含硼超高錳鋼的低溫性能

含硼超高錳鋼的低溫性能

經(jīng)過處理后，高錳鋼被組織成一個單一的聚合物。它具有高沖擊強度的特點。一般來說，脆弱性很少。所以,被廣泛應(yīng)用于承受沖擊較大的零部件上。如履帶板、鄂式破碎機、挖掘機的斗齒、礦車聯(lián)結(jié)環(huán)等。但在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),寒冷地區(qū)經(jīng)常發(fā)生高錳鋼部件脆性斷裂現(xiàn)象。如內(nèi)蒙古寒冷地區(qū)的露天礦挖掘機的斗齒、履帶板中有近20%是因脆性斷裂造成失效的。阜新和撫順露天礦中失效的挖掘機履帶板中有40%是因脆性斷裂所致,斗齒也有部分因脆性斷裂而失效。而我國嚴寒地區(qū)漠河的最低溫度達-53.2℃。為了解決高錳鋼的低溫脆斷現(xiàn)象,有人曾在ZGMn13中加入3.56%的Ni,可大大提高其低溫條件下的抗脆性破壞能力,但鎳資源稀少價格昂貴,目前市場價格為26.5萬/t,上述成分使高錳鋼成本提高1倍以上,因而影響其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。有文獻報道將Mn含量提高到16%~19%,不只使強度塑性提高,還可以提高低溫下在變形的條件下抗脆性破壞的能力。作者在含硼超高錳鋼中加入B、Cr、稀土等合金元素后,超高錳鋼的組織和力學(xué)性能發(fā)生了改善、耐磨性能得到較大的提高,在嚴寒條件下使用效果如何,還沒有人對此進行過研究。本文主要研究其低溫韌性、找出韌-脆轉(zhuǎn)變溫度,以確定材料的適用范圍。1試驗材料和試驗方法1.1sis含硼超高錳鋼的化學(xué)成分為(質(zhì)量分數(shù),%):1.4C,0.34Si,17.86Mn,0.064P,0.042S,0.003B,1.00Cr。試驗設(shè)備采用JB-301擺錘式?jīng)_擊試驗機和SSX-550型掃描電子顯微鏡。1.2溫度范圍試驗根據(jù)《金屬機械性能實驗方法》,采用夏比U型缺口沖擊標準試樣,尺寸為10mm×10mm×55mm,在中部開有2mm深U型缺口。試驗的溫度范圍是20~-80℃,每檔溫度用三個試樣進行測試。0~-70℃的試樣用干冰+酒精進行冷卻,-80℃的試樣用液氮+酒精進行冷卻。由于試樣從介質(zhì)中取出放到?jīng)_擊試驗機上有時間間隔,為了保證沖擊試驗時試樣的溫度為預(yù)定溫度,采取了縮短時間和補償溫度的方法。即將試樣冷卻到較試驗溫度低2~4℃并保持10min,然后用和試樣溫度相同的夾鉗將試樣取出,迅速在試樣支架上放好。從試樣取出到將它在試驗機上沖斷所用的時間不應(yīng)超過5s。2高錳鋼性能階段連續(xù)沖擊所得結(jié)果見表1和圖1。由圖1可見,在20~-80℃的范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩次沖擊韌性突降。第一次出現(xiàn)在0℃,此時韌性雖然有所降低,但仍然為159.7J/cm2,完全滿足國家標準中規(guī)定的高錳鋼使用標準。在0~-70℃的范圍內(nèi),沖擊韌性逐漸降低,趨勢比較平緩,在-70℃時韌性值仍為104.7J/cm2,直到-80℃時出現(xiàn)第二次突降,降低到70.9J/cm2,為常溫時的36%。3試驗結(jié)果的分析3.1試驗試件斷口形貌和試驗結(jié)果的比較,見表1評定金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,GB/T229—1994標準規(guī)定了三種測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法,FATT50方法是一種常用的試驗方法。按GB/T229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》中規(guī)定的斷口形貌以脆性斷面率為50%所對應(yīng)的溫度記為FATT50。試樣宏觀斷口形貌如圖2所示。由圖2看出,隨著試驗溫度的降低,試樣側(cè)面膨脹量逐漸減少,斷口上放射區(qū)所占百分比逐漸增大,說明韌性越來越差,這和試驗數(shù)據(jù)相符。20℃時試樣的韌性最好,側(cè)面膨脹量最大,斷口上幾乎都為纖維斷口;-20℃試樣膨脹量比-40℃時稍大,但是斷口上纖維斷口和放射區(qū)斷口比例分配差別很小;-60℃和-70℃斷口形貌差別不大,-70℃時斷口放射區(qū)為50%,即脆性斷面率為50%;-80℃時試樣斷口的側(cè)面膨脹量較小,并且中心晶狀區(qū)所占比例較大,遠超過50%。所以按著GB/T229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》中的規(guī)定,確定含硼超高錳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-70℃左右。這也符合文獻中所描述的“一般認為αK值降到常溫時數(shù)值的一半的溫度,是脆性轉(zhuǎn)變溫度”。將低溫沖擊后的試樣經(jīng)酒精浸泡后迅速吹干,在掃描電鏡上對斷口形貌進行觀察,如圖3所示。從微觀斷口形貌可以看出,隨著溫度的降低斷口形貌特征發(fā)生了很大的變化。0℃和40℃時較深、較大韌窩之間布滿小韌窩,說明材料的塑性變形能力大,在斷裂前經(jīng)歷了較大的塑性變形,斷口還是完全韌性斷裂特征。韌斷機制是微孔聚合。韌窩是微孔長大的結(jié)果,韌窩內(nèi)大多包含著一個夾雜物或第二相,這證明微孔多萌生于夾雜物和第二相與基體的界面上。隨著溫度的降低,準解理斷口比例逐漸增多,韌窩數(shù)量減少,-80℃時有較少的撕裂韌窩,準解理斷口有明顯的撕裂棱,有放射狀花樣,并且起源于孔洞,有河流花樣但是較短不連續(xù),此時接近解理斷裂。3.2沖擊韌性隨文獻含量的變化鋼中化學(xué)成分C、Mn、Si是主要影響低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度的因素,碳含量在0.8%~1.15%的范圍內(nèi)影響很小,大于1.15%以后沖擊韌性明顯降低。碳含量每增加0.1%,常溫下αK值降低39.23~41.19J/cm2。這也相當(dāng)于溫度降低15~20℃時沖擊韌性的降低值。隨著錳含量的增加,沖擊韌性提高,這主要與錳能夠增加晶間結(jié)合力有關(guān)。在低溫時隨著錳含量的增加,沖擊韌性提高更快。硅對韌性有不良影響,鋼中硅含量控制在較低的水平,這對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的降低有一定的作用。磷含量增加使脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯升高,每增加0.01%則可使低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度提高約7℃,因此磷是極為有害的元素,應(yīng)嚴格控制。硫含量控制在非常低的水平,最大限度的消除了它對韌性的不良影響。常溫時隨鉻含量的增加沖擊韌性有降低的趨勢,隨著溫度的降低鉻含量對沖擊韌性影響不大。當(dāng)硼含量小于0.005%時有細化組織的作用,因而提高韌性;硼含量達到0.005%時,出現(xiàn)含硼化鐵的脆性共晶組織,使高錳鋼受力時沿晶界破壞,因此使鋼的沖擊韌性降低,韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高。3.3金相組織和微量元素金相組織的晶粒大小對低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度有一定的影響,晶粒尺寸減小,能提高沖擊韌性值,并降低低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度。圖4a、圖4b是高錳鋼(1.09%C,13.03%Mn,0.455%Si,0.012%P,0.004%S)和含硼超高錳鋼的金相組織。晶粒細化時,晶界增多,而晶界能夠阻礙裂紋擴展;晶界前塞積的位錯數(shù)減少,有利于降低應(yīng)力集中;晶界總面積增加,則晶界上雜質(zhì)濃度減少,避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。高錳鋼是本質(zhì)粗晶粒鋼,本論文研究的含硼超高錳鋼是在高錳鋼基礎(chǔ)上進一步提高錳、碳含量,并加入硼、鉻合金元素和稀土元素得到的。當(dāng)鋼中硼含量小于0.005%時有細化組織的作用。硼數(shù)量過多時