【鋼管內(nèi)拋機(jī)】高錳鋼作為一種傳統(tǒng)的耐磨材料,在重載、大沖擊磨損條件下,韌性高、耐磨性好,廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電子、煤炭等機(jī)械裝備中,如破碎機(jī)錘頭、齒板、軋臼壁、挖掘機(jī)斗齒、球磨機(jī)襯板、鐵路轍叉等。關(guān)于高錳鋼的應(yīng)變硬化,前人提出過(guò)多種應(yīng)變硬化機(jī)理。變形引起!或"馬氏體轉(zhuǎn)變[1]、孿晶硬化[2]位錯(cuò)硬化[3～4]應(yīng)變時(shí)效[5]等。這些結(jié)果是在拉伸或小能量沖擊條件下得到的。此外,文獻(xiàn)[6～8]作者發(fā)現(xiàn),在沖擊磨損條件下,高錳鋼表面能夠形成納米晶及非晶。

本文旨在前人的研究基礎(chǔ)上,觀察高錳鋼在噴丸條件下的變形過(guò)程,探討其應(yīng)變硬化機(jī)理。

1、【鋼管內(nèi)拋機(jī)】實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的高錳鋼在150kg中頻感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉,在達(dá)到一定的液態(tài)過(guò)熱溫度后出爐,澆注成Keel試塊?；瘜W(xué)成分(wt%)為:1.15C、12.5Mn、0.90Si、0.05S、0.09P,其余為Fe及少量其它殘存元素。試樣經(jīng)1050℃加熱保溫2h,水淬后獲得單相奧氏體組織,晶粒尺寸大約100～200μm。噴丸樣品尺寸為40mm×75mm,采用氣動(dòng)式S170R噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理,噴丸工藝的主要參數(shù)為:空氣壓力0.18MPa、直徑0.2mm的鑄鋼30球型彈丸、噴射角85°、噴射距離130mm、彈丸流量7kg/min、噴丸處理時(shí)間60min。

利用JEM-200CX透射電鏡(TEM)和JEM-3010型高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀測(cè)樣品噴丸表層的微觀組織。用MH-5顯微硬度測(cè)量?jī)x測(cè)試樣品的顯微硬度,施加的載荷為0.49N,加載時(shí)間為10s。

2、【鋼管內(nèi)拋機(jī)】實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

為噴丸樣品橫截面光學(xué)顯微組織照片。表面以下約 30 μm 的深度范圍內(nèi), 變形的滑移線非常明顯, 說(shuō)明已發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形。

為噴丸樣品的硬度沿厚度方向變化測(cè)量結(jié)果, 可以看出, 噴丸處理后樣品表面的硬度明顯增大, 并隨著深度的增加而逐漸減小, 與顯微組織未發(fā)生變化的基體相比, 樣品表面硬度提高一倍以上。

在外加載荷的作用下, 在距離表面大約 200 μm 處的奧氏體粗晶內(nèi)首先產(chǎn)生大量的位錯(cuò), 且位錯(cuò)分布局部不均勻。 由于應(yīng)變和應(yīng)變速率的進(jìn)一步增加, 不同孿晶系相互交割將晶粒分割成亞 μm 至 μm級(jí)的小塊。在極高的應(yīng)變及應(yīng)變速率條件下, 等軸狀納米晶已形成。晶粒尺寸細(xì)化至 3～8 nm, 晶粒的大小非常均勻。SAED 表明納米晶粒之間為大角度晶界。且SEAD的衍射環(huán)來(lái)自?shī)W氏體相,表明噴丸處理過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。

在臨近無(wú)應(yīng)變基體的過(guò)渡層(層深200μm) , 較少的應(yīng)變量, 首先導(dǎo)致了位錯(cuò)的增殖和滑移。除了位錯(cuò)滑移, 機(jī)械孿生是另一種塑性變形方式。隨著應(yīng)變和應(yīng)變速率的增加位錯(cuò)密度不斷增加, 當(dāng)位錯(cuò)滑移及交滑移受阻, 特別是當(dāng)晶體相對(duì)于外力的取向不利于滑移時(shí), 則產(chǎn)生應(yīng)力集中, 當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到發(fā)生孿生變形的臨界剪切應(yīng)力時(shí), 將通過(guò) Shockley 不全位錯(cuò)( 1/6<112>) 運(yùn)動(dòng)形成機(jī)械孿晶[9]高錳鋼在應(yīng)變和應(yīng)變速率稍大的表面附近, 也存在孿生變形( 見(jiàn)圖 5) 。 噴丸樣品沒(méi)有發(fā)現(xiàn)馬氏體產(chǎn)生。因此可以確定樣品硬度顯著提高主要是由于表層晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度的增加及孿晶。

3、【鋼管內(nèi)拋機(jī)】結(jié)論

( 1) 利用傳統(tǒng)噴丸處理工藝可以在高錳鋼上獲得一定厚度的納米晶結(jié)構(gòu)表層。由表面到約20μm深度形成納納米晶。

( 2) 奧氏體粗晶內(nèi)部通過(guò)位錯(cuò)增殖、湮滅和重組, 位錯(cuò)纏結(jié)逐漸向位錯(cuò)胞過(guò)渡。晶粒在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械孿生的重復(fù)作用下, 最終形成等軸狀、取向呈隨機(jī)分布的納米晶組織。

( 3) 噴丸處理高錳鋼表層明顯強(qiáng)化。 隨層深的減小硬度急劇增加。樣品表層的加工硬化主要是由于晶粒細(xì)化、位錯(cuò)硬化和孿晶硬化, 而與相變硬化無(wú)關(guān)。