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Influence of Nitrogen on Cryogenic Impact Toughness of Austenitic Steel Fe-38MnFu Ruidong and Zheng Yangzeng(Material and Chemisty Institute,Yanshan University, Qinhuangdao 066044)Abstract：The influence of various nitrogen content on 77K impact toughness and the morphology of fracture of austenitic steel Fe-38Mn melted by vacuum induction furnace were investigated. The results show that the available nitrogen content can obviously improve the cryogenic impact toughness of steel to modify the fracture morphology from intergranular fracture to quasi-cleavage fracture.Material Index：High Mn Austenitic Steel, Nitrogen, Cryogenic Impact Toughness80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47。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10 mm14 mm30 mm的钢板，经1 150 奥氏体化后，淬入10%的冰盐水中。垂直于轧制方向加工出 10 mm10 mm55 mm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/%Table 1 Chemical compositions of testing steel/%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.1Effect of temperature on impact energy of high Mn austenitic steel with two different nitrogen contents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.2Impact fracture morphology of No 1 steel with 0.002% N (a) and No 2 steel with 0.058% 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化作用，只有氮在晶界处产生偏聚，其韧化晶界的作用才能体现出来。根据文献6的偏聚系数计算公式，氮在晶界的偏聚系数为25，此外在高锰奥氏体钢中，锰还促进氮在晶界的偏聚7。在1号试样中，由于氮含量较少，因而其偏聚效果不明显，不足以抵消锰或杂质元素对晶界的脆化作用。而在2号试样中，由于含有较高的氮，其在晶界偏聚后增大了沿晶断裂功，减小了脆化倾向，进而提高了低温冲击韧性。由上述分析可知，通过向高锰奥氏体钢中加入适量的氮，可以显著的提高低温冲击韧性。值得指出的是，本文中的氮含量(0.058%)不一定是最佳的，对这一问题有待进一步的研究。4结论(1) 当氮含量较低时(0.002%)，对高锰奥氏体钢的低温冲击韧性没有显著的影响，冲击功仅为25J，断口为完全的沿晶断裂特征。(2) 当氮含量较高时(0.058%)，高锰奥氏体钢的低温冲击韧性上升为130J，断口为韧性占主导的准解理断裂特征。基金项目：本文课题为国家自然科学基金资助项目。作者简介：付瑞东，男，31岁，讲师(在读博士)。从事钢的微合金化机理等研究。作者单位：付瑞东(燕山大学材料化工学院，秦皇岛 066004)郑炀曾(燕山大学材料化工学院，秦皇岛 066004)参考文献：1Morris Jr J W, Wang S K. Advances in Cryogenic Engineering Plenum Press. N.Y., 1978,(24)：912Tomota Y, strum M. Metal.Trans., 1987,18A:10733Morris Jr J W., Advances in Cryogenic Engineering Materials, Plenum Press, N.Y., 1986,(32):14Xue K S, et al. Cryogenic Materials 88,ICMC, 1988:5015柴寿森.金属学报，1988,24A：246梁广成，肖纪美.中国科学，1993,23A：2137高氮钢文集.北京：机械工业出版社，1991