高锰钢的塑性变形机理与应用分析

欧阳峥容

1 前言

高锰钢是含Mn在10%～30%的锰铁基钢铁材料，因具备超高的均匀延伸性能（可达90%）和强塑积（可达40 000 MPa%），具有超强的应变硬化能力（屈强比能低至0.3）和优异的耐磨性能，近年来得到了很广泛的关注与研究，根据具体性能需求，加入Al、Si、C等其他合金元素，广泛应用于汽车、军工、矿业等领域。高锰钢最普遍的性能特点是强韧结合、耐磨、无磁，原因在于其异于其他钢种的塑性变形机制，即孪晶诱导塑性变形，而其他元素，尤其是C、N等间隙原子的加入，又极大地改变了这些行为的外在表现。因此使得这类钢材不仅性能优异，而且性能多变，能适应不同的应用领域。目前对于高锰钢的研究很多，涉及的面也很广，但是仍旧缺乏一些最为基础的、原子级别的变形机理描述，笔者通过大量阅读此类文章，总结、鉴别出一些共识的、符合试验表现的原理，并将这些微观机理展现出来。由于高锰钢种类繁多，性能也是千差万别，本研究选择的材料为含Mn 12%～14%、含C 1.0%～1.3%的Hadfield钢［1］。

2 高锰钢塑性变形机理

Hadfield钢的使用状态为水韧热处理态，因此钢的高温奥氏体组织被完全地保留到了室温，甚至是更低的温度，具备和普通钢铁材料类似的弹性变形行为，而其塑性变形行为却大相径庭，甚至和一般的奥氏体金属材料，例如铜和银的合金，也截然不同，而且还展现出非同寻常的高应变强化性能。要分析这些现象，还要从Hadfield的微观组织结构以及原子排布说起。

奥氏体钢的基体原子排布为FCC（face-centre cubic）［2］，为最密排结构，但是区别于另外一种最密排结构—密排六方结构（HCP），其原子周期性排列方式为ABCABCABC……型，而密排六方结构为ABABAB……型。奥氏体高锰钢由于具备很低的层错能（SFE-stacking fault energy），晶体结构很容易发生堆垛层错，即周期性排布中容易出现ABCABABC这样的结构非周期性错乱，导致这类材料有很多的短程结构排布类似于密排六方的原子排布；而密排六方金属的塑性变形常以孪晶方式进行。事实上，以孪晶方式进行的塑性变形通常出现在滑移难以进行的情况下［2］，例如滑移系少（密排六方）、变形量太大而无法继续以滑移的方式进行（高度变形的金属）、变形速率很大（冲击载荷）而滑移来不及进行或引起滑移的临界分切应力来不及转到利于滑移的方向上、低温下（原子间结合力太大而无法滑移）等这些情况下才可以进行，而且孪晶造成的塑性变形量并不大。但是孪晶带来的晶体取向改变却在很多时候给滑移带来巨大的好处，使得原来不利于滑移的晶向开始滑移了；同时由于孪晶和位错、孪晶与孪晶以及它们和一些亚结构之间相互作用，使得金属在这个过程中发生很显著的应变强化作用。强烈的应变强化可以使金属未变形的部分（与变形强化部分有显著的强度梯度）被迫发生变形，而变形最严重的部位因为强度很大而不会提前断裂。这就是导致材料拥有巨大均匀延伸率的宏观材料学原理。

对于高锰钢来说，使用环境就是要求有大的冲击载荷、冲击性摩擦，这些都能提供大的应变速率和大的局部应变量，是提供材料孪晶变形的外部因素，而大密度的堆垛层错，是提供孪晶诱导塑性（TWIP效应）的内因，也是设计此类材料的目的。

3 塑性变形影响因素分析

从晶粒取向、应力状态（拉伸和压缩）、间隙原子（碳原子）等方面阐述其对孪晶诱导塑性和滑移塑性这两种竞争关系的塑性变形机理的依赖性、对微观结构和织构的演化以及变形阶段的影响。

3.1 晶粒取向与应力状态的影响

通过对单晶以及多晶Hadfield钢的拉伸和压缩试验，分析其在不同晶粒取向上和应力状态下的微观应变强化机制和宏观表现。Hadfield钢（C 1.0%、Mn 12.4%）多晶体以及单晶［111］、［001］、［123］晶向上的拉伸及压缩真应力—真非弹性应变曲线如图1所示［3］。

图1 Hadfield钢不同晶向真应力—真非弹性应变曲线

由图1a可以看出，不同的加载方向，不同的加载阶段，高锰钢的加工硬化能力区别明显，［123］方向塑性变形起始阶段的应变硬化系数为G/300（G为剪切弹性模量），而［111］方向起始阶段仅有G/1 000，而到随后居然突然增高，达到G/400；［001］方向则基本维持在G/500。

由图1b可以看出，［001］方向初期阶段几乎没有发生加工硬化，应变硬化系数仅有不到G/2 000，这种趋势不符合FCC金属多滑移发生时的表现，因此材料必定发生了孪晶型塑性变形；［111］方向则显示了与拉伸试验近似的硬化效果。

配合原位光学以及透射电镜观察，发现拉伸过程［111］方向在塑性变形一开始就发生了孪晶，直至整个初级阶段都维持了这样一个占主导地位的塑性变形机制，而在压缩过程中［001］方向塑性变形的初始阶段也是以孪晶机制主导进行的。这些情况下，后续的金属变形都经历了突然增大的应变强化过程，这些过程是由于孪晶之间以及孪晶与滑移之间的相互作用大大强于简单的滑移与滑移之间的强化作用（见图2），主要体现在已有孪晶对二次孪晶和滑移位错自由路径的限制。可见，孪晶对初期塑性变形的贡献以及随后的加工硬化起到了极其关键的作用，同时，孪晶变形使得原先很多不利于滑移的晶向在发生转向后也变得利于滑移了，这点也是孪晶诱导塑性的主要机制。需要注意的是，这些孪晶的宽度范围都是纳米级的（见图2）［4］，这无疑极大地细化了孪晶区的晶粒，造成了强度很大的孪晶组织，同时对未发生孪晶区域的组织和织构演化也有影响。

图2 Hadfield钢孪晶间及孪晶与滑移之间的相互作用

3.2 间隙原子的影响

N原子和C原子都是很强的奥氏体形成元素，也是最主要的应变时效强化（动态和静态）元素。事实上，N原子的效力在这类材料里要强于C原子，但是本研究以Hadfield钢作为目标，仅讨论C元素对高锰钢塑性变形的影响。

水韧状态下，Hadfield高锰钢中C原子全部固溶到奥氏体八面体间隙中，塑性变形过程中C原子的行为有一部分同其他钢铁材料中的游离C原子一样，会钉扎到变形形成的位错，形成柯氏气团。但是在这类钢铁材料中，C原子有了与众不同的行为：首先，除了有些一般情况下存在于已有位错位置的C原子（极少量），绝大部分固溶于奥氏体八面体空隙中的C原子会在发生堆垛层错的面缺陷附近偏聚形成铃木气团，事实上造成了成分和结构均不同于基体的尺寸为一个原子级的区域。这些区域的晶体结构实质上是密排六方的排列方式，而密排六方金属的塑性变形方式中更易于偏向孪晶的方式进行。所以在这个区域偏聚的C原子也必定对孪晶过程存在影响，同时也对整个塑性变形过程中的应力—应变响应有着极大的影响。这些影响体现在C元素的不同含量和不同应力状态上。

选取在拉伸和压缩过程中均存在孪晶行为的单晶［111］方向进行拉伸和压缩试验，选取1.0%和1.3%两个碳含量的材料进行比较。试验结果见图3。

图3 Hadfield钢［111］方向的应力—应变曲线

从图3中可以看出，随着C含量增加，孪晶和滑移的临界应力水平都增加了，同时应变强化系数也增加（曲线斜率增加），而韧性（曲线与横轴围起的面积）却无明显降低。在C含量较高的情况下，孪晶和多滑移带宽度较薄，其相互限制、交错更为密集，造成了较大的硬化系数。而且在这种情况下，更多的C原子从八面体间隙中进入了四面体间隙中，也就是从一个半径约为0.146a（a为FCC的晶格常数）的间隙进入了极为局促的半径为0.06 a的空间里，造成了孪晶和孪晶界的强化。在压缩试验中，宽度约40～50 nm的孪晶与多滑移带（MSBs）的相互作用导致了极大的应变强化，孪晶变得更为受限而发生孪晶的体积分数也随着在［123］方向C含量的增加而增加了。还有另一方面，就是随着间隙原子（C原子）的含量增加，一些理论上不宜发生孪晶的取向上也变得倾向于产生孪晶变形了，造成这一变化的原因很可能在于C含量的提高增加了孪晶形核的推动力，而且也降低了层错能（更低的层错能允许更多的层错存在，使孪晶更容易发生了）。

事实上，影响高锰钢塑性变形过程的因素还有很多，除了以上介绍的因素外，变形速率、变形时材料所处的温度都是比较显著的影响因素，这些作用规律已经有了一些研究，获得了一些结论，但更多的研究工作仍需要做，这些研究都可能为这一类材料的设计和创新应用带来更深刻的指导。

4 高锰钢的应用

多晶体应力—应变响应是单晶体组合的宏观表现，在实际应用中得到了广泛的认可。目前高锰钢的应用主要在以下几个方面［5］：

1）耐磨领域。高锰钢最先于19世纪末期由英国人Hadfield发明，这也是它名字的来源，历经120 a的应用检验，其优异的性能被不断认可、不断发展，目前在耐磨领域已经把其他耐磨钢种（如高碳铬耐磨钢）逐步替代。这源于它大大领先于其他耐磨钢种的耐磨机制：高锰钢仅可算是中等强度，然而其在使用过程中表面硬化，基体软韧的力学特性确保其拥有良好耐磨性能的同时，不会发生其他类型的破坏。破损、开裂，尤其是抵抗冲击性摩擦、重物料砸压磨损的能力几乎没有其他钢种可以代替，类似耐磨板外表韧性钢材基体的复合材料。

目前这类钢材多数还是以铸钢件的形式使用，因铸造件内部组织结构和夹杂物数量等较经过压力加工的材料还是有相当的差距，而且规格、尺寸、形状也受到影响，所以已经逐步由轧制加工工艺替代，但是难度较大。另外，成分设计方面，加入一些强碳化物形成元素造成第二相强化的材料也得到了很大的发展，有利于提高高锰钢相对屈服强度不高的问题，以满足要求耐磨件同时具备较大抗变形能力的领域。总的来讲，这些领域主要包括采矿、喷砂喷丸、机械履带以及挖掘铲的制造等。

2）汽车领域。汽车领域的广泛应用主要在于钢材拥有大而均匀的塑性变形能力，对于其他要求冲压成型性能的领域，高锰钢同样可以得到应用。

3）防护领域。由于高锰钢具备很高的强塑积（约40 000 MPa%），可以应用到一切能够吸收冲击能量的领域，包括防弹板、保险箱、防盗门以及汽车的防撞梁等领域。

4）低温领域。由于高锰钢为奥氏体组织，其稳定性可维持到很低的温度，而韧脆转变温度也很低，这些特征也可以加以利用，扩大其适用范围。

5 结语

高锰钢以其优异的耐磨性、成形性、防护性和低温性能，正迅速在各个领域得到认可并得以持续改良，同时其优异性能发挥的微观机理也正在被不断地研究、论证，这种实践与理论互动的发展模式必将为这一类钢铁材料的未来应用提供强劲的发展动力。

［1］ P.H.Adler,G.B.Olson,W.S.owen.Strain hardening of hadfield manganesesteel［J］.Metall.Trans.A,1986，12A：1 725.

［2］ 崔忠圻.金属学与热处理［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［3］ I.Karaman,H.Sehitoglu,Y.I.Chumyakov.The Deformation of Low-Stacking-Fault-Energy Austenitic Steels［J］.Acta Materialia,2000,48：1 345.

［4］ I.Karaman,H.Sehitoglu,Y.I.Chumyakov.The Deformation of Low-Stacking-Fault-Energy Austenitic Steels［J］.Acta Materialia,2000,48：2 031.

［5］ 李树索，陈希杰.高锰钢的发展与应用［J］.矿山机械，1998（3）：70-73.