高碳高锰钢450℃时效处理后的拉伸断裂行为

管现军，冯锐，丁志敏

(1.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028；2.中车大同电力机车有限公司技术中心，山西 大同 037038)*

高碳高锰钢450℃时效处理后的拉伸断裂行为

管现军1，冯锐2，丁志敏1

(1.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028；2.中车大同电力机车有限公司技术中心，山西 大同 037038)*

采用金相分析、拉伸实验以及断口形貌观察等分析手段研究了100Mn13高碳高锰钢450℃时效处理后的组织、拉伸性能、断口形貌特征及其裂纹形核与扩展过程.结果表明：高碳高锰钢水韧处理及450℃时效处理后的金相组织为奥氏体基体上存在有少量沿晶界呈不连续分布的碳化物.具有这样组织的高碳高锰钢仍具有优越的塑性和高的抗拉强度，其断裂后的抗拉强度和延伸率可分别达到981 MPa和70%.拉伸断裂后的高碳高锰钢组织中出现了大量的孪晶，而且裂纹在孪晶界处以及晶界上的碳化物处形核，并沿晶界和孪晶界长大，相邻裂纹相互连接、扩展，直至断裂.拉伸断口微观形貌为石断状，其断裂面上存在有大量的韧窝.

高碳高锰钢；450℃时效处理；晶间碳化物；断裂行为

0 引言

高碳高锰钢作为一种优异的耐磨材料，其研究和应用已有上百年的历史[1].由于在高冲击载荷或高接触应力下，高碳高锰钢具有高耐磨性、高韧性和高加工硬化性，而被广泛应用于铁路、采矿、建材等行业[2].

虽然高碳高锰钢在高冲击工况下拥有不可替代的地位，但其弱点也不容忽视.高碳高锰钢的应用，因未变形和变形初期的硬度低、耐磨性能差，而受到一定的影响[3].所以，人们往往采取非常经济的时效处理来提高其初始硬度及耐磨性[4-6].根据文献[7-11]报道，高锰钢经水韧+450℃时效处理后，得到了较佳的强度和塑性配合，提高了其初始硬度和耐磨性，表现出了较好的综合性能，且450℃时效后的组织为奥氏体+少量碳化物组织.高碳高锰钢的这种组织之所以具有较好的综合性能是与其变形及断裂行为有关.关于高碳高锰钢时效后的变形及断裂行为，仅仅文献[12]研究了奥氏体基体上存在有珠光体组织时的变形和断裂行为，且作者认为珠光体组织是造成高锰钢脆性断裂的原因.而关于450℃时效处理后高碳高锰钢的变形及断裂行为的研究，目前还鲜有报道.

鉴于此，本文通过研究水韧处理后经450℃时效处理后高碳高锰钢的原始组织，以及拉伸断裂后的断口形貌、断口剖面组织及其裂纹的形核与扩展形态，来探究该状态下高碳高锰钢的拉伸及断裂行为.

1 实验材料及方法

本实验所采用材料为100Mn13高碳高锰钢，其化学成分如表1所示.材料在熔炼、浇铸和锻造之后采用电火花线切割机加工成Φ30 mm的圆棒，并利用SX-4-10箱式电阻炉对其进行水韧+450℃时效处理.最后将处理后的实验材料加工成5倍Φ20 mm的标准圆柱拉伸试样.

拉伸实验在WEW-600型万能试验机上进行.然后，利用SUPRA55型扫描电子显微镜对断口形貌进行分析.并将断后试样制成剖面金相试样，磨光、抛光和腐蚀之后进行金相分析和SEM分析.

表1 实验用高碳高锰钢化学成分 %

2 实验结果与分析

2.1 水韧+450℃时效处理后的显微组织及拉伸性能

图1为100Mn13高碳高锰钢经水韧+450℃时效处理后得到的金相组织.由图1可以看出，经450℃时效处理之后的高锰钢组织中含有少量碳化物.碳化物不连续的分布在奥氏体晶界上.

图1 时效处理后高碳高锰钢的金相组织

图2和表2分别为100Mn13高碳高锰钢经水韧+450℃时效处理后的拉伸应力-应变曲线图及其时效组织与水韧组织拉伸性能.由图2和表2可以看出，含有少量碳化物的高锰钢在拉伸过程中呈现出了几乎不低于水韧组织的塑性变形能力，其延伸率达到70%.而且450℃时效处理后的高锰钢仍保持有较高的强度，其屈服强度和抗拉强度分别为374 MPa和981 MPa.此外，从拉伸曲线后半段M处的放大图可以看到，在拉伸曲线上出现了锯齿状形态，这一结果与文献[12-14]中的报道有类似之处，且文献中作者认为该现象是由孪生变形引起的.

图2 高碳高锰钢的拉伸应力-应变曲线

拉伸性能抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后延伸率/%断面收缩率/%均匀收缩率/%时效组织98137470.0742.4738.02水韧组织97235972.8046.5338.93

2.2 高碳高锰钢拉伸断裂后的断口形貌

图3为水韧+450℃时效处理后100Mn13高碳高锰钢的拉伸断口形貌.从图3(a)可以看出，水韧+450℃时效处理后的高碳高锰钢拉伸断口呈现出“石断状”形貌，这与沿晶断裂的冰糖状形貌相像.进一步对其断裂面进行放大观察可以得到如图3(b)所示的断口形貌，即在石断面上布满了大量深度较浅的韧窝.上述断口形貌说明高碳高锰钢经水韧+450℃时效处理后的断裂方式为沿着晶界和孪晶界扩展的微孔聚集型断裂.

(a) 拉伸断口显微形貌

(b)局部放大

2.3 高碳高锰钢断口剖面组织及裂纹的形核与扩展

图4为100Mn13高碳高锰钢断口剖面金相组织及其裂纹的形核与扩展情况.由图4(a)可以看出，在断裂后的高碳高锰钢剖面组织中出现了大量的孪晶，且部分晶粒中还出现了二次孪晶,如图4 (a)中A处所示.

图4 高碳高锰钢断口剖面金相组织及裂纹形核和扩展

由图4(b)中可以看出，高碳高锰钢中的裂纹主要在晶界(图(b)中B处所示)、三叉晶界(图(b)中C处所示)和孪晶界处(图(b)中D处所示)形核，且裂纹主要沿晶界扩展.此外，在沿晶界扩展的大裂纹附近，存在沿晶界(图(b)中C处所示)和沿孪晶界(图(b)中E处所示)扩展的次生裂纹，这些次生裂纹有向大裂纹扩展并与之相连的趋势.在扫描电镜下进一步对100Mn13高碳高锰钢裂纹的形核与扩展情况进行观察，结果如图5所示.

图5 高碳高锰钢裂纹形核及扩展扫描照片

在图5(a)中可以明显看出裂纹在晶界上不同的碳化物处形核，并有沿晶界扩展的趋势.在图5(b)中可以看出，裂纹在孪晶界上形核(图5(b)中A、B处所示)，而且在孪晶界上形成的微孔主要集中在大裂纹附近的次生裂纹前端(图5(b)中A、B、C、D等处)，且相邻微孔之间有彼此相连的趋势(图5(b)中C、D处所示).

3 讨论

在2.1节中可以看出，100Mn13高碳高锰钢水韧+450℃时效处理后，在其奥氏体晶界上存在有少量呈不连续分布的碳化物，而得到奥氏体+碳化物组织，具有该组织的高碳高锰钢在拉伸过程中表现出了优越的塑性和较高的抗拉强度.

在拉伸过程中，由于奥氏体高锰钢的稳定性高、层错能低[15]，其在塑性变形过程中不会产生新相，而会发生大量的孪生变形，从而导致高锰钢断口剖面金相组织中出现大量相互平行或交叉的孪晶(如图4(a)中所示)，并表现出了优异的塑形变形能力.当孪生变形进行到一定程度后，裂纹将在孪晶界上及晶界上的碳化物处形核(如图5所示).裂纹形核后，随着塑性变形的不断进行，微孔独立长大.微孔的长大造成微孔间的应力集中.对于晶粒内部，待应力增大到孪晶界上的原子间作用力大小时，微孔间的孪晶界将会被撕裂，造成裂纹的扩展.对于晶界上碳化物间的奥氏体，随着应力的增加将不断发生塑性形变，待奥氏体塑性耗竭后，奥氏体沿晶界撕裂，造成裂纹扩展.综上，100Mn13高碳高锰钢经水韧+450℃时效处理后的断裂方式为沿晶界和孪晶界扩展的微孔聚集型断裂.

高锰钢在拉伸断裂的过程中，呈不连续分布的碳化物对其塑性变形阶段影响甚微，这保证了100Mn13高碳高锰钢水韧+450℃时效处理后的优良塑性.同时，塑性变形到一定程度后，裂纹在晶界上的碳化物处形核，并沿晶界迅速扩展，造成了断裂面上具有较浅韧窝的“石断状”形貌(如图3所示).

4 结论

(1) 高碳高锰钢水韧处理及450℃时效处理后的金相组织为奥氏体基体上存在有少量沿晶界呈不连续分布的碳化物.其断裂后的延伸率和抗拉强度可分别达到70%和981 MPa；

(2) 拉伸断裂后的高碳高锰钢中出现了大量的孪晶，而且裂纹在孪晶界处和晶界上的碳化物处形核，并沿晶界和孪晶界长大，相邻裂纹相互连接、扩展;

(3) 高碳高锰钢拉伸断口呈“石断状”形貌，断裂面上存在有大量的韧窝，断裂方式为沿晶界和孪晶界扩展的微孔聚集型断裂.

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Study of Tensile and Fracture Behavior of High Carbon High Manganese Steel Treated by Water Toughening and Aging at 450℃

GUAN Xianjun1，FENG Rui2，DING Zhimin1

(1.School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2.Datong Electric Locomotive Company Technology Center, Datong 037038, China)

The microstructure, tensile property, the characteristic of fracture morphology and the process of nucleation and expansion of cracks were studied by metallography analysis，tensile test and fracture morphology analysis. The test result show that the microstructure of the high carbon and high manganese steel treated by aging at 450℃ is consisted of a few discontinuous carbides existing on the austenitic grain boundary. The high carbon and high manganese steel with the microstructure behaves superior plasticity and high tensile strength. Its tensile strength and elongation can reach 981 MPa and 70% respectively. Deformation twins are formed in fractured mafrix of the high carbon and high manganese steel, and fracture nucleation happens on the twin boundary and on the carbides on grain boundary. Cracks grow up along the twin boundary and grain boundary, and the fracture spreads by adjacent cracks attaching to each other, resulted in fracture. Fracture morphology of the high carbon and high manganese steel is fractured stone like, and many dimples exist on the fracture surface.

hadfield steel; 450℃ aging treatment; intercellular carbides; fracture behavior

1673- 9590(2017)02- 0067- 04

2016-03-15 基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2012G011-D)；大连市科技计划资助项目(2013A16GX1191)

管现军(1989-)，男，硕士研究生； 丁志敏 ( 1962-) ，男，教授，博士，主要从事材料表面改性与金属材料强韧化的理论及其工艺的研究

A

E- mail:dingzm@djtu.edu.cn.