【钢管内抛机】高锰钢在喷丸条件下的应变硬化

【钢管内抛机】高锰钢作为一种传统的耐磨材料,在重载、大冲击磨损条件下,韧性高、耐磨性好,广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电子、煤炭等机械装备中,如破碎机锤头、齿板、轧臼壁、挖掘机斗齿、球磨机衬板、铁路辙叉等。关于高锰钢的应变硬化,前人提出过多种应变硬化机理。变形引起!或"马氏体转变[1]、孪晶硬化[2]位错硬化[3～4]应变时效[5]等。这些结果是在拉伸或小能量冲击条件下得到的。此外,文献[6～8]作者发现,在冲击磨损条件下,高锰钢表面能够形成纳米晶及非晶。

本文旨在前人的研究基础上,观察高锰钢在喷丸条件下的变形过程,探讨其应变硬化机理。

1、【钢管内抛机】实验方法

试验采用的高锰钢在150kg中频感应电炉内熔炼,在达到一定的液态过热温度后出炉,浇注成Keel试块。化学成分(wt%)为:1.15C、12.5Mn、0.90Si、0.05S、0.09P,其余为Fe及少量其它残存元素。试样经1050℃加热保温2h,水淬后获得单相奥氏体组织,晶粒尺寸大约100～200μm。喷丸样品尺寸为40mm×75mm,采用气动式S170R喷丸机进行喷丸处理,喷丸工艺的主要参数为:空气压力0.18MPa、直径0.2mm的铸钢30球型弹丸、喷射角85°、喷射距离130mm、弹丸流量7kg/min、喷丸处理时间60min。

利用JEM-200CX透射电镜(TEM)和JEM-3010型高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观测样品喷丸表层的微观组织。用MH-5显微硬度测量仪测试样品的显微硬度,施加的载荷为0.49N,加载时间为10s。

2、【钢管内抛机】实验结果及讨论

为喷丸样品橫截面光学显微组织照片。表面以下约 30 μm 的深度范围内, 变形的滑移线非常明显, 说明已发生了严重的塑性变形。

为喷丸样品的硬度沿厚度方向变化测量结果, 可以看出, 喷丸处理后样品表面的硬度明显增大, 并随着深度的增加而逐渐减小, 与显微组织未发生变化的基体相比, 样品表面硬度提高一倍以上。

在外加载荷的作用下, 在距离表面大约 200 μm 处的奥氏体粗晶内首先产生大量的位错, 且位错分布局部不均匀。 由于应变和应变速率的进一步增加, 不同孪晶系相互交割将晶粒分割成亚 μm 至 μm级的小块。在极高的应变及应变速率条件下, 等轴状纳米晶已形成。晶粒尺寸细化至 3～8 nm, 晶粒的大小非常均匀。SAED 表明纳米晶粒之间为大角度晶界。且SEAD的衍射环来自奥氏体相,表明喷丸处理过程中没有发生马氏体转变。

在临近无应变基体的过渡层(层深200μm) , 较少的应变量, 首先导致了位错的增殖和滑移。除了位错滑移, 机械孪生是另一种塑性变形方式。随着应变和应变速率的增加位错密度不断增加, 当位错滑移及交滑移受阻, 特别是当晶体相对于外力的取向不利于滑移时, 则产生应力集中, 当应力集中达到发生孪生变形的临界剪切应力时, 将通过 Shockley 不全位错( 1/6<112>) 运动形成机械孪晶[9]高锰钢在应变和应变速率稍大的表面附近, 也存在孪生变形( 见图 5) 。 喷丸样品没有发现马氏体产生。因此可以确定样品硬度显著提高主要是由于表层晶粒细化、位错密度的增加及孪晶。

3、【钢管内抛机】结论

( 1) 利用传统喷丸处理工艺可以在高锰钢上获得一定厚度的纳米晶结构表层。由表面到约20μm深度形成纳纳米晶。

( 2) 奥氏体粗晶内部通过位错增殖、湮灭和重组, 位错缠结逐渐向位错胞过渡。晶粒在位错运动和机械孪生的重复作用下, 最终形成等轴状、取向呈随机分布的纳米晶组织。

( 3) 喷丸处理高锰钢表层明显强化。 随层深的减小硬度急剧增加。样品表层的加工硬化主要是由于晶粒细化、位错硬化和孪晶硬化, 而与相变硬化无关。