 后进行水韧处理。
从水韧处理后的Y 型试块上切去金相试样和冲击试样。
廖畅1，2，李卫1，2，刘晋珲1，2，刘英1，2（1.暨南大学材料科学与工程系，广东广州510632；2.暨南大学广东高校耐磨材料与功能材料工程技术研究中心，广东广州510632）摘要：采用金相显微镜、扫描电镜、电子探针、力学性能检测等手段，研究合金元素W （0~1.460%）对高锰钢显微组织和冲击韧性的影响。
试验结果表明：随着合金元素W 的增加，高锰钢的晶粒减小；高锰钢的基体硬度提高；高锰钢中析出少量以W 为主要合金元素的碳化物；高锰钢冲击韧性先增后降，当含W 量为0.912%时高锰钢的冲击韧性最高，达到329.9J/cm 2，比不含W 的高锰钢约提高了49%。
这是W 元素的细晶作用、固溶强化和碳化物析出综合作用的结果。
关键词：钨；高锰钢；冲击韧性；显微组织中图分类号：TG142.72文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2011）04-0390-04LIAO Chang 1,2,LI Wei 1,2,LIU Jin-hui 1,2,LIU Ying 1,2（1.Department of Materials Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,Guangdong,China;2.Guangdong Colleges Engineering and Technology Research Center of Wear Resistant Materials and Functional Materials,Jinan University,Guangzhou 510632,Guangdong,China ）钨对高锰钢显微组织和冲击韧性的影响Effect of W on Microstructure and Impact Toughness ofHigh Manganese Steel基金项目：广东省科技计划重大专项项目（2009A080304010）；广东省教育部产学研结合项目（2008B090500202）。
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。
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影响高锰钢力学性能的几个因素
【摘要】论述了影响高锰钢力学性能的因素有碳化物、夹杂物、化学成分、晶粒度。
经实践摸索，我们认为碳化物、夹杂物是影响高锰钢力学性能的主要因素，在检验过程中应严格控制。
根据我厂实际情况，对成分控制比较严格，一般都能达到成分要求，所以对性能影响也不会太大。
当不存在穿晶现象时，晶粒度对高锰钢的力学性能影响较小，在检验过程中可做为一般检验项目。
高锰钢是历史最悠久，也是世界各国通用的一种抗磨钢。
这种钢适用于在重力冲击或挤压的工作条件下经受摩擦的零件，这种奥氏体钢具有加工硬化性质，在冲击或重力挤压下，其表层发生加工硬化现象，硬度比原来大幅提高，可达到450～550HBW，而冲击韧度相应有所降低。
这种具有高硬度的表层使铸件具有良好的抗磨性，至于铸件的内部则由于没有受到加工硬化，仍旧保持其原有的硬度和良好的韧性。
当铸件的工作表面被磨掉一层后，显露出来的新的一层又被加工硬化，而同样获得了高的硬度，由于表层具有高硬度而内部具有良好的韧性这两方面很好的结合，所以铁路道岔中高锰钢辙叉铸件就是利用这一特性制造的。
为了保证高锰钢的这种力学性能，必须严格检查其关键项点，使产品保质保量，避免生产过程中出现废品。
一、高锰钢的铸态组织
含Mn=11％～14％、C=0.9％～1.4％的钢，在900℃以上时，具有单一奥氏体组织，当温度降低到约900℃以下时将有碳化物Fe3C析出，
当温度继续下降至620℃左右时，开始共析转化，并一直持续到约300℃时终了，在这样平衡条件下得到的金相组织为铁素体和碳化物。
但在铸造条件下，高锰钢结晶过程中的冷却速度大于平衡条件，因此组织转变不能按平衡条件进行，而是共析转化来不及发生，得到的金相组织是由奥氏体和碳化物组成的。
二、对影响高锰钢力学性能的因素探讨
1.碳化物对高锰钢性能的影响：无论是构成网状的析出碳化物还是未熔碳化物，对高锰钢力学性能的影响非常大，使其冲击值及抗拉强度大大降低，远远低于标准规定的数值，Rm≥750MPa，ak≥147j/cm²，所以，碳化物会严重影响高锰钢的力学性能，在检查时应严格控制。
2.非金属夹杂物对高锰钢性能的影响：碳化物不仅影响高锰钢的力学性能，非金属夹杂物的含量对钢的性能也有显著影响。
高锰钢由于含大量的锰，因而在钢液中会产生大量的氧化锰(MnO)，由于氧化锰在钢液中的溶解度很大，而在固态钢中的溶解度极小，因此在钢液凝固时，大量的氧化锰以非金属夹杂物的形式析出在钢的晶界上，降低钢的冲击韧度，并使铸件的热裂纹倾向增大。
因为在冶炼高锰钢时，要求钢液脱氧良好，尽量降低钢液中氧化锰的含量。
另外，由于非金属夹杂物的强度和塑性都很低，它们在钢液中的作用有如空洞或裂纹一样，割裂钢的本体，降低钢的性能。
非金属夹杂物越多，对钢的本体割裂作用越大，显著降低钢的性能，且随着钢中夹杂物数量的增多，钢的性能大幅降低。
在冶炼过程中，要尽量减少夹杂物的产生，只有夹杂物含量少，才能得到较高的抗拉强度和冲击韧度。
因为对高锰钢进行检查时，必须对高锰钢的夹杂物做认真细致的分析，把其做为检验的关键项点，从而提高高锰钢的性能。
3.化学成分的选择及对高锰钢性能的影响
(1)含碳量和含锰量：钢中含碳量过低时，不足以产生有效的加工硬化效果；而当碳含量过高时，又会在铸态中出现大量的碳化物，特别是出现粗大的碳化物，因此为了避免析出碳化物，必须控制含碳量不得过高。
为了保证高锰钢的性能，必须有足够的含锰量。
含锰量过低时不能形成单一的奥氏体组织；而过高的含锰量也是不必要的，生产中一般规定，Mn控制在11.0％～14.0％，C控制在0.9％～1.4％。
应该指出的是，含锰量与含碳量之间应有适当的搭配，即应有适宜的锰碳比，一般控制在Mn/C=10。
(2)含硅量：高锰钢中Si的规格含量为0.3％～0.8％，硅会降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，使钢的耐磨性和冲击韧度降低，因此硅量应控制在规格下限。
(3)含磷量：高锰钢的规格含量为P≤0.05％，熔炼高锰钢时，由于锰铁的含磷量较高，因此一般情况下钢中的含磷量也比较高。
因为磷会降低钢的冲击韧度并使铸件容易开裂，所以应尽量降低钢的含磷量。
(4)含硫量：高锰钢的规格要求S≤0.05％，高锰钢因为含锰量高，使钢中大部分的硫与锰在熔炼过程中相互化合而形成硫化锰(MnS)而进
入炉渣中，因而钢中的硫含量经常是较低的(一般不超过0.03％)，因此，在高锰钢中磷的有害作用比硫高。
综上所述，因化学成分对高锰钢的性能有很大影响，所以在生产中要严格控制。
4.晶粒度对高锰钢力学性能的影响
(1)晶粒长大原理：奥氏体刚刚形成之后，起始晶粒一般均很细小，而且也不均匀，界面弯曲且界面积大、界面能高。
从热力学分析，界面能越高，则界面越不稳定，必然要自发地向减小品界面积、降低界面能的方向发展。
就是说，小晶粒合并成大晶粒，弯曲界面变成平直晶界是一种自发过程。
晶粒长大也是一种自发过程，它是由大晶粒吞并小晶粒的不均匀长大和大晶粒进一步长大两个阶段组成的，主要表现为晶界的移动，高度弥散难熔的非金属或金属化合物颗粒对晶粒长大起很大抑制作用，为了获得细小的奥氏体晶粒，必须要保证钢中的有足够数量和足够细小难熔的第二相颗粒。
总而言之，晶粒长大的过程，就是小晶粒吞并成长为大晶粒，以及弯曲界面变成平直晶界面的过程。
由于高锰钢是一种本质粗晶粒钢，它长大的倾向较大，一般在铸态情况下，它的晶粒都较粗大。
(2)关于高锰钢晶粒细化的问题：用Al脱氧的钢，晶粒长大倾向小，属于本质细晶粒钢，而用Si、Mn脱氧的钢，晶粒长大倾向大，一般属于本质粗晶粒钢，高锰钢就是用Si、Mn脱氧的钢，因此高锰钢属于本质粗晶粒钢。
由于高锰钢在凝固以后的降温过程中没有二次结晶即在固态下没有相变，因此不可能通过热处理的方式来细化晶粒，因此解决高锰钢的晶粒粗大问题只能从钢的一次结晶过程中求得解决，即要求在铸态下得到细晶粒组织。
细化高锰钢晶粒的途径一般有以下几种：
（1）孕育处理。
往钢中加入钛、锆、铌和钒等元素作为生核剂(孕育剂)。
这些元素与钢中的碳和氮化合而成碳化物和氮化物。
这些碳化物和氮化物在钢的结晶过程中能起到外来核心的作用，因而能使钢的晶粒细化。
但生产中使用这些元素的价格比较昂贵，且这些元素做核心起化合物作用还需具备一些条件，所以一般都不被采纳。
（2）采用金属型或冷铁激冷。
用金属型铸造或用冷铁激冷的局部，有助于在铸件的表层得到较细的晶粒，但对于厚大铸件的中心部分的作用则并不显著。
（3）是控制浇注温度。
浇注温度对高锰钢晶粒度大小有一定的影响，但会受一定的限制，即必须保证在钢液充满铸型的条件下，才能采用较低温度。
根据实际情况，工厂生产工艺都是一定的，所以一般情况下浇注温度也是一定的，如在我厂的生产工艺情况下得到的高锰钢的晶粒等级都在1～3级范围内。
根据以上分析可以看出，由于高锰钢是本质粗晶粒钢，采用的几种细化晶粒的途径对高锰钢来说都不是特别有效，因此细化高锰钢的晶粒度是有一定困难的，虽然加入一些合金元素能够细化晶粒，但价格较昂贵、成本较高。
下面通过表3一些试验数据来研究一下晶粒度对高锰钢力学性能的影响程度。
通过表3的试验数据可看出，高锰钢的晶粒度等级对高锰钢的性能影响不是很大，虽然个别值有较低的现象，但是这种情况的出现经计算不超过5％，可忽略不计。
三、结语
根据以上分析，我们可以看出，碳化物、夹杂物对高锰钢力学性能的影响很大，检验时应严格控制，化学成分一般控制都很严格，对高锰钢力学性能不会有太大影响。
因高锰钢晶粒度对高锰钢力学性能的影响较小，所以高锰钢晶粒度达到一级就可以了，在检验过程中不需对晶粒度等级进行严格控制。