高锰钢衬板在冲击载荷下的裂纹扩展规律,主要受材料特性、载荷条件及工艺处理三方面因素影响。
高锰钢作为奥氏体钢,在单相奥氏体状态下具有优良的冲击韧性,原始硬度较低但加工硬化效果显著。当承受冲击载荷时,表面金属发生塑性变形,形成硬化层,硬度大幅提升,低冲击时可达HB300-400,高冲击时可达HB500-800,硬化层深度可达10-20mm。这种加工硬化特性使高锰钢衬板在强冲击磨料磨损条件下具有优异的抗磨性能,裂纹扩展速度相对较慢。
裂纹萌生通常始于试样缺口根部或材料内部缺陷处,如非金属夹杂物、碳化物析出相尖角等。在冲击载荷作用下,这些区域产生应力集中,引发裂纹萌生。裂纹扩展阶段,高锰钢的塑性变形能力使裂纹扩展相对缓慢,裂纹路径呈曲折状,这是由于残余奥氏体阻碍裂纹扩展,使裂纹分叉或沿曲折路径扩展,提高断裂所需能量。同时,冲击载荷下材料表面形成的纳米结构组织也影响裂纹扩展,高锰钢表面纳米化后,裂纹萌生、扩展位置离表面较浅,磨屑厚度减小,耐磨性大幅提高。
工艺处理对裂纹扩展规律影响显著。水韧处理可获得单一奥氏体组织,提高韧性和抗裂纹扩展能力;时效处理则通过第二相析出强化材料,但时效温度需严格控制,350℃时效可获得好的综合力学性能,时效温度过高会导致第二相转变为针状并在晶界析出,降低冲击韧性,加速裂纹扩展。