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研究阐释低密度耐磨高锰钢强韧化与断裂机制

  2022-12-27 字体:【大】 【中】 【小】

高锰钢(Hadfield steel)作为最重要的耐磨材料之一,被广泛应用在矿山、冶金、水泥、电力、建材、铁路、海工等国家关键行业中。它在面临冲击磨损过程中的强冲击和大压力等问题时表现出的优异耐磨性,是其他材料难以比拟的。这主要归功于高锰钢出色的加工硬化能力,然而也正是需要依靠加工硬化,使得高锰钢在低应力磨损条件下服役效果不理想。同时,“双碳”战略目标要求高端粉磨破碎装备具备运转高效化及低能耗化,关键核心耐磨构件材料的轻量化是重要途径之一。为实现高锰钢的轻量化效果,铝元素被考虑添加到高锰钢中,并配合合适的热处理与人工时效强化,可以进一步提升低密度高锰钢的力学性能。但是如何调控铝元素含量并配合后续热处理工艺制度是一个比较复杂的问题,长期以来受到国内外学者关注。

近期,针对上述问题,广东省科学院新材料研究所(以下简称省科学院新材料所)先进钢铁研究团队联合香港生产力促进局及乌克兰国家科学院合金物理工艺研究所,深入开展了低密度高锰钢的元素与热处理制度设计、性能优化及变形与断裂机制等方面的研究。结果表明,铝元素的加入能够显著降低高锰钢的密度,当加入量达到11 wt.%时,高锰钢的密度下降幅度达到13.3%。在组织方面,铝元素对高锰钢奥氏体晶粒有一定的细化作用,可带来一定程度的细晶强化效果;随着更多铝元素的加入,钢基体中开始出现明显的铁素体第二相。更重要的是,高锰钢的屈服强度可由最初的504MPa提升到870MPa,极大提升了高锰钢的抗变形能力。进一步分析发现,高锰钢的变形机制和断裂机制均发生了改变:由于铝加入对短程有序结构的促进,位错滑移机制由波状滑移向平面滑移转变;而通过调整高锰钢中铝元素含量,可以调控高锰钢强韧化机制从孪生诱发强化转变为变形带强化;结合后续高温水韧处理配合低温人工时效热处理,引入纳米级κ-碳化物析出相可以提升材料表面硬度,不过铁素体第二相的析出促进了锰钢在变形过程中裂纹的形成、形核和扩展,导致材料易出现脆性断裂。该研究结果证实了通过铝元素添加实现低密度耐磨钢设计的可能性,并有望拓展耐磨高锰钢在低应力磨损工况下服役的应用。

图1铝含量对低密度高锰钢拉伸与加工硬化性能的影响规律

相关研究成果发表于材料科学领域期刊《Materials Science and Engineering: A》(中科院1区Top),省科学院新材料所郑志斌博士为论文第一作者,香港生产力促进局杨浩坤博士为论文通讯作者。研究工作得到了广东省国际科技合作项目 (2021A0505030051)、国家重点研发计划项目(2021YFB3701704)、广东省科学院发展专项(2022GDASZH-2022010103)及广州市青年科技人才托举项目(QT20220101075)等的支持。

图2不同铝含量对低密度高锰钢强韧化机制与析出相强化的影响规律

(广东省科学院新材料所)
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