氮对Fe-38Mn奥氏体钢低温冲击韧性的影响.doc

氮对Fe-38Mn奥氏体钢低温冲击韧性的影响
付瑞东郑炀曾
摘要：研究了不同氮含量对真空熔炼的Fe-38Mn合金77K冲击韧性及断口形貌的影响。结果表明：适当氮含量可以显著提高Fe-38Mn合金的低温冲击性能，其断口形貌由沿晶断裂断口转变为准解理断口。关键词：高锰奥氏体钢氮低温冲击韧性
InfluenceofNitrogenonCryogenicImpactToughnessofAusteniticSteelFe-38Mn
FuRuidongandZhengYangzeng(MaterialandChemistyInstitute,YanshanUniversity,Qinhuangdao066044)
Abstract：Theinfluenceofvariousnitrogencontenton77KimpacttoughnessandthemorphologyoffractureofausteniticsteelFe-38Mnmeltedbyvacuuminductionfurnacewereinvestigated.Theresultsshowthattheavailablenitrogencontentcanobviouslyimprovethecryogenicimpacttoughnessofsteeltomodifythefracturemorphologyfromintergranularfracturetoquasi-cleavagefracture.MaterialIndex：HighMnAusteniticSteel,Nitrogen,CryogenicImpactToughness▲
80年代以来，国外都在致力于研究高锰(含铬)奥氏体钢［1、2］。但是，对于锰含量大于30%的高锰奥氏体钢易于发生低温沿晶脆断［3］。为找到沿晶脆断的本质原因，以Fe-Mn二元合金为对象，国内外许多学者进行了大量的研究工作［4～7］。氮在高锰钢中的存在形式及其作用机理将不同于一般结构钢中的氮，为此对这一问题进行了探讨。
1试验材料及方法
利用ZGX200真空冶炼炉分别冶炼了两种氮含量的高锰奥氏体钢，其化学成分见表1。冶炼后的钢锭被锻造成10mm×14mm×30mm的钢板，经1150℃奥氏体化后，淬入10%的冰盐水中。垂直于轧制方向加工出10mm×10mm×55mm的夏比冲击试样，而后进行从室温到77K的系列冲击试验，并用KYKY-1000扫描电镜对两种不同氮含量试样的77K断口进行了观察。
表1试验用钢的化学成分/%Table1Chemicalcompositionsoftestingsteel/%
试样序号CMnSPSiNFeNo.10.05938.540.0150.0100.0610.002余量No.20.01038.860.0120.0050.0720.058余量
2试验结果
不同氮含量的高锰奥氏体钢试样从室温到77K的系列冲击试验结果如图1所示。从图中可以看出，含氮0.002%的试样存在明显的韧脆转变现象，77K的冲击功仅为25J；而含氮为0.058%的试样从室温到77K的冲击功虽有降低，但77K的冲击功仍高达130J。冲击断口形貌如图2所示。由图2可见，含氮0.002%的1号试样在77K下的断口为典型的沿晶断裂特征(图2a)，而含氮0.058%的2号试样在77K下的断口为准解理断裂特征(图2b)。
图1温度对两种不同氮含量高锰钢冲击功的影响Fig.1EffectoftemperatureonimpactenergyofhighMnausteniticsteelwithtwodifferentnitrogencontents
图2(a)0.002%N(1号钢样)和(b)0.058%N(2号钢样)77K的冲击断口形貌Fig.2ImpactfracturemorphologyofNo1steelwith0.002%N(a)andNo2steelwith0.058%N(b)
3讨论
锰含量大于30%的高锰奥氏体钢于低温下出现沿晶断裂的问题，曾是该材料推广应用的主要障碍。锰或杂质原子在晶界的偏聚是导致高锰奥氏体钢低温沿晶断裂的本质原因。进而，提出了以合金化、电渣重熔等方法来抑制沿晶断裂，并取得了满意的结果［4］。氮于钢中主要以固溶形式存在。计算结果表明氮在所有元素中具有很强的韧化晶界的能力［7］。即使氮的含量很少，但作用却是巨大的。从本文的试验结果可以看到，含氮0.002%的1号试样，存在明显的韧脆转变现象，77K下的冲击功仅为25J，断口为沿晶断裂特征；而含氮0.058%的2号试样在77K时冲击功仍高达130J，断口为韧性占主导的准解理特征。这说明高锰奥氏体钢的低温性能的变化与氮有必然的联系。均匀固溶的氮不可能对晶界起韧