含硼超高锰钢的低温性能

含硼超高锰钢的低温性能

经过处理后，高锰钢被组织成一个单一的聚合物。它具有高冲击强度的特点。一般来说，脆弱性很少。所以,被广泛应用于承受冲击较大的零部件上。如履带板、鄂式破碎机、挖掘机的斗齿、矿车联结环等。但在生产过程中发现,寒冷地区经常发生高锰钢部件脆性断裂现象。如内蒙古寒冷地区的露天矿挖掘机的斗齿、履带板中有近20%是因脆性断裂造成失效的。阜新和抚顺露天矿中失效的挖掘机履带板中有40%是因脆性断裂所致,斗齿也有部分因脆性断裂而失效。而我国严寒地区漠河的最低温度达-53.2℃。为了解决高锰钢的低温脆断现象,有人曾在ZGMn13中加入3.56%的Ni,可大大提高其低温条件下的抗脆性破坏能力,但镍资源稀少价格昂贵,目前市场价格为26.5万/t,上述成分使高锰钢成本提高1倍以上,因而影响其在实际生产中的应用。有文献报道将Mn含量提高到16%~19%,不只使强度塑性提高,还可以提高低温下在变形的条件下抗脆性破坏的能力。作者在含硼超高锰钢中加入B、Cr、稀土等合金元素后,超高锰钢的组织和力学性能发生了改善、耐磨性能得到较大的提高,在严寒条件下使用效果如何,还没有人对此进行过研究。本文主要研究其低温韧性、找出韧-脆转变温度,以确定材料的适用范围。1试验材料和试验方法1.1sis含硼超高锰钢的化学成分为(质量分数,%):1.4C,0.34Si,17.86Mn,0.064P,0.042S,0.003B,1.00Cr。试验设备采用JB-301摆锤式冲击试验机和SSX-550型扫描电子显微镜。1.2温度范围试验根据《金属机械性能实验方法》,采用夏比U型缺口冲击标准试样,尺寸为10mm×10mm×55mm,在中部开有2mm深U型缺口。试验的温度范围是20~-80℃,每档温度用三个试样进行测试。0~-70℃的试样用干冰+酒精进行冷却,-80℃的试样用液氮+酒精进行冷却。由于试样从介质中取出放到冲击试验机上有时间间隔,为了保证冲击试验时试样的温度为预定温度,采取了缩短时间和补偿温度的方法。即将试样冷却到较试验温度低2~4℃并保持10min,然后用和试样温度相同的夹钳将试样取出,迅速在试样支架上放好。从试样取出到将它在试验机上冲断所用的时间不应超过5s。2高锰钢性能阶段连续冲击所得结果见表1和图1。由图1可见,在20~-80℃的范围内出现了两次冲击韧性突降。第一次出现在0℃,此时韧性虽然有所降低,但仍然为159.7J/cm2,完全满足国家标准中规定的高锰钢使用标准。在0~-70℃的范围内,冲击韧性逐渐降低,趋势比较平缓,在-70℃时韧性值仍为104.7J/cm2,直到-80℃时出现第二次突降,降低到70.9J/cm2,为常温时的36%。3试验结果的分析3.1试验试件断口形貌和试验结果的比较,见表1评定金属材料的韧脆转变温度,GB/T229—1994标准规定了三种测定韧脆转变温度的方法,FATT50方法是一种常用的试验方法。按GB/T229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法》中规定的断口形貌以脆性断面率为50%所对应的温度记为FATT50。试样宏观断口形貌如图2所示。由图2看出,随着试验温度的降低,试样侧面膨胀量逐渐减少,断口上放射区所占百分比逐渐增大,说明韧性越来越差,这和试验数据相符。20℃时试样的韧性最好,侧面膨胀量最大,断口上几乎都为纤维断口;-20℃试样膨胀量比-40℃时稍大,但是断口上纤维断口和放射区断口比例分配差别很小;-60℃和-70℃断口形貌差别不大,-70℃时断口放射区为50%,即脆性断面率为50%;-80℃时试样断口的侧面膨胀量较小,并且中心晶状区所占比例较大,远超过50%。所以按着GB/T229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法》中的规定,确定含硼超高锰钢的韧脆转变温度为-70℃左右。这也符合文献中所描述的“一般认为αK值降到常温时数值的一半的温度,是脆性转变温度”。将低温冲击后的试样经酒精浸泡后迅速吹干,在扫描电镜上对断口形貌进行观察,如图3所示。从微观断口形貌可以看出,随着温度的降低断口形貌特征发生了很大的变化。0℃和40℃时较深、较大韧窝之间布满小韧窝,说明材料的塑性变形能力大,在断裂前经历了较大的塑性变形,断口还是完全韧性断裂特征。韧断机制是微孔聚合。韧窝是微孔长大的结果,韧窝内大多包含着一个夹杂物或第二相,这证明微孔多萌生于夹杂物和第二相与基体的界面上。随着温度的降低,准解理断口比例逐渐增多,韧窝数量减少,-80℃时有较少的撕裂韧窝,准解理断口有明显的撕裂棱,有放射状花样,并且起源于孔洞,有河流花样但是较短不连续,此时接近解理断裂。3.2冲击韧性随文献含量的变化钢中化学成分C、Mn、Si是主要影响低温脆性转变温度的因素,碳含量在0.8%~1.15%的范围内影响很小,大于1.15%以后冲击韧性明显降低。碳含量每增加0.1%,常温下αK值降低39.23~41.19J/cm2。这也相当于温度降低15~20℃时冲击韧性的降低值。随着锰含量的增加,冲击韧性提高,这主要与锰能够增加晶间结合力有关。在低温时随着锰含量的增加,冲击韧性提高更快。硅对韧性有不良影响,钢中硅含量控制在较低的水平,这对韧脆转变温度的降低有一定的作用。磷含量增加使脆性转变温度明显升高,每增加0.01%则可使低温脆性转变温度提高约7℃,因此磷是极为有害的元素,应严格控制。硫含量控制在非常低的水平,最大限度的消除了它对韧性的不良影响。常温时随铬含量的增加冲击韧性有降低的趋势,随着温度的降低铬含量对冲击韧性影响不大。当硼含量小于0.005%时有细化组织的作用,因而提高韧性;硼含量达到0.005%时,出现含硼化铁的脆性共晶组织,使高锰钢受力时沿晶界破坏,因此使钢的冲击韧性降低,韧-脆转变温度升高。3.3金相组织和微量元素金相组织的晶粒大小对低温脆性转变温度有一定的影响,晶粒尺寸减小,能提高冲击韧性值,并降低低温脆性转变温度。图4a、图4b是高锰钢(1.09%C,13.03%Mn,0.455%Si,0.012%P,0.004%S)和含硼超高锰钢的金相组织。晶粒细化时,晶界增多,而晶界能够阻碍裂纹扩展;晶界前塞积的位错数减少,有利于降低应力集中;晶界总面积增加,则晶界上杂质浓度减少,避免产生沿晶脆性断裂。高锰钢是本质粗晶粒钢,本论文研究的含硼超高锰钢是在高锰钢基础上进一步提高锰、碳含量,并加入硼、铬合金元素和稀土元素得到的。当钢中硼含量小于0.005%时有细化组织的作用。硼数量过多时