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。在强烈冲击载荷情况下普通高锰钢已不能满足使用要求，进而开发出的超高锰钢，其锰含量提高到18%，使其冲击性能提高。很多学者和企业科研人员研究加入合金元素来固溶强化或加入变质剂细晶强化，或者通过热处理得到的沉淀强化，目的是提高高锰钢的形变硬化能力和机械强度，进而提高耐磨性能。

本文就从后面几种强化机制来展开论述，对中锰钢不再赘述。

一、固溶强化（提高机械性能）

高锰钢化学成分中碳含量0.9%～1.5%、锰含量10%～15%，两种元素的配

比Mn/C比值约为8.5～10，保证形成单一奥氏体组织。如果C、Mn含量过低，固溶处理后将会出现部分马氏体组织，组织会变脆。

提高C含量，固溶强化作用增加，奥氏体锰钢的强度和硬度提高，耐磨性提高，但塑性和韧性下降。塑形和韧性下降的原因是钢中C含量超过1.3%，铸态组织会出现连续网状碳化物，造成晶界被脆性相包围，失去塑、韧性。另外由于碳化物和奥氏体比容上的差异，碳化物溶于奥氏体后引起超显微疏松，组织不致密也会使韧性降低。其次碳原子固溶与奥氏体中，形成间隙式固溶体，会在位错周围压应力区富集形成柯氏气团，阻碍位错运动，在力学性能上表现为强度增加，塑形韧性下降。

奥氏体是面心立方组织，常见合金元素中Mn、Ni、Al是面心立方晶体结构（FCC），加入后会扩大奥氏体区，稳定奥氏体组织。Fe原子半径为1.27Å ，Mn原子半径1.29 Å，固溶强化作用效果较大。加入提高合金的固溶度和冲击性能，但对耐磨性能影响不明显。锰是过热敏感性元素，能促进奥氏体枝晶生长，使液态金属趋于糊状凝固，过热则导致晶粒粗大，导致韧性下降。

Cr为体心立方（BCC）晶体结构，原子半径为1.28Å，可以形成连续固溶体。若固溶于奥氏体后能提高钢的屈服强度，形成碳化物则会使冲击韧性降低。但Cr对奥氏体的稳定性影响存在争议。加入的Cr以碳化物形式存在，因降低奥氏体的C含量而降低其稳定性，促进加工硬化；若以固溶态存在，因增加奥氏体的合金化程度而增加奥氏体的稳定性。Mn、Cr都是弱碳化物形成元素，且都是晶界网状碳化物形成元素，两者相比，Cr更易形成碳化物。高锰钢加入1%～3% Cr,只能形成（Fe,Cr）3C型复合碳化物，比（Fe,Mn）3C稳定，须在更高温度下分解，奥氏体化温度要提高；原子扩散能力减弱，均匀化时间长，保温时间也要增加。

Ni的晶体结构为FCC，扩大γ相区元素。加入镍能增加奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性，其作用远远大于锰的效果。在C含量0.9%，加入3%的Ni，即使空冷也可以得到单一的奥氏体。原子半径为1.25 Å，少量镍的固溶强化作用不明显。另外镍为非碳化物形成元素。

高锰奥氏体钢形变时易产生堆垛层错。有学者认为锰、铬能降低层错能，使位错宽度变小，易形成孪晶进而导致位错运动阻力增加，使金属基体强化程度提高。

二、细晶强化

强化效果有时是一种强化或几种强化方式综合作用的结果。在所有的强化方法中，只有细晶强化能同时提高金属的强度和韧塑性。很多科研人员通过加入变

质剂来细化晶粒，提高高锰钢综合性能。Hall-Petch公式公式说明了晶粒细化对屈服强度和硬度的影响。

σy =σi+K y d－1/2………………………………(1-1)

H V =H i+K y d－1/2………………………………(1-2)

σy——屈服强度

H V——显微硬度

σi——位错在晶体中运动的点阵摩擦阻力，包含派纳力

K y——反映位错被溶质原子或第二相钉扎运动的难易程度的参量

d——晶粒直径

两个式子表达意思一样。晶粒细化，晶粒直径d减小，则屈服强度σy或显微硬度H v都将提高。细化晶粒能使位错密度增加，而高锰钢的加工硬化的基础就是位错密度增加，促使加工硬化能力提高。

加入合金元素或者其他变质剂所形成的第二相只要合理则为强化相，不合理则为脆性相。比如碳化物在晶界呈连续网状分布，针状，大颗粒状则为脆性相。若碳化物以细颗粒状，弥散分布于晶内则为强化相。很多研究人员通过加入强碳化物元素Mo、Nb、V、Ti来达到细化晶粒目的，同时形成的碳化物增强相可以增加基体的硬度和耐磨性。

钢中碳化物形成能力和d层电子有关，d层电子越少，碳化物形成能力越强。Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn皆为碳化物形成元素，与碳的亲和力由强到弱。除Cr、Mn外，其余皆为强碳化物形成元素。W、Mo、Cr、Mn元素可以置换Fe3C的Fe原子形成（Fe,Me）3C型合金渗碳体，也可以与C形成Cr23C6、M3C等复杂结构的特殊碳化物。Ti、Zr、V元素与C形成的TiC、VC简单结构碳化物。

强碳化物元素形成的碳化物细小，难溶，熔点高，可以作为形核核心，另外固溶处理时不能完全溶于奥氏体中，在晶界存在，阻碍晶界扩散，抑制晶界移动，阻碍固溶处理时晶粒粗化倾向。同时碳化物弥散分布于晶内，本身硬度很高，可以大大提高金属的硬度和耐磨性。