高能量冲击接触载荷下高锰钢磨损机理的研究

作者：信息来源:模具 2008-5-16

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摘要：位错、孪晶、微晶和非晶态组织是高能冲击接触载荷下高锰钢变形的主要组织形态，高密度变形条带相互交叉、阻滞或截割，使奥氏体组织严重细化为微晶甚至是纳米晶，同时发生严重的点阵畸变，使晶体的自由能升高，晶体变成非晶态。微晶与非晶态的产生是高能量冲击载荷下...

摘　要：位错、孪晶、微晶和非晶态组织高能冲击接触载荷下高锰钢变形的主要组织形态，高密度变形条带相互交叉、阻滞或截割，使奥氏体组织严重细化为微晶甚至是纳米晶，同时发生严重的点阵畸变，使晶体的自由能升高，晶体变成非晶态；微晶与非晶态的产生是高能量冲击载荷下，高锰钢加工硬化的一种机制；微晶和非晶的产生及其镶嵌分布是高锰钢在高能冲击接触载荷下具有较高综合机械性能、优越耐磨性的一个很重要的原因。
关键词：高能冲击载荷；高锰钢；磨损机理；微晶；非晶态
中图分类号：TG113.1；TG115.5　文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2000)01-0010-03

Mechanisms of Hadfield Manganese Steel under High Energy Impact

XU Yun-hua
（State Key Laboratory of Material Strength, Xi'an Jiaotong Unirersity;）
（Institute of wear Resistance Material，Xi'an University of Architecture & Technology）
YUAN Shan-liang　LUO Qin-ye
ZHU Jin-hua
（State Key Laboratory of Material Strength, Xi'an Jiaotong Unirersity;）

Abstract：Dislocation,twin,nano-sized grain and amorphous phrase are main morphologies of worn surface of hadfield manganese steel because of deformation under high energy impact;Intersecting,blocking,cutting each other of deformation bands with high density cause serious fragment of grain which become nano-sized grain and distortion of lattice which raises the free energy of crystal beyond that of the amorphous phase,so that crystal becomes the amorphous phase eventually.Coming into being of nano-sized grain and the amorphous phase is one kind of mechanism of work hardening of hadfield manganese steel and an important reason for superior comprehensive mechanical properties and superior wear resistant under high energy impact contact load.
Key words：hgh energy impact; hadfield manganese steel; mechanism of wear resistant; nano-sized grain;amorphous phase▲

1　引言

　　高锰钢具有优越耐磨性与其具有高加工硬化速率有关。加工硬化机制60年代以前普遍流行的观点是变形引起ε或α马氏体转变^［1～3］，早已为实验所否定，此后提出较为合理的机制有：孪晶硬化^［4～6］、位错硬化^［7］、层错硬化^［8］、动态应变时效^［9］、位错+ 层错+孪晶+ε马氏体^［10］、位错+层错+ε马氏体+α马氏体^［11］、位错+层错+孪晶+弥散析出的微细碳化物颗粒^［12］、孪晶+Mn-C原子对造成的强烈不对称畸变^［13］、Fe-Mn-C原子团偏聚区阻滞滑移系启动和阻碍位错运动^［14］。以上试验结果都是在拉伸或小能量冲击条件下得出的，高能量冲击接触载荷下，高锰钢的抗磨机理可能会发生变化。本文对高锰钢在不同能量冲击接触载荷下的磨损规律和机理进行探讨。

2　试验方法

　　采用的高锰钢系在真空冶炼炉中冶炼，其化学成分w(%)为：1.13C，13.12Mn,0.9Si,0.001S，0.005P，所有试样在盐炉中固溶处理(1050℃×20 min 水淬)。
　　冲击磨损试验在JD-125磨损试验机上进行。上试样为GCr15，下试样为高锰钢。冲击能量分别为4.1J、6J和8.2J。上下试样的冲击接触角α为90°。试样结构及试验原理见文献［15］中的图1。冲击磨损失重为冲击100万次后的失重。
　　表层组织形貌观察用JEM-200CX和JEM-2010CX透射电镜，加速电压为200 kV，透射试样采用单面减薄方法处理。

3　试验结果与讨论

3.1　磨损规律
　　图1为高锰钢的耐磨性随冲击能量变化的曲线。可见，随冲击能量的增加高锰钢的耐磨性大幅提高，无论是以往的试验研究^［16］还是实际应用都证实了这一点。

图1　冲击能量对高锰钢磨损失重的影响

3.2　亚结构与磨损机制
　　冲击接触载荷下，高锰钢具有优越耐磨性与其产生的亚结构和高加工硬化率有关。
　　相变学说认为高锰钢奥氏体中存在富C-Mn区和贫C-Mn区，贫C-Mn区相变阻力较小，易发生马氏体相变^［14］；大压缩变形量条件下(＞35%)，有形变诱发马氏体形成，但其量很少^［17］，所以形变诱发马氏体相变并非高锰钢加工硬化的主要原因；孪晶硬化学说解释不了在不同的温度区间，孪晶数量与流变应力不存在一一对应关系^［10］；位错强化理论解释不了高锰钢的加工硬化能力远高于奥氏体不锈钢的现象；动态应变时效机制只能解释室温至225℃温度范围内的加工硬化情况^［13］；复合硬化说也是合理的，但并没有明确各种不同因数的主次关系^{［11，12］}，现代检测手段结合价电子理论分析表明，由强键络相联结的Fe-M-C原子团偏聚区散乱地分布于奥氏体中，有效地阻滞滑移系的启动和阻碍位错的运动^{［18，19］}，使高锰钢具有高的加工硬化能力，可获得高的磨面硬度，从而使切削和变形磨损量减少；-C-Mn-C-Mn-强键络使相变时晶格重构的阻力剧增，奥氏体具有极高的稳定性，高锰钢很难发生α-马氏体转变；断裂时要破坏当量C-Mn键，需要吸收较大的能量，宏观上表现为高的韧性。用该理论可解释高锰钢的一系列组织和性能特点^［14］，但该理论并没有解释能量足够大时，大量的-C-Mn-键络破坏后的组织形态及其性能特点。
　　本试验研究中，当冲击能量较小时(≤6J)，高锰钢的组织形态为高密度位错和孪晶条带，只是随着冲击能量的增加，位错密度和孪晶密度增加，高锰钢具有高耐磨性的主要原因仍然是-C-Mn-C-强键络导致高的加工硬化能力和高的表面硬度。
　　高能(8.2J)冲击下高锰钢冲击表面出现微晶组织A和非晶态组织B(图2a)。微晶组织很细小，尺寸为纳米级。采用束斑为纳米级的高分辩透射电镜对微晶作衍射(如图2b)，对衍射斑点标定得出该微晶组织仍然是奥氏体组织，并未发生马氏体转变。采用束斑纳米级的高分辨透射电镜对微晶之外区域作衍射，其衍射斑点出现荤花斑点(如图2c)。宽化的德拜环是由非晶散射产生的，由此可判定非晶的存在。冲击能量＜4.1J时，磨损表面亚结构除了高密度位错和孪晶外，未发现明显的非显和微晶的存在。

图2　冲击磨损表面亚结构

　　非晶态金属本身具有很高的强度、硬度和刚度，也有很好的塑韧性^［20］，同时高能量冲击载荷下，高锰钢磨损表面出现的微晶和非晶组织分布属于嵌套结构(图3中的A和B)——高韧性的奥氏体微晶A与高强度、高硬度的非晶B组织镶嵌分布，使高锰钢在高能冲击载荷下保持较高的综合力学性能，这可能是高锰钢在大能量冲击下仍具有优越耐磨性的主要原因。

图3　微晶A和非晶B的镶嵌分布

3.3　微晶、非晶态产生机制
　　在冲击载荷的作用下，磨损表层中局部受力较大，不但能导致多个滑移系开动，而且能使变形带尽快产生，高密度变形条带相互交叉、阻滞或截割，使奥氏体组织严重细化为微晶甚至纳米晶，同时发生严重的点阵畸变，使晶体的自由能升高。如果冲击能量很大，储能足够高，使晶体的自由能高于非晶体的自由能，就可能导致晶体失稳转变成非晶态^{［21，22］}。
　　Jang和Koch在金属化合物Ni₃Al的晶粒细化到2 nm时，在这些纳米级晶体附近发现非晶体结构存在^［21］。Veprek^［23］等在化学气相沉积的Si薄膜中发现，当Si的晶粒尺寸减小到临界值(3 nm)时就会发生非晶态转变。周尧和^［24］在贝氏体钢的冲击磨损试验过程中也发现了非晶态组织，非晶态组织和超细胞状晶粒相连接。Veprek和Jang 均认为，储存于纳米晶界的过剩自由能是晶态向非晶态转变的驱动力。由此可见，储存在晶界的过剩自由能是驱动高锰钢非晶态的重要因素。根据这些理论必须了解高锰钢正常晶粒与非晶态之间的自由能差的数值，这意味着晶体中的过剩储存能量只有超过这一数值，才能使高锰钢晶粒失稳变为非晶态。但到目前为止，尚无法精确测定晶界能的数值，只能粗略估计。
　　此外在冲击过程中，高锰钢晶体的程有序结构遭到破坏，晶格发生严重畸变，化学键发生改变，这是导致晶体自由能升高的另一个原因。Oehring^［22］等发现，Ti-Al金属间化合物在高能球磨过程中，化学无序化致使自由能升高，导致Ti-Al化合物失稳。另外，单斜晶相的Ta203在振动球磨中形成了非晶态，其储能与结构畸变及有序程度下降有关^［25］。
　　由此可见，虽然高锰钢在高能冲击下的微晶和非晶的结构、性能与形成机理有待于探讨，但微晶和非晶的出现可能是高能冲击载荷下高锰钢加工硬化的一种机制，是其耐磨性提高的很重要的一个原因。

4　结论

　　(1)高能冲击接触载荷下，高锰钢主要组织形态除了高密度的位错和孪晶外还出现微晶和非晶态。
　　(2)高密度变形条带相互交叉、阻滞或截割，使奥氏体组织严重细化为微晶甚至是纳米晶，同时发生严重的点阵畸变，使晶体的自由能升高，导致晶体失稳，转变成非晶态。
　　(3)除孪晶硬化、动态应变时效和Fe-Mn-C原子团偏聚机制外，微晶与非晶态是高能量冲击载荷下高锰钢加工硬化的一个很重要的机制。
　　(4)非晶和微晶的产生及其镶嵌分布是高锰钢在高能冲击载荷下具有较高综合力学性能和优越耐磨性的另一个重要因数。

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