【正文】 對(duì)于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，給予我大力支持的實(shí)驗(yàn)王玉芬老師、任慧平老師、趙勇桃老師、孫昊老師和馮佃臣老師表示由衷的感謝。 圖 5 晶界析出的網(wǎng)狀碳化物 圖 6 晶界析出的魚(yú)針狀碳化物為進(jìn)一步判定碳化物的形態(tài)及明確碳化物的性質(zhì)，對(duì)浸蝕后的金相試樣進(jìn)行掃描分析，用 WDS 判定晶界析出物為網(wǎng)狀碳化物，晶內(nèi)的析出物為針狀碳化物。由于晶粒細(xì)化，晶界增多，加上鋼液被凈化，夾雜分布改善，使晶界夾雜物數(shù)量明顯減少，少量的細(xì)小的圓粒狀?yuàn)A雜彌散分布于奧氏體晶內(nèi)，使夾雜對(duì)沖擊韌性的危害降低到最低程度。由于 TWIP 鋼具有穩(wěn)定的奧氏體組織和低的層錯(cuò)能，因而其變形機(jī)制以孿生為主。為了均勻夾雜物控制其尺寸不超標(biāo)就要控制稀土元素的加入量及加入方式使雜質(zhì)元素不過(guò)分集中在一個(gè)晶核上，采取措施使其多處形核，彌散分布，使其不能聚集長(zhǎng)大。 稀土氧化物 稀土氧化物與疏松伴隨 圖 稀土夾雜物的形態(tài)分布及稀土夾雜物元素而分布圖鋁，鈦與稀土這些元素都在一定程度上具有脫氧，脫硫，形成氮化物和碳氮化物等作用。在經(jīng)過(guò)了水韌處理后，在高錳鋼中依然有少量碳化物沒(méi)有溶于基體。從圖 對(duì)比 1和 2可以看出隨著稀土加入量的增大，晶界碳化物數(shù)量減少，晶內(nèi)碳化物形狀為不連續(xù)的團(tuán)塊狀。、 掃 描 電 鏡 （ SEM） 觀 察掃描電子顯微鏡的二次電子一般都是在表層 5~10nm 深度范圍內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，它對(duì)樣品的比表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌，把未腐蝕的六個(gè)樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察以進(jìn)一步確定高錳鋼中的夾雜物，斷口以及試樣的表面形貌。圖 高錳鋼水韌處理示意圖、 切 割采用 DK77 系列電火花鉬絲切割機(jī)，將試樣分別切割成 10mm10mm5mm 的試樣用于做拍攝金相照片觀察顯微組織。具體成分表如下：序號(hào) C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Al Ti V稀土硅鐵加入量（kg/t）處理態(tài)1 鑄態(tài)2 3 水韌態(tài)3 鑄態(tài)4 5 水韌態(tài)5 鑄態(tài)6 7 水韌態(tài)表 高錳鋼加稀土試驗(yàn)化學(xué)成分表（ %）、 實(shí) 驗(yàn) 方 案 ： 實(shí) 驗(yàn) 準(zhǔn) 備、 實(shí) 驗(yàn) 材 料實(shí)驗(yàn)材料選用高錳鋼，由山西太鋼集團(tuán)公司提供。（2）分析比較加稀土高錳鋼的夾雜物和組織形態(tài)。水池容量為鑄件質(zhì)量的 10 倍以上。石灰：螢石：碳粉：硅鐵粉=4：1：：1，使形成弱電石渣，并關(guān)閉爐門(mén) 15min 左右，攪拌取樣分析[C],[Si],[Mn],[P]。因此，堅(jiān)硬的硬化層緊緊地連接在軟韌的奧氏體基體上，可有效地提高鑄件反復(fù)彎曲疲勞強(qiáng)度和防止沖擊負(fù)荷下剝落磨損。稀土元素在高錳鋼中有一定的固溶量，并隨殘余總量的增加，其固溶量也增加，最高可達(dá) 20%～30%。稀土元素在晶界上富集，填充了晶界空穴等缺陷，阻礙原子借晶界空穴進(jìn)行躍遷式擴(kuò)散，阻礙碳化物沿晶界長(zhǎng)大。在固溶處理時(shí)，稀土元素在晶界富集，阻礙原子擴(kuò)散和奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。常溫和低溫時(shí)使韌性降低，在強(qiáng)沖擊載荷下易開(kāi)裂。高錳鋼含硫量較低，一般都在 %以下，因稀土和硫結(jié)合力強(qiáng)。稀土元素在金屬材料中的研究和應(yīng)用已有 80 多年的歷史。在周期表中均屬?gòu)?qiáng)堿性金屬，具有幾平相同的外層電子數(shù)和很大的負(fù)電性。耐磨性錳在奧氏體中為置換固溶體，錳含量增加，加工硬化速度下降，對(duì)耐磨性不利。圖 FeMnC 三元合金相圖(含 13 %Mn) FeMnC ternary alloy diagram(including 13%manganese) (a)鑄態(tài)組織 (b)水韌組織 (c)加工硬化后組織(a)The ascast (b)Heat treatment (c)Workhardening Microstructure Microstructure Microstructure 圖 高錳鋼的顯微組織 ( The microscopic structure of high manganese steel 高 錳 鋼 的 性 能高錳鋼的物理性能高錳鋼的液相線溫度為 1400℃，固相線溫度為 1350℃,隨著高錳鋼的含碳量增加液相線溫度和固相線溫度降低。利用稀土元素對(duì)晶界和相界明顯的凈化作用，對(duì)碳化物形核過(guò)程的影響以及對(duì)析出相的改性作用，可望通過(guò)稀土元素對(duì)合金化的高錳鋼進(jìn)行變質(zhì)處理改變析出碳化物在奧氏體基體中的分布狀態(tài)和碳化物的形態(tài)，在奧氏體錳鋼基體上獲得顆粒狀的碳化物并使之均勻分布于奧氏體晶粒內(nèi)部，從而抑制由于不利的析出相分布和形態(tài)給材料韌性帶來(lái)的影響 [2326]。含 Mo 鋼經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理后，可獲得較高的屈服強(qiáng)度，且韌性不降低，當(dāng)鋼中加入 0. 5%～0. 6%的 M。此種材質(zhì)適用于軟磨料大角度沖蝕磨損條件。大致成分為:Mn 8. 0～%，～1. 20%，Cr2. 0～2. 5%，Si0. 8%。也有人通過(guò)加入 Cr，Mo，Ti 和 V等碳化物形成元素，使其產(chǎn)生綜合作用，以改變高錳鋼中碳化物彌散分布的形態(tài)，獲得以 M23C6。寒冷條件下使用的高錳鋼常出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象 [8]。用于強(qiáng)烈沖擊條件的高錳鋼鑄件，含錳量應(yīng)該高些。奧氏體耐磨高錳鋼的兩個(gè)重要特性是優(yōu)異的加工硬化能力和高的沖擊韌性，經(jīng)強(qiáng)烈沖擊變形后，其表層硬度可從 HB170230 提高到 HB500800[2]，而硬化層內(nèi)側(cè)仍保持為高韌性的奧氏體組織。稀土高錳鋼的研究摘 要：稀土高錳鋼因其高耐磨損和其他優(yōu)良性能，得到了廣泛的應(yīng)用。因而不僅具有良好的安全可靠性，而且具有較高的抗沖擊磨料磨損的能力。含錳量一定時(shí)，適當(dāng)提高含碳量可以改善耐磨性，但是含碳量超過(guò) 1. 5%時(shí)，對(duì)耐磨性的影響則不明顯 [6]。而在高溫或濕磨的條件下又面臨腐蝕磨損 [9,10]。為主的粒狀碳化物，使其彌散分布于奧氏體基體上，有效地提高耐磨性達(dá) 2 倍以上，挖掘使用表明，這種合金化的高錳鋼，不僅在高沖擊應(yīng)力下具有良好的耐磨性，而且在低應(yīng)力條件下仍很耐磨 [16]。介穩(wěn)奧氏體錳鋼在形變時(shí)形成大量孿晶，孿晶帶薄，孿晶間距小，并有 ε 馬氏體出現(xiàn) [19]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)使用證明，這種材質(zhì)的沖擊板比普通高錳鋼的使用壽命提高近一倍。時(shí)，鋼的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性提高 20%30%0 鑰能改善奧氏體沿樹(shù)枝晶發(fā)展的傾向，鋁的加入還可阻止奧氏體晶粒在熱處理時(shí)加熱和保溫過(guò)程中的長(zhǎng)大。 高 錳 鋼 的 組 織 和 性 能 高 錳 鋼 的 顯 微 組 織目前我們常用的耐磨高錳鋼為 ZGMn13 型，其化學(xué)成分大致為 C: ～ %, Mn:11～14 %, Si: ～ %, S≤ %, P≤。高錳鋼的固態(tài)密度為，它的電阻率比鐵的大將近 3 倍，鑄態(tài)高錳鋼經(jīng)水韌處理后得到單相奧氏體，無(wú)磁性，其導(dǎo)磁率為 μ=～ 。碳對(duì)高錳鋼的加工硬化性影響很大，隨著碳含量的增加，耐磨性提高。除梢和鏡以外，一般的負(fù)值電極電位都在 以上。我國(guó)自 20 世紀(jì)60 年代初開(kāi)始稀土在鋼鐵中的應(yīng)用研究,發(fā)現(xiàn)稀土在金屬材料中有凈化、夾雜物變質(zhì)、改善鑄態(tài)組織、微合金化等作用。稀土加入后能進(jìn)一步降低鋼中硫含量 20%～40%。稀土和氧親和力強(qiáng)，稀土加入對(duì)鋼液進(jìn)一步脫氧，降低鋼中含氧量，減少[MnO]夾雜在晶界的分布，改善高錳鋼的冶金質(zhì)量。因此稀土加入可明顯細(xì)化高錳鋼的奧氏體晶粒。其次，稀土加入后能減少鑄態(tài)晶界碳化物的數(shù)量，抑制碳化物在晶界形成連續(xù)網(wǎng)狀，減少并消除針片狀碳化物在晶內(nèi)出現(xiàn)。同時(shí)因稀土元素的脫氧，脫硫作用，減少了鋼中錳，硅等夾雜物的數(shù)量，增加了錳，硅再高錳鋼中的實(shí)際固溶量。 稀 土 高 錳 鋼 的 生 產(chǎn) 工 藝 要 點(diǎn) 稀 土 高 錳 鋼 的 冶 煉稀土高錳鋼在電弧爐中冶煉時(shí)往往有氧化法和不氧化法兩種工藝。(12)每隔 5～7min 加一批碳粉和硅鐵粉，保持爐內(nèi)呈還原性氣氛，并用石灰調(diào)渣；(13)還原后取渣樣分析，要求（MnO）+（FeO）≤%。通壓縮空氣以加強(qiáng)循環(huán)。（3）研究稀土元素 Ce，La 對(duì)高錳鋼顯微組織的作用規(guī)律。、 熱 處 理高錳鋼的鑄態(tài)組織中有大量碳化物，其鑄態(tài)的韌性和強(qiáng)度都較低。、 金 相 制 作 方 案選擇形狀比較規(guī)格的 10mm10mm5mm 的小試樣用金相砂紙從 120磨制到 800，使其表面光滑并基本無(wú)劃痕，然后進(jìn)行拋光、腐蝕，腐蝕劑采用 4%硝酸酒精，然后放在蔡司顯微鏡下觀察金相并拍照。、 拉 伸 沖 擊 實(shí) 驗(yàn)通過(guò)拉伸沖擊試驗(yàn)可測(cè)材料的彈性、強(qiáng)度、延性、應(yīng)變硬化和韌度等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它是材料的基本力學(xué)性能。對(duì)比 2和 3可以看出隨著稀土加入量的增大，碳化物數(shù)量急劇增多，晶界與晶內(nèi)都存在碳化物。是因?yàn)殇撝泻秀f、釩等元素，在組織中會(huì)有特殊碳化物，其溶解較困難。鈦脫氧形成 TiO2，并與 SiO2 形成復(fù)合夾雜，鋁是強(qiáng)脫氧劑，生成 Al2O3 或 SiO2稀土夾雜物對(duì)高錳鋼具有雙重作用，稀土可以改善夾雜物的形狀和分布，使硫，氧等有害元素聚集，形成夾雜物浮出鋼液或留在鋼中，凈化鋼的基體和晶界；但同時(shí)使夾雜物的數(shù)量增多，尺寸增大，對(duì)高錳鋼造成不利影響。在 TWIP 鋼的孿生變形過(guò)程中將產(chǎn)生大量的形變孿晶，而且隨變形量增加，形變孿晶越來(lái)越多。促使高錳鋼沖擊韌性降低的夾雜主要是MnO。第 四 章 結(jié) 論通過(guò)對(duì)不同稀土加入量的高錳鋼的鑄態(tài)和水韌態(tài)的組織、夾雜物以及力學(xué)性能的研究，結(jié)論如下：（1）稀土