刘洪波等：钛和钒对高锰钢高温热延性的影响 521 高锰钢(Mn13钢)兼具高韧性和优异的加工硬化 Gleeble3500研究了未添加钛、单独添加钛(0.10%) 特性，这使其在冲击磨损的条件下能表现出优异的耐 及复合添加钛(0.11%)和钒(0.20%)后的高锰钢在 磨性能.高锰钢的典型成分为（质量分数）1.0%~ 700~1200范围内的热延性，并采用Thermo--Calc热力 1.4%C、10%~14%Mn、0.3%~0.6%Si和余量 学计算软件计算了单独添加T和复合添加Ti和V高 Fe-.徐志明四报道称复合添加0.10%Ti和0.41% 锰钢在700~1600℃范围内的相变及析出相.并且现 V至高锰钢中，其生成的碳化物经弥散处理后使钒钛 阶段，关于微合金化元素对高碳钢，特别是碳质量分数 高锰钢的耐磨性得到显著提高.苏日娴对含不同T 高于0.35%的钢的热延性影响的研究涉及的较少四， 含量的高锰钢进行了磨损实验，结果发现含有 本研究中高锰钢碳质量分数达到了1.10%.希望通过 0.106%Ti的高锰钢的磨损量为32.1mg,而未加钛的 对高锰高碳钢热延性的研究，掌握其高温力学性能，了 钢样磨损量在60mg以上，加入钛后的平均磨损量约 解其在不同温度的下的断裂机理，从而为高锰钢的铸 减少了50%. 造、连铸及热轧参数控制提供一定的理论参考. 然而，对于含Nb、T和V微合金化钢，在钢中会形 1 试验材料和方法 成弥散的碳氮化物，起到细化晶粒和沉淀强化的作用， 但同时也会使其脆性增加，即钢的热延性会变差5-W， 1.1试验材料 从而对其铸造、连铸以及热变性加工过程的顺行产生 本文选取了未添加、单独添加钛及复合添加钛和 影响.热延性实验能够比较理想地模拟连铸工艺，可 钒后的高锰钢进行试验，试验用高锰钢各元素的质量 用于钢的高温力学性能研究，也可以用于裂纹敏感性 分数如表1所示.试验用钢在50kg中频真空感应电 分析四.而且，热延性实验广泛应用于研究微合金化 炉中熔炼，浇铸温度为1500℃，出钢前3min在钢中加 元素对钢材性能影响3-.本文使用热模拟试验机 入少量的A!块进行脱氧处理 表1试验用高锰钢中各元素质量分数 Table 1 Composition of examined high-Mn steels % 钢号 C Si Mn P Al 0 MI 1.10 0.49 12.72 0.0054 0.0057 0.03 0.0090 0.0069 M2 1.19 0.45 12.29 0.0052 0.0059 0.05 0.10 0.0140 0.0073 M3 1.17 0.39 12.49 0.0051 0.0052 0.04 0.11 0.20 0.0110 0.0025 1.2试验方法 采用Gleeble3500热模拟试验机进行高温拉伸试 验.拉伸试样取自高锰钢铸锭，其尺寸为10mm× 120mm,试样中部焊接上双铂铑型热电偶，采集试样在 1200℃ 12009℃ M 3 min 试验过程中的温度，工作室经过两次抽真空后，通入流 ℃s1 700-50& 保温3mim 量为1L·minl的氩气进行保护.随后，将试样以 应变速率=1×103s 10℃·s'的速率加热到1200℃保温3min,消除试样组 加热 10℃s1 织内应力，然后以3℃·s的速率冷却至拉伸温度，再 次保温3mi后以l03s的应变速率进行拉伸，直至 断裂.随即喷水冷却，以保持试样在高温状态下的断 时间/s 口形貌和金相特点.拉伸实验后，测定试样的断口直 径变化，计算出高锰钢的断面收缩率，采用Origin软件 图1高温拉伸试验温度控制示意图 Fig.1 Schemes of high-temperature tensile tests 处理拉伸机记录数据，总结出高锰钢在不同试验温度 下的真应力一应变曲线.高温拉伸试验温度制度，如图 干.最后，在金相显微镜下观察断口处的晶粒的变形 1所示. 以及再结晶情况，运用Zeiss Untra55型场发射扫描电 试验结束后，选用精度为0.02mm的游标卡尺测 镜观察试样断口附近的组织以及析出的一些颗粒. 量试样断口的直径变化，计算出不同测试温度下试样 2试验结果与分析 的断面收缩率.然后，将断口纵剖后，试样经研磨和抛 光后，用棉花蘸取体积分数为7%硝酸和2%饱和苦味 2.1热延性曲线 酸的乙醇溶液在试样表面擦拭2min,然后冲洗和吹 M1、M2和M3高锰钢铸态试样的高温断面收缩率刘洪波等: 钛和钒对高锰钢高温热延性的影响 高锰钢( Mn13 钢) 兼具高韧性和优异的加工硬化 特性，这使其在冲击磨损的条件下能表现出优异的耐 磨性能． 高锰钢的典型成分为( 质 量 分 数) 1. 0% ～ 1. 4% C、10% ～ 14% Mn、0. 3% ～ 0. 6% Si 和 余 量 Fe［1--2］． 徐志明［3］报道称复合添加 0. 10% Ti 和 0. 41% V 至高锰钢中，其生成的碳化物经弥散处理后使钒钛 高锰钢的耐磨性得到显著提高． 苏日娴［4］对含不同 Ti 含量 的 高 锰 钢 进 行 了 磨 损 实 验，结 果 发 现 含 有 0. 106% Ti 的高锰钢的磨损量为 32. 1 mg，而未加钛的 钢样磨损量在 60 mg 以上，加入钛后的平均磨损量约 减少了 50% ． 然而，对于含 Nb、Ti 和 V 微合金化钢，在钢中会形 成弥散的碳氮化物，起到细化晶粒和沉淀强化的作用， 但同时也会使其脆性增加，即钢的热延性会变差［5--11］， 从而对其铸造、连铸以及热变性加工过程的顺行产生 影响． 热延性实验能够比较理想地模拟连铸工艺，可 用于钢的高温力学性能研究，也可以用于裂纹敏感性 分析［12］． 而且，热延性实验广泛应用于研究微合金化 元素对钢材性能影响［13--28］． 本文使用热模拟试验机 Gleeble-3500 研究了未添加钛、单独添加钛( 0. 10% ) 及复合添加钛( 0. 11% ) 和钒( 0. 20% ) 后的高锰钢在 700 ～ 1200 范围内的热延性，并采用 Thermo-Calc 热力 学计算软件计算了单独添加 Ti 和复合添加 Ti 和 V 高 锰钢在 700 ～ 1600 ℃范围内的相变及析出相． 并且现 阶段，关于微合金化元素对高碳钢，特别是碳质量分数 高于 0. 35% 的钢的热延性影响的研究涉及的较少［29］， 本研究中高锰钢碳质量分数达到了 1. 10% ． 希望通过 对高锰高碳钢热延性的研究，掌握其高温力学性能，了 解其在不同温度的下的断裂机理，从而为高锰钢的铸 造、连铸及热轧参数控制提供一定的理论参考． 1 试验材料和方法 1. 1 试验材料 本文选取了未添加、单独添加钛及复合添加钛和 钒后的高锰钢进行试验，试验用高锰钢各元素的质量 分数如表 1 所示． 试验用钢在 50 kg 中频真空感应电 炉中熔炼，浇铸温度为 1500 ℃，出钢前 3 min 在钢中加 入少量的 Al 块进行脱氧处理． 表 1 试验用高锰钢中各元素质量分数 Table 1 Composition of examined high-Mn steels % 钢号 C Si Mn P S Al Ti V N O M1 1. 10 0. 49 12. 72 0. 0054 0. 0057 0. 03 — — 0. 0090 0. 0069 M2 1. 19 0. 45 12. 29 0. 0052 0. 0059 0. 05 0. 10 — 0. 0140 0. 0073 M3 1. 17 0. 39 12. 49 0. 0051 0. 0052 0. 04 0. 11 0. 20 0. 0110 0. 0025 1. 2 试验方法 采用 Gleeble-3500 热模拟试验机进行高温拉伸试 验． 拉伸试样取自高锰钢铸锭，其尺寸为 10 mm × 120 mm，试样中部焊接上双铂铑型热电偶，采集试样在 试验过程中的温度，工作室经过两次抽真空后，通入流 量为 1 L·min － 1 的氩 气 进 行 保 护． 随 后，将 试 样 以 10 ℃·s － 1的速率加热到 1200 ℃保温 3 min，消除试样组 织内应力，然后以 3 ℃·s － 1的速率冷却至拉伸温度，再 次保温 3 min 后以 10 － 3 s － 1的应变速率进行拉伸，直至 断裂． 随即喷水冷却，以保持试样在高温状态下的断 口形貌和金相特点． 拉伸实验后，测定试样的断口直 径变化，计算出高锰钢的断面收缩率，采用 Origin 软件 处理拉伸机记录数据，总结出高锰钢在不同试验温度 下的真应力--应变曲线． 高温拉伸试验温度制度，如图 1 所示． 试验结束后，选用精度为 0. 02 mm 的游标卡尺测 量试样断口的直径变化，计算出不同测试温度下试样 的断面收缩率． 然后，将断口纵剖后，试样经研磨和抛 光后，用棉花蘸取体积分数为 7% 硝酸和 2% 饱和苦味 酸的乙醇溶液在试样表面擦拭 2 min，然后冲洗和吹 图 1 高温拉伸试验温度控制示意图 Fig． 1 Schemes of high-temperature tensile tests 干． 最后，在金相显微镜下观察断口处的晶粒的变形 以及再结晶情况，运用 Zeiss Untra-55 型场发射扫描电 镜观察试样断口附近的组织以及析出的一些颗粒． 2 试验结果与分析 2. 1 热延性曲线 M1、M2 和 M3 高锰钢铸态试样的高温断面收缩率 · 125 ·