电渣重熔对32Mn7Cr1Mo013N奥氏体钢低温冲击韧性的影响

1、电渣重熔对32Mn-7Cr-1Mo-0.3N奥氏体钢低温冲击韧性的影响付瑞东杨文改郑炀曾摘要电渣重熔32Mn-7Cr-1Mo-0.3N奥氏体钢，在77 K下的Cv=132 J,显著高于重熔前的性能，重熔钢夹杂物数量减少且分布均匀，此时的断口为准解理特征。关键词电渣重熔高锰奥氏体钢低温冲击韧性Effect of ESR on Cryogenic Compact Toughness of Austenitic Steel 32Mn-7Cr-1Mo-0.3N Fu Ruidong,Yang Wengai and Zheng Yangzeng(Material and Chemistry Instit

2、ute, Yanshan University, Qinhuangdao 066004)AbstractThe impact energy Cv of ESR austenitic steel 32Mn-7Cr-1Mo-0.3N at 77K was 132J, and obviously higher than that of un-ESR steel. After ESR the inclusion amount in steel decreased with homogeneous distribution, and the characteristic of fracture of s

3、teel was quasi-cleavage.Material IndexESR, High Mn Austenitic Steel, Cryogenic Impact Toughness超导装置用结构材料必须具有良好的低温强度和韧性，传统的300系列奥氏体不锈钢已不能满足要求。目前作为超导装置用的结构材料是含镍的Fe-Mn-Ni-Cu-Mo-N系列和Fe-Mn-Cr-Ni-N系列高锰奥氏体钢1，2。近年来，为节约贵重的镍金属，国内外对不含镍的氮强化高锰奥氏体钢进行了广泛的研究。然而，这种高锰奥氏体钢在低温下存在沿晶断裂的问题3，严重阻碍了这种新材料在低温领域的应用，为此急需找到解决这一问题

4、的方法。本文通过选用合理的化学成分并采用电渣重熔的方法从根本上解决了这一问题，并对控制这类低温钢低温韧性的冶金及组织结构因素进行了分析和讨论，以推动我国超低温钢的研究。1试验材料及方法试验用钢在大气条件下于60 kg感应炉冶炼后，浇铸成两个25 kg钢锭，其化学成分见表1。把其中一个钢锭加热到1200 后，用1 t蒸汽锤锻成120 mm×390 mm×20 mm板材；另一个钢锭被热锻成25 mm的电极，而后进行电渣重熔，所用电渣成份为CaF2Al2O3=73，结晶器为130 mm×300 mm圆柱状，将20 kg重熔锭加热到1 180 ，用蒸汽锤分3火锻成120

5、mm×600 mm×12 mm板材。上述2种钢板经1 150 ×2 h固溶处理后，均进行水冷和缓冷。沿垂直于主变形方向加工成10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口冲击试样，而后进行77 K下的冲击试验。利用H-800透射电镜和KYKY-1000扫描电镜分别对试样变形区的微结构及断口形貌进行观察。2试验结果2.1冲击试验结果从图1的试验结果可以看出，钢经电渣重熔后，不论是水冷还是缓冷，其77K下的冲击性能均比重熔前显著提高。图132Mn-7Cr-1Mo-0.3N钢电渣重熔前后77K下的冲击性能Fig.1Impact toughness at

6、 77K for steel 32Mn-7Cr-1Mo-0.3N before and after ESR2.2SEM和TEM观察结果电渣重熔前的冲击断口大部分为准解理断口，但断口边缘存在沿晶断裂特征(见图2a)。图2b为重熔前粗大的夹杂物。图2c为重熔后经水韧处理的冲击断口形貌，整个断口均为准解理特征。图2d为重熔后的夹杂物形态，可见夹杂物已得到明显的细化。表1试验材料的化学成分/%Table 1Chemical compositions of material tested /%试样CSiMnCrMoSPNH/×10-6夹杂物电渣重熔前0.0360.4830.527.610.78

7、0.0040.0140.314.90.1021电渣重熔后0.0300.2629.747.580.800.0030.0130.273.10.0398对重熔后冲击断口变形区进行了TEM观察，总的印象是孪晶较多，但孪晶内的位错较少。 3结果分析及讨论目前，国内外有关无镍高锰奥氏体低温钢的研究结果表明：这类钢水韧处理后，在超低温变形时存在沿晶断裂的问题，从而导致冷脆现象和极低的低温韧性4。本文所研究的32Mn-7Cr-1Mo-0.3N钢经1 150 固溶处理后，不论是水冷还是缓冷，其77K的性能均较低，而且在断口的边缘出现了沿晶断裂(见图2)，这与上述研究结果是一致的。目前对于这种现象仍未得到明确的解

8、释5，6，对于Fe-Mn二元合金，有人认为是Mn及其它杂质元素在晶界的偏聚导致沿晶断裂，近而用合金化的方法来提高低温韧性7。但对于已合金化的高锰奥氏体钢，仍存在沿晶断裂，估计是氢与应力的共同作用所致8。因此，仅靠合金化的方法并不能显著改善这种钢的低温性能。本文采用电渣重熔的方法从根本上解决了这一问题，获得了优异的低温冲击性能。图2电渣重熔（a.b）后（c.d）SEM冲击断口形貌Fiq.2 SEM morpholoqy of impact fracture surface of steel before (a,b) and after(c,d) ESR电渣重熔使钢中的有害气体、杂质元素及夹杂物的

9、含量大大降低(见表1)，其中氢含量由4.9×10-6下降到3.1×10-6；夹杂物的含量也由0.1201%下降到0.0389%，且尺寸明显减小。我们知道，断裂过程包括裂纹的形成与扩展，裂纹一般是在相界面、退火孪晶及大颗粒夹杂物处形成9，10。在高锰奥氏体钢中，氢的存在能显著降低钢中的层错能11，12，从而在低温下变形时容易诱发相转变，增加了裂纹形核位置，电渣重熔后，钢中氢含量显著降低，夹杂物尺寸大大减小，并且均匀分布，所有这些均减少了裂纹的形核位置。从断口的扫描电镜观察结果看：77K下的冲击断口为韧性占主导的准解理断裂，可以肯定，裂纹的扩展不是靠小颗粒所形成的韧窝的粗化连接

10、进行的，而是靠小颗粒在裂纹的扩展过程中所起的“桥梁”10作用来实现的。当金属基体继续受力时，小颗粒也会开裂形成微裂纹。这些微裂纹在外力作用下长大直至与主裂纹汇合，使“桥梁”断裂。因为裂纹的扩展是借助微裂纹的连接，所以主裂纹前端的夹杂物间距是个很关键的参数。如果夹杂物间距大，并且夹杂物数量少，在加上干净的奥氏体基体具有韧化其自身的作用，它能阻止微裂纹的连接，抑制裂纹的扩展12。因此，电渣重熔后夹杂物尺寸的变小及数量的减少，使裂纹扩展的变形区加大，阻碍了裂纹的扩展，提高了低温韧性。此外，重熔后渣中Al、Ca等韧化元素的引入，也是低温韧性提高的重要原因。综上所述，电渣重熔可显著提高32Mn-7Cr-

11、1Mo-0.3N高锰奥氏体钢的低温冲击韧性，完全可以满足超低温结构材料的性能要求。4结论(1) 32Mn-7Cr-1Mo-0.3N钢经电渣重熔后，可获得优异的低温冲击性能。(2) 电渣重熔降低了钢中有害杂质的含量；减少了夹杂物的数量及大小，并使其均匀分布。(3) 重熔后断口为准解理特征。国家自然科学基金资助项目，项目号59771001作者简介：付瑞东，男，31岁，讲师，1990年毕业于华北工学院焊接专业，现为燕山大学材料工程专业在读博士生。主要从事钢的微合金化研究及焊接技术的开发。作者单位：燕山大学材料化工学院，秦皇岛066004参考文献1陈国邦.用于低温工程的金属与合金.低温工程，1998，

12、(3)：602Xue K X， Rong Z L， et al. Cryogenic Materials 88, ICMC, Boulder, 1988,5013Miura R， Nakajima H， et al. Advances in Cryogenic Engineering Materials, 1986,(3):2454Koji Shibata, Yasuhiko Kabuki， et al. Advances in Cryogenic Engineering Materials, 1984,(28):1535Koji Shibata, Nobuhiko kondo, et al. Advances in Cryogenic Engineering Materials. 1990, (36): 12576柴寿森.奥氏体Fe-Mn合金的低温性能，金属学报，1988，1(24)：247薛侃时.提高高锰奥氏体超低温钢低温韧性的方法.机械工程学报，1998，6(34)：118束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1987.799Aire Bussiba, Haim Mathias, et al. Advances in Cryogenic Engineering Materia