高锰钢的性能特点及强化原理

高锰钢的性能特点及强化原理

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。高锰钢一样是指含碳量为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℃间的温度内赶忙水淬至常温。通过处理后的材料具备专门好的韧性,受冲击载荷时发生表面硬化,其具有专门高的耐磨性,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、破裂壁、轧臼壁、拖拉机履带板、风扇磨冲击板、破裂机颚板、铁道路岔等。但由于此材料加工硬化快,不易切削加工,一样只限于铸造。

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显现，钢的性能专门脆。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、专门耐磨的材料。其性能对比如表1：

σb (Mpa)

σ0.2

(Mpa)

δ

(%)

αK

J/cm2

HB

铸态性能343.23―

392.27 294.20―

490.33

0.5―

5

9.80―

29.42

200―

300

水韧处理性能617.82―

1274.86

343.23―

470.72

15―

85

196.13―

294.20

180―

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，性能会发生专门大的变化。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。

图1加热温度与延伸率的关系

图2加热温度与冲击韧性的关系

从图中能够看出，再250－300℃时冲击韧性即下降，450－850℃时冲击韧性最低可降到19.61－29.42 J/cm2。对比图1和图2能够看出，冲击韧性和塑性随温度什高变化的规律是完全吻合的。由于加热保温时碳化物的析出量随温度的升高和时刻的延长而增加，钢的硬度也必定提高。图3是加热温度、保温时刻和硬度三者之间的关系；表二是高锰钢在不同温度（水韧处理后）时的强度和塑性值。

图3水韧处理后加热温度、保温时刻和硬度的关系

表2 不同温度时高锰钢的强度和塑性

由此能够看出，高锰钢的强度、塑性、韧性和硬度性能随温度升高的变化是互相联系的。

2.2高锰钢的加工硬化和耐磨性

高锰钢铸件在受到冲击载荷时，金属表面发生塑性变形。尽管通过水韧处理后单相奥氏体组织的硬度专门低（HB170－230），但通过形变以后由于形变强化的结果金属的变形层表现出明显的加工硬化现象。表面层（变形层）的硬度有极大的提高，能够达到HB500－800（较低程度的冲击能够达到HB300－400）。从表面向内金属的变形程度逐步减少，硬度也逐步降低。到某个深度时金属处于原始的未变形的状态。那个显现加工硬化的表层确实是硬化层。

随冲击载荷的不同，硬化层的深度能够达到10－20mm，甚至更多。深度的大小除和冲击功的大小有关外，还和金属的塑性性能、强度性能钢的组织状态（如晶粒度、奥氏体基体中是否有第二相存在等）有关。钢的化学成分决定组织状态也阻碍奥氏体的性能和硬化层的深度。形变速度和金属材料在外载荷作用下的应力状态阻碍加工硬化的成效。

表3是在不同冲击载荷、冲击次数的硬度值（HRC）。由此表能够看出，高锰钢在低冲击载荷下，加工硬化能力较小。在20 J/cm2的冲击载荷下，通过120次冲击，只能达到HRC50的硬化成效。随着冲击能量的增加，加工硬化越来越高，冲击载荷达到200 J/cm2时，硬化值可达到HRC63，再连续增加冲击能量，最高硬化值不再发生变化。

表3是在不同冲击载荷、冲击次数的硬度值（HRC）

将通过250 J/cm2冲击载荷，冲击120次，达到最大硬度值HRC63的试样剖截后，用HV0.1的显微硬度计沿截面测试结果见图4。可见加工硬化后的材料硬化层深度专门浅，仅2.5mm左右，硬度变化的梯度也专门大，表面硬度最高，专门快就降下来。这与加工硬化和滑移带密度有关，而滑移带是由塑变引起的，表面的塑变程度最大，所产生的滑移带最多，越往材料内部，塑变程度降低，滑移带随之减少。在使用过程中，由于表面被磨损后，在冲击载荷作用下产生新的硬化表面，得以坚持材料的耐磨性能。

图4 加工硬化层的硬度梯度

在硬化层的下面仍是软韧的奥氏体组织，它和硬化层牢固地结合。硬化层表面有专门高的硬度，又有好的韧性，这正是高锰钢具有抗击磨料的梨削磨损、形变磨损和较好的抗冲击疲劳的性能。

3高锰钢的强化机理

关于高锰钢具有专门高的加工硬化能力的缘故,专门久以来就引起了人们的高度重视,国内外学者对此开展了广泛的研究,先后提出了形变诱发马氏体相变硬化说、孪晶硬化说、位错硬化说、层错硬化说、动态应变时效硬化说、位错+层错+孪晶+ε马氏体、位错+层错+ε马氏体+α′马氏体、位错+层错+孪晶+弥散析出的微细碳化物颗粒、孪晶+Mn-C原子对造成的强烈不对称畸变等多种复合硬化说。迄今为止尚没有统一的、全面的总括性结论。只是有一点相同的，即都认为是由于某种缘故阻碍位错的运动而引起高锰钢的加工硬化。那个地点要紧简要介绍几种关于高锰钢的加工硬化机理的假说。

3.1形变诱发马氏体相变硬化说