·522· 工程科学学报，第39卷，第4期 与温度的关系如图2所示.断面收缩率的大小直接反 已经开始析出，V(C,N)相的析出严重恶化了中碳钢的 映了钢在高温变形过程中的韧性能力.断面收缩率值 热延性.对于含0.11%钛和0.20%钒的M3高锰钢来 越大，说明试样的塑性变形能力越强，产生裂纹的可能 说，相较于单独含0.10%钛的M2高锰钢，其断面收缩 性也就越小.在图2中可以看出，高锰钢的断面收缩 率在M2钢的基础上进一步降低，这表示0.20%钒的加 率(RA)随温度的升高而显著升高，而在相同的拉伸测 入进一步恶化了高锰钢的热延性. 试温度下，随着钢中加入质量分数0.10%的钛，高锰 2.2真应力一应变曲线 钢M2的断面收缩率几乎在整个测试温度范围内都显 采用Gleeble35O0热力模拟试验机测定的各试样 著降低.在此基础上，在钢中加入质量分数0.20%的 700~1200℃范围内的真应力-应变曲线如图3所示. 钒，高锰钢M3的断面收缩率进一步降低. 由图可见，高锰钢的力学性能具有明显的温度相关性. -MI 添加钛和钒后的M2和M3高锰钢试样的最大抗拉强 -M2 M3 度显著高于M1高锰钢的测量结果，而延伸率普遍较 小.在700℃拉伸测试温度下，M1的最大抗拉强度为 60 179MPa,而单独加入钛后，M2最大抗拉强度增大到 291MPa,M3钢进一步增加到351MPa. 另一方面，随着温度的升高，原子的活动能力增强 了，各晶粒在拉伸的过程中开启了滑移系，有利于拉伸 的记性，也造成了各晶粒的畸变，为动态再结晶提供了 有利条件.而动态再结晶的发生，可以使拉伸中的硬 700 90010001100 1200 化得到部分消除.表现在高锰钢中，如图2所示，高锰 温度℃ 钢的流变应力随着温度的升高迅速下降，而延伸率随 图2高锰钢试样的热延性曲线 温度升高非单调变化.Baradaran等B网通过对高锰钢 Fig.2 Hot ductility curves of high-Mn austenitic steels 100~1000℃温度范围内的真应力一应变曲线的研究 Mintz和Wang等0通过大量研究证实当断面 得知，在曲线中应力值开始下降的区域内，发生了动态 收缩率小于40%时，连铸坯的裂纹敏感性会显著增 再结晶试样的应力值通常会表现出较低速率的下降 强.在本研究中，以RA=40%作为判断高锰钢塑性能 动态再结晶发生时基体中应力集中缓解且晶粒细化， 力的临界值.对于未微合金化的M1高锰钢，在 有利于提高材料塑性.对比发现，M1高锰钢发生动态 700℃下，断面收缩为66%.随着温度的升高，其断面 再结晶的温度为800℃，M2高锰钢为900℃，而M3高 收缩率逐渐上升，在900℃出现了最大值，此时，断面 锰钢为1000℃ 2.3高温抗拉强度 收缩率为80%.在900~1000℃范围内，断面收缩率 三种高锰钢拉伸试样的最大抗拉强度随温度的变 变化不大.当拉伸温度高于1000℃，断面收缩率出现 了一定程度的下降，在1200℃达到64%. 化趋势如图4所示，对于M2钢，在1200℃测试温度 另外，含质量分数0.10%钛的M2高锰钢的断面 下，其最大抗强度仅为8.1MPa:随着温度的降低，M2 钢的抗拉强度逐渐上升，在700℃测试温度下达到峰 收缩率在几乎整个的拉伸测试温度区间内都呈现了不 值291.3MPa.通过对比M1、M2和M3钢可知，在 同程度的降低.钛的析出物，主要为T(C,N),其可以 700~1000℃较低的测试温度范围内，钛和钒的加入可 在高温下稳定存在，并且可以在轧制前的加热过程中 以显著改善高锰钢的抗拉强度：而在高温范围段 阻止晶粒的长大即.一般情况下，在钢材实际的生产 1050~1200℃，三种高锰钢的最大抗拉强度趋向一致. 过程中，钛的加入有益于减少连铸过程中矫直阶段产 这是因为钛和钒的加入可以固溶到高锰奥氏体钢中， 生裂纹的可能性0.但是，在常规的拉伸实验中温度 起到了固溶强化的作用四 制度一般是升高到某一峰值温度后，然后以一恒定的 2.4拉伸断口分析 速率降低到实验温度进行拉伸实验，在这种情况下，钛 图5为扫描电镜下观察到的M1、M2和M3高锰 的加入一般会恶化钢材的热延性 钢在800℃和900℃温度下的拉伸断口的形貌特征. Lee等网对含有0.11%钒的中碳钢（碳质量分数为 在图5(a)和图(b)中，M1高锰钢断口处存在大量细 0.52%)在600~1100℃温度范围进行了拉伸实验.研 小的韧窝，属于典型的塑性断裂.此时，M1高锰钢的 究发现，拉伸温度在1000℃降低至Ae,的过程中，中碳 断面收缩率较高，在800℃和900℃下分别为67.3% 钢的断面收缩率是随着温度逐渐下降的.Thermo--Calc 和79.4%.由图5(c)可知，在800℃拉伸温度下，M2 软件计算的平衡析出相图表示V(C,N)相在1000℃就 高锰钢断口呈“冰糖状”，有强烈的多面体感，属于脆工程科学学报，第 39 卷，第 4 期 与温度的关系如图 2 所示． 断面收缩率的大小直接反 映了钢在高温变形过程中的韧性能力． 断面收缩率值 越大，说明试样的塑性变形能力越强，产生裂纹的可能 性也就越小． 在图 2 中可以看出，高锰钢的断面收缩 率( ＲA) 随温度的升高而显著升高，而在相同的拉伸测 试温度下，随着钢中加入质量分数 0. 10% 的钛，高锰 钢 M2 的断面收缩率几乎在整个测试温度范围内都显 著降低． 在此基础上，在钢中加入质量分数 0. 20% 的 钒，高锰钢 M3 的断面收缩率进一步降低． 图 2 高锰钢试样的热延性曲线 Fig． 2 Hot ductility curves of high-Mn austenitic steels Mintz［5］和 Wang 等［30］通过大量研究证实当断面 收缩率小于 40% 时，连铸坯的裂纹敏感性会显著增 强． 在本研究中，以 ＲA = 40% 作为判断高锰钢塑性能 力的 临 界 值． 对 于 未 微 合 金 化 的 M1 高 锰 钢，在 700 ℃下，断面收缩为 66% ． 随着温度的升高，其断面 收缩率逐渐上升，在 900 ℃ 出现了最大值，此时，断面 收缩率为 80% ． 在 900 ～ 1000 ℃ 范围内，断面收缩率 变化不大． 当拉伸温度高于 1000 ℃，断面收缩率出现 了一定程度的下降，在 1200 ℃达到 64% ． 另外，含质量分数 0. 10% 钛的 M2 高锰钢的断面 收缩率在几乎整个的拉伸测试温度区间内都呈现了不 同程度的降低． 钛的析出物，主要为 Ti( C，N) ，其可以 在高温下稳定存在，并且可以在轧制前的加热过程中 阻止晶粒的长大［31］． 一般情况下，在钢材实际的生产 过程中，钛的加入有益于减少连铸过程中矫直阶段产 生裂纹的可能性［31］． 但是，在常规的拉伸实验中温度 制度一般是升高到某一峰值温度后，然后以一恒定的 速率降低到实验温度进行拉伸实验，在这种情况下，钛 的加入一般会恶化钢材的热延性［7］． Lee 等［29］对含有 0. 11% 钒的中碳钢( 碳质量分数为 0. 52% ) 在 600 ～ 1100 ℃温度范围进行了拉伸实验． 研 究发现，拉伸温度在 1000 ℃ 降低至 Ae3的过程中，中碳 钢的断面收缩率是随着温度逐渐下降的． Thermo--Calc 软件计算的平衡析出相图表示 V( C，N) 相在 1000 ℃ 就 已经开始析出，V( C，N) 相的析出严重恶化了中碳钢的 热延性． 对于含 0. 11% 钛和 0. 20% 钒的 M3 高锰钢来 说，相较于单独含 0. 10% 钛的 M2 高锰钢，其断面收缩 率在 M2 钢的基础上进一步降低，这表示 0. 20% 钒的加 入进一步恶化了高锰钢的热延性． 2. 2 真应力--应变曲线 采用 Gleeble-3500 热力模拟试验机测定的各试样 700 ～ 1200 ℃范围内的真应力--应变曲线如图 3 所示． 由图可见，高锰钢的力学性能具有明显的温度相关性． 添加钛和钒后的 M2 和 M3 高锰钢试样的最大抗拉强 度显著高于 M1 高锰钢的测量结果，而延伸率普遍较 小． 在 700 ℃拉伸测试温度下，M1 的最大抗拉强度为 179 MPa，而单独加入钛后，M2 最大抗拉强度增大到 291 MPa，M3 钢进一步增加到 351 MPa． 另一方面，随着温度的升高，原子的活动能力增强 了，各晶粒在拉伸的过程中开启了滑移系，有利于拉伸 的记性，也造成了各晶粒的畸变，为动态再结晶提供了 有利条件． 而动态再结晶的发生，可以使拉伸中的硬 化得到部分消除． 表现在高锰钢中，如图 2 所示，高锰 钢的流变应力随着温度的升高迅速下降，而延伸率随 温度升高非单调变化． Baradaran 等［32］通过对高锰钢 100 ～ 1000 ℃ 温度范围内的真应力--应变曲线的研究 得知，在曲线中应力值开始下降的区域内，发生了动态 再结晶试样的应力值通常会表现出较低速率的下降． 动态再结晶发生时基体中应力集中缓解且晶粒细化， 有利于提高材料塑性． 对比发现，M1 高锰钢发生动态 再结晶的温度为 800 ℃，M2 高锰钢为 900 ℃，而 M3 高 锰钢为 1000 ℃ ． 2. 3 高温抗拉强度 三种高锰钢拉伸试样的最大抗拉强度随温度的变 化趋势如图 4 所示，对于 M2 钢，在 1200 ℃ 测试温度 下，其最大抗强度仅为 8. 1 MPa; 随着温度的降低，M2 钢的抗拉强度逐渐上升，在 700 ℃ 测试温度下达到峰 值 291. 3 MPa． 通 过 对 比 M1、M2 和 M3 钢 可 知，在 700 ～ 1000 ℃较低的测试温度范围内，钛和钒的加入可 以显著 改 善 高 锰 钢 的 抗 拉 强 度; 而 在 高 温 范 围 段 1050 ～ 1200 ℃，三种高锰钢的最大抗拉强度趋向一致． 这是因为钛和钒的加入可以固溶到高锰奥氏体钢中， 起到了固溶强化的作用［33］． 2. 4 拉伸断口分析 图 5 为扫描电镜下观察到的 M1、M2 和 M3 高锰 钢在 800 ℃ 和 900 ℃ 温度下的拉伸断口的形貌特征． 在图 5( a) 和图( b) 中，M1 高锰钢断口处存在大量细 小的韧窝，属于典型的塑性断裂． 此时，M1 高锰钢的 断面收缩率较高，在 800 ℃ 和 900 ℃ 下分别为 67. 3% 和 79. 4% ． 由图 5( c) 可知，在 800 ℃ 拉伸温度下，M2 高锰钢断口呈“冰糖状”，有强烈的多面体感，属于脆 · 225 ·