（材料加工工程专业论文）sus304奥氏体不锈钢的摩擦学性能及摩擦诱发相变行为.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 由于在恶劣环境中具有优良的抗氧化和耐腐蚀性能，奥氏体不锈钢广泛地 应用于工业中的各个领域。然而，奥氏体不锈钢的缺点是硬度低、摩擦学性能 差，而且易与其配副的对偶材料发生粘着并形成粘着磨损，从而拉伤对偶表面， 造成严重磨损。研究奥氏体不锈钢成形过程中的摩擦学问题，探讨在摩擦过程 中材料发生的形变和组织演化及对其摩擦学行为的影响，有利于合理地选择摩 擦副材料及表面处理技术，改善工件的使用寿命，节约材料和能源。本文采用 销盘式摩擦磨损试验机对3 0 4 型亚稳奥氏体不锈钢与不同配副( g c r l 5 轴承钢 球和a 1 2 0 3 陶瓷球) 的摩擦学性能进行研究，通过x r d 、s e m 和显微硬度测试 对磨痕表面和次表层的摩擦诱发相变行为、磨痕形貌、摩擦变形层的显微硬度 进行了较为系统的分析，得出如下主要结论： ( 1 ) s u s3 0 4 奥氏体不锈钢在摩擦过程中的摩擦系数受载荷影响较大， 与g c r l 5 钢球组成配副时，摩擦系数的大小随载荷的变化不明显，与a 1 2 0 a 陶 瓷球组成配副时，摩擦系数随载荷的增大而增大。随摩擦时间的增加，s u s3 0 4 奥氏体不锈钢摩擦过程中的磨损量呈现上升趋势，比磨损率呈下降趋势。 ( 2 ) 摩擦开始至摩擦系数剧烈波动前的一段时间内，摩擦系数较为平稳， 这段时间可定义为“摩擦转变孕育期”。载荷相同( 5 0 n ) 时，滑动速度越大， 摩擦转变孕育期越短。 ( 3 ) s u s3 0 4 不锈钢与g c r l 5 钢球和a 1 2 0 3 陶瓷球组成配副时的磨损机 理是磨粒磨损和粘着磨损的综合作用，所不同的是，与g c r l 5 钢球组成配副时， 以粘着磨损为主；与a 1 2 0 3 陶瓷球组成配副时，以磨粒磨损为主。 ( 4 ) 在摩擦开始阶段的s u s3 0 4 奥氏体不锈钢的磨痕表面即发生了摩擦 诱发奥氏体向马氏体转变的现象。载荷和滑动速度的增加导致摩擦变形层产生 较大形变和较多缺陷以及晶粒细化，这些变化阻碍了马氏体的形成、长大，从 而使得马氏体的诱发转变量减小。 ( 5 ) s u s3 0 4 奥氏体不锈钢磨痕处的显微硬度从次表层到表层呈上升趋 v 上海大学硕士学位论文 势。在滑动速度相同的情况下，摩擦应力导致的晶粒细化、马氏体相变和高密 度位错使得磨痕表层的显微硬度随载荷增加而增大。摩擦诱发的马氏体转变量 与显微硬度没有直接关系。 关键词：3 0 4 不锈钢：摩擦系数；显微硬度；马氏体相变 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t a s t a b l ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la r ew i l d l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a lf i e l d sf o r m e i re x c e l l e n to x i d a t i o na n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ei na g g r e s s i v ee n v i r o n m e n t s h o w e v e r , t h e ye x h i b i tar e l a t i v e l yl o wh a r d n e s sa n dp o o rt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n d a l ee a s yt oa d h e r et ot h ec o u n t e r p a r t ，s ot h a t1 h e ya r en o ta b r a s i o n - r e s i s t a n tm a t e r i a l a n de a s yt od e s t r o yt h ec o u n t e rs u r f a c eo ft h em o l d i tw i l lb eh e l p f u lt os e l e c tf i g h t c o u n t e r p a r ta n ds u r f a c ed e a lt e c h n i q u e s ，a n dt os a v em a t e r i a la n de n e r g ys o u r c e t h r o u g hs t u d y i n gt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e si nt h ef o r m i n gp r o c e s s ，t h ed e f o r m a t i o n a n dp h a s et r a n s f o r m a t i o no ft h em a t e r i a l si nt h ep r o c e s so ff r i c t i o n a3 0 4t y p e m e t a s t a b l ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e li ss t u d i e di nt h i sp a p e r as s t - s tp i n - o n - d i s c m a c h i n ei su s e dt os t u d yt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fs u s3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw h e n t h ec o u n t e r p a r tb a l l sa r eg c r l5s t e e lb a l l sa n da 1 2 0 se e r a m i eb a l l s t h e m i e r o h a r d n e s so ft h ed e f o r m e da r e a , t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt h em o r p h o l o g i e s o i lt h es u r f a c ea n ds u b s u r f a c eo ft h ew e a rt r a c eo fs u s3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw e r e a n a l y z e db yx r d ，s e ma n dm i c r o h a r d n e s ss c l e r o m e t e r , t h er e s u l t sc a nb ed e d u c e d a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fs u s3 0 4i sg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h ea p p l i e dl o a d t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e dw i t ht h el o a dw h e nt h ec o u n t e r p a r tb a l l sa r ea 1 2 0 3 c e r a m i cb a l l sw h i l ei tc h a n g e dl i r l ew h e nt h ec o u n t e r p a r t sa r eg c r l 5s t e e lb a l l s t h e w e a rl o s sd u r i n gf r i c t i o np r o c e s si n c r e a s e sa n dt h es p e c i f i cw e a l r a t ed e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo f t e s t i n gt i m e ( 2 ) i nt h eb e g i n n i n go ff r i c t i o np r o c e s s ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t sd o n tc h a n g ea c u t e l y b e f o r eas u d d e na r i s i n g t h i sp e r i o dw a sd e f i n e da s t h eg e s t a t i o np e r i o do ff r i c t i o n t r a n s f o r m a t i o n i ts h o r t e n e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs l i d i n gs p e e du n d e rt h es a m e1 0 a d ( 5 0 n 1 ( 3 ) t h ew e a rm e c h a n i s mo fs u s3 0 4s t a i n l e s ss t e e li st h ec o m b i n a t i o no fa d h e s i v e a n da b r a s i v ew e a rd u r i n gt h ef r i c t i o no fs u s3 0 4s t a i n l e s ss t e e lw h e t h e rt h e c o u n t e r p a r tb a l l sa r eg c r l 5s t e e lb a l l so ra 1 2 0 3c e r a m i cb a l l s h o w e v e r , t h e v n 上海大学硕士学位论文 d i f f e r e n c ei st h a ti ti sd o m i n a t e db ya d h e s i v ew e a rw i mt h es t e e lc o u n t e r p a r t s a n di t i sd o m i n a t e db ya b r a s i v ew e a rw i t l lt h ec e r a m i c c o u n t o r p a r t s ( 4 ) 1 1 l ef r i c t i o n - i n d u c e dt r a n s f o r m a t i o nf i o ma u s t e n i t et om a r t e n s i t eo nt h ew e a l t r a c 七o fs u s3 0 4s t a i n l e s ss t e e li nt h eb e g i n n i n go f t h ef r i c t i o np r o c e s s n 怆q u a n t i t y o ft h et r a n s f o r m e dm a r t o n s i t ed e c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e a s eo ft h ea p p l i e dl o a da n d s l i d i n gs p e e d 1 1 1 el a r g ed e f o r m a t i o n , t h em o r ed i s l o c a t i o na n dt h ef i n e dc r y s t a l l i n e g r a i n sw i l lb et h er e a s o n st h a tm a k et h ef o r m a t i o na n dg r o w t ho ft h em a r t e n s i t e d i f f i c u l t ( 5 ) t h em i c r o h a r d n e s so ft h es u s3 0 4s t a i n l e s ss t e e lm c r e a s 部f r o mt h es u b s u r f a c e u p t ot h es u r f a c eo ft h ew e a l t r a c e f i n e dg r a i n ，t r a n s f o r m e dm a r t e n s i t ea n dah i 曲 d e n s i t yo fd i s l o c a t i o n sm a yb et h er e a s o n st h a tm i c r o h a r d n e s si n c r e a s e sw i t ht h e a p p l i e dl o a d t h e r ei s1 1 0d k c c tr e l a t i o nb e t w e e nt h ef r i c t i o n i n d u c e dm a r t c n s i t e t r a n s f o r m a t i o na n dt h em i c r o h a r d n e s s k e y w o r d s ：3 0 4s t a i n l e s ss t e e l ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，m i c r o h a r d n e s s ， m a r t e n s i t e 缸a n s f o r m a t i o n i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 斗 签名：耋! 鳘叠日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期：竺型 上海大学硕士学位论文 前言 第一章绪论 奥氏体不锈钢在恶劣环境中具有优良的抗氧化和耐腐蚀性能，同时具有优 良的机械性能，因此广泛应用于工业中的各个领域，如生物、医学、食品业、 核工业等。奥氏体不锈钢根据奥氏体的稳定性可分为稳态和亚稳态奥氏体不锈 钢。稳态奥氏体不锈钢在大量变形后仍能保持奥氏体显微结构，如3 0 1 型不锈 钢；而亚稳态奥氏体不锈钢在应力应变作用下容易发生奥氏体向马氏体转变， 其中较为常见的是3 0 4 型f e - c r - n i 亚稳奥氏体不锈钢。 f e c r - n i 亚稳奥氏体不锈钢虽然具有优良的抗氧化和耐腐蚀性能，但是亚 稳奥氏体不锈钢还具有一些特殊性能：( 1 ) 亚稳奥氏体在变形过程具有强烈的 加工硬化趋向；( 2 ) 亚稳奥氏体具有应力一应变诱发相变的特性；( 3 ) 亚稳奥 氏体不锈钢与其配副对偶材料极易产生粘着、转移，形成粘着磨损。亚稳奥氏 体不锈钢的成形性不仅取决于材料本身固有的特性( 加工硬化、粘着、转移) ， 还与模具的摩擦特性密切相关。在成形过程中，摩擦影响材料的流动、改变材 料的应力、应变分布、表层硬化等。因此无论是研究材料成形过程的机理，还 是研究成形性，或成形过程的模拟，摩擦都是一个必须重视的因素。 目前，在对亚稳奥氏体不锈钢成形过程的研究中，对应力一应变诱发相变 特性进行了较多研究，但是关于其中的摩擦学问题并没有引起足够的重视。 r i v i e r e 对a i s i3 0 4 奥氏体不锈钢在名义应力小于材料弹性极限的滑动摩擦实验 结果显示，摩擦表面产生了明显的磨损和擦伤痕迹，并且发生了奥氏体向马氏 体的摩擦诱发相变现象【l 】，说明在研究亚稳奥氏体不锈钢的成形问题时，也应 重视其中的摩擦学问题，特别是摩擦诱发的奥氏体向马氏体转变行为对摩擦学 行为的反刍的影响。因此，只有对摩擦过程中亚稳奥氏体不锈钢发生的粘着磨 损、形变和相变特性进行深入研究，才有可能合理地选择摩擦副材料及表面改 性或修饰工艺，提高材料的使用寿命，节约材料和能源。 上海大学硕士学位论文 1 1 亚稳奥氏体不锈钢的加工硬化 金属的加工硬化是其在塑性变形过程中，随着形变程度的增加，金属的强 度和硬度上升，塑性和韧性下降的一种本质现象。 1 1 1 亚稳奥氏体不锈钢的力学性能 奥氏体不锈钢的力学性能呈现以下特点：( 1 ) 屈服强度较大；( 2 ) 屈服强度 抗拉强度比较小，如s u s3 0 4 奥氏体不锈钢的o j 为2 0 5n r a m 2 ，以为5 2 0 n 珈l m 2 1 2 1 ， 因此其屈强比( o 。a b ) 一般在4 0 5 0 之间【3 1 ：( 3 ) 具有较高的 加工硬化指数。 屈服强度是材料开始塑性变形的抗力，屈强比表明材料不被破坏所能承受的 最大外力的能力。屈强比小的材料成形性好，即总变形伸长率大，它可以获得更 大的塑性变形。 广泛用于描述常用工程材料加工硬化的经验方程采用l u d w i k 关系；o - = 【g n ， 其中，盯为真应力，s 为真应变，k 为强度因子，h 为加工硬化指数。采用这 种模型意味着加工硬化指数n = d o n a ) d 以城j 为常数，且双对数l m t - l n e 关系表 现为直线。实际上，不同材料、不同组织结构状态和不同形变条件下的加工硬化 曲线在双对数坐标中并不一定为直线，或者只有曲线的一部分可以近似看作为直 线，即在整个真应变范围内加工硬化指数不为常数，而是与应变有关的参数。如 图1 1 为l n 口- l n e 双对数坐标中3 0 4 奥氏体不锈钢的加工硬化曲线形状，可见 l n a - l n 并不成直线关系，因此不能使用简单的盯= 模型表达该材料的加工硬 化特性。有研究表明【4 ，5 】3 0 4 奥氏体不锈钢的加工硬化曲线可用，；肪”m h s 表示， 对于不同的结构状态和形变条件，常数k 、n l 和n 2 有不同的值，林高用等人的研 究得出3 0 4 奥氏体不锈钢均匀拉伸塑性变形的加工硬化曲线可描述为： 盯= 1 6 3 8 4 3 e o 6 3 2 8 + 0 0 3 6 1 船( m p a ) 。 2 上海大学硕士学位论文 i n 占 图1 1 双对数坐标中3 0 4 奥氏体不锈钢的加工硬化曲线的形状 表1 1 【3 l 所示为奥氏体不锈钢中最具代表的1 8 8 型不锈钢和几种常用塑性 加工材料的玎值，从表中可以看出奥氏体不锈钢的n 值较高。硬化指数用来衡 量金属材料的加工硬化能力，硬化指数大，说明在变形过程中，流变应力随变形 程度的加大而迅速增加”一。由于奥氏体不锈钢的层错能低，流变应力的增加使 得应变也增加，硬化指数也随着增加。图1 2 是在不同拉伸速度下3 0 4 奥氏体不锈 钢室温拉伸的真应力一真应变曲线，曲线数据取自屈服后与缩颈前的均匀塑性变 形阶段由图1 2 可见，在各种拉伸速度下，其真应力真应变曲线均表现为近似 直线形状，高应变下应力稍甜4 1 。 表1 1 几种常用塑性加工材料的硬化指数 材料铝( 软质)软钢铜1 8 8 不锈钢1 n 值 o 2 9o 2 5o 3 6 0 5 1 3 上海大学硕士学位论文 蠢 毫 b 震 翅 蕾 图1 23 0 4 奥氏体小锈钢室温拉伸真应力一真应变曲线 行值与面心立方金属的层错能有关，表1 2 是部分常用金属的n 值与层错能 之间的关系，可以看出n 值随层错能的增加而减小【引。由表1 2 ，奥氏体不锈钢为 层错能较低的面心立方金属，因此其加工硬化的趋势很大。 表1 2 几种金属的层错能和n 值 金属 晶体类型层错能1 0 一j m - 2硬化指数n 奥氏体不锈钢面心立方 5 5 0 工5 0 0 3 3 2 1 5 0 d i s t a n c e ( 1 0 p m ) ( a ) 5 0 n 上海大学硕士学位论文 d i s t a n c e ( 1 0 t t m ) ( c ) 1 0 n 图6 3 不同载荷下，s u s3 0 4 与g c r l 5 钢球配副，经不同滑动速度( o ，0 6m s ，o 1 3m s ， o 1 9m s ) 摩擦磨损后，磨痕表层至次表层显微硬度的变化 6 2 2 与a 1 2 0 3 组成配副时，s u s3 0 4 盘的磨痕表层和次表层的硬度 图6 4 为s u s3 0 4 不锈钢在滑动速度为0 1 9 m s 时在不同名义载荷下( 5 0 n ， 3 0n ，1 0n ) 与a 1 2 0 3 陶瓷球配副的摩擦磨损实验后磨痕表层至次表层的显微 硬度分布。磨痕处的显微硬度随距磨痕表层距离的增大呈下降趋势，最后该值 变化趋于平缓，且载荷越大，显微硬度的极大值也越大，下降的速率也最大。 当载荷为l o n 时，在0 弘m 约1 4 0t i m 的范围内，显微硬度随至磨痕距离 的增大而减小，距离大于约1 4 0t t m 时，显微硬度变化趋势趋于平缓。当载荷为 3 0 n 时，在0 岫n 约2 7 0 岫的范围内，显微硬度随至磨痕距离的增大而减小， 距离大于约2 7 0t t m 时，显微硬度变化趋势趋于平缓。当载荷为5 0n 时，在0 u m 约3 2 0i x m 的范围内，显微硬度随至磨痕距离的增大而减小，距离大于约 3 2 0t t m 时，显微硬度变化趋势趋于平缓。即在相同滑动速度下，随载荷增加， 显微硬度变化的幅度也增加。这个结果与当对偶为g c r l 5 钢球时，显微硬度与 距磨痕表层距离的变化规律相同，且与对其他f c c 金属的磨痕硬度沿深度的测 试具有很好的一致性【5 5 】。 7 l 上海大学硕士学位论文 d i s t a n c e ( 1 0 m ) 图6 4s u s3 0 4 与a 1 2 0 3 陶瓷球配副，不同载荷下磨痕表层至次表层的显微硬度分布 图6 5 是滑动速度0 1 9m s ，载荷为5 0n 下，s u s3 0 4 与a 1 2 0 s 陶瓷球配副 时，经过不同摩擦时间后磨痕表层至次表层的显微硬度分布。由图6 5 可以看 到，当摩擦时间为2m i n 时，显微硬度在0 约6 0 岬显微硬度随至磨痕距离增 大而减小，距离大于约6 0t u n 时，显微硬度变化趋势趋于平缓；当摩擦时问为 5m i n 时，显微硬度在o 约1 1 0i t m 显微硬度随至磨痕距离增大而减小，距离 大于约1 1 0t i m 时，显微硬度变化趋势趋于平缓；当摩擦时间为3 0m i n 时，显 微硬度在o 约1 4 0 m 显微硬度随至磨痕距离增大而减小，距离大于约1 4 0f m 时，显微硬度变化趋势趋于平缓。由此可见，随着摩擦时间的延长，显微硬度 发生变化的范围增大( 摩擦时间从2m i n 增加到3 0m i n ，范围从6 0p m 增加到 1 4 0 岫) ，并且显微硬度的变化范围明显扩大发生在摩擦的最初几分钟内。 图6 5 滑动速度o 1 9m s ，载荷为5 0 n 下，s u s 3 0 4 与a 1 2 0 3 陶瓷球组成配副，经不同摩擦 上海大学硕士学位论文 时间后磨痕表层至次表层的显微硬度分布 6 2 3 两种配副材料的s u s3 0 4 盘的磨痕表层和次表层的硬度比较 从图6 3 和图6 4 可知，显微硬度的最大值出现在距离磨痕最近的表层，从 材料磨痕处的表层至次表层，显微硬度下降，最后趋于平缓。根据图6 3 和图 6 4 ，将显微硬度变化趋于平缓的初始距离列于表6 1 中。 由表6 - 1 可知，当载荷相同时，随着滑动速度的加大，显微硬度变化的范 围增加了；相同滑动速度下，随着载荷的增加，显微硬度变化的范围也增大了； 相同的载荷、滑动速度和摩擦时间时，s u s3 0 4 与a 1 2 0 3 陶瓷球组成配副时， 磨痕处显微硬度变化趋于平缓的初始距离更大。 表6 - 1s u s 3 0 4 与g c r l 5 钢球配副，显微硬度变化趋于平缓的初始距离 ( 摩擦时间为3 0m i n ，括号内是s u s 3 0 4 与a 1 2 0 3 陶瓷球配副时，显微硬度变化趋于平缓 的初始距离) o 0 6 m s0 1 3 m so 1 9 m s l o n 1 2 0 t t m 1 4 0 t t m ( 1 2 0 肛n ) 3 0 n 8 0 t t m 1 6 0u m 2 0 0 t t m ( 2 7 0 p m ) 5 0 n1 2 0 哪 ! 6 0 t t m2 0 0 t t m ( 3 2 0 “m ) 图6 6 是滑动速度为0 1 9 m s 时，不同载荷( 图6 6 ( a ) 为1 0 n ，图6 6 ( b ) 为5 0n ) 下，s u s3 0 4 与不同配副( g c r l 5 钢球与舢2 0 3 陶瓷球) 摩擦后磨痕 表层至次表层的显微硬度分布。图6 7 是滑动速度为0 1 9m s ，载荷为1 0n ， 摩擦时间为3 0m i n 时，s u s3 0 4 分别与g c r l 5 钢球( a ) 和a 1 2 0 3 陶瓷球( b ) 配副时 磨痕次表层的显微结构。由图6 6 中可以看出，相同摩擦条件下，奥氏体不锈 钢与g c r l 5 钢球组成配副时，磨痕表层的显微硬度比与陶瓷球组成配副时的显 微硬度更高些，这种趋势在载荷较小的情况下( 1 0n ) 表现得更为明显。这是 由于在相同的载荷和滑动速度下，奥氏体不锈钢与g c r l 5 钢球配副时，其表面 的粘着更为严重，如图6 7 所示。大范围的粘着使得摩擦力也更大，塑性变形 上海大学硕士学位论文 区也更大，晶粒细化更为明显，表现为显微硬度值更高。 至 图6 6 滑动速度o 1 9m s 时，不同载荷下s u s3 0 4 与不同配副摩擦后磨痕表层至次表层的 显微硬度分布 上海大学硕士学位论文 ( b ) 图6 7 滑动速度为o 1 9m s ，载荷为l on ，摩擦时间为3 0r a i n 时磨痕次表层的显微结构 ( a ) s u s 3 0 4 - g c r l 5 钢球；( b ) s u s 3 0 4 - a 1 2 0 3 陶瓷球 6 3影响磨痕表层显微硬度变化原因探讨 由以上分析可知，在低载低速滑动摩擦实验后磨痕表层的显微硬度变化较 小，在高载高速实验后磨痕表层的显微硬度显著提高。载荷、滑动速度和摩擦 时间的增加使得磨痕次表面变形区更大，变形组织更细密，晶粒( 亚晶或压微 米、纳米晶) 更细小，这与h o w 与b a k e r 的实验结果1 5 5 】一致。由于在载荷和摩 擦剪切力的作用下，使得磨痕次表面产生变形区，在变形区域内变形层产生了 高密度的位错、孪晶分割了原始晶粒呻】 6 1 1 ，使得晶粒细化。由于晶粒细小， 各个晶粒问存在位向差，为了协调变形，每个晶粒须进行多滑移，而多滑移势 必造成位错的相互交割；晶粒小，晶界就多，变形晶粒中的位错在晶界处受阻， 每一晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近，这样，一个晶粒的塑性形变就无法 直接传播到相邻的晶粒中去，于是相邻晶粒的塑性变形就只能依靠其内部位错 源的重新开动；在外力的作用下，只有当晶界上的应力集中等于位错开动的临 界应力时，相邻晶粒内的位错源才会开动，产生位错的滑移和增殖，造成塑性 变形，应力集中f 的大小决定于塞积的位错数目n ( z = n r o ) ，h 越大，则应力集 中也越大，而以又正比于晶粒尺寸，晶粒细小，那么晶界到位错源的距离也就 7 5 上海大学硕士学位论文 小，栉也就越小，那么应力集中也小， 应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形， 层的硬度值。根据h a l l - p e t c h 公式l 蚓 所以当晶粒越细小，需要在更大的外加 这些因素都会大大提高磨痕表层和次表 h v = h v 0 + 1 5 9 ( b l d ) m ( 6 1 ) 这里是剪切模量，b 是b e r g e r s 矢量，d 是晶粒大小。可以看出当晶粒 越细时，显微硬度也就越大。由此可知，正应力和摩擦剪切应力导致的晶粒细 化和高密度位错是使磨痕表层和次表层的硬度随载荷的增加而增加的主要原 因。 s u s3 0 4 与灿2 0 3 陶瓷球配副时，在滑动速度为o 1 9m s 和载荷为5 0n 时， 摩擦时间为3 0 m i n 和2 m i n 时( 图5 2 ( c ) ( e ) ) ，在磨痕表面也形成了所谓的“白 层”。钢铁滑动摩擦表面的大量研究【6 1 删已经证实，自层是一种异于淬火马氏 体的马氏体组织，其组织更加细密，硬度更高。这表明，在摩擦过程中，亚稳 态的奥氏体在摩擦力作用下发生了马氏体相变，类似结果很多【1 7 1 1 3 4 】h 4 】【4 5 】【6 5 1 。 亚稳态的奥氏体在摩擦力作用下发生的马氏体转变也是提高磨痕表层显微硬度 的原因之一，并且相变引起的白亮层也是由摩擦热致使表面温度升高为主要原 因而引起的热粘着的明显标志【州，这也从另一方面表明了s u s3 0 4 的磨损主要 为粘着磨损。 6 4 本章小结 ( 1 ) 从材料磨痕处的次表层至表层，显微硬度是升高的，显微硬度的最大值出 现在距离磨痕最近的表层，随后显微硬度下降，最后趋于平缓。滑动速度相同 时，磨痕表面的显微硬度随实验载荷增加而增加。 ( 2 ) 磨痕次表层显微硬度的变化趋于平缓的初始距离随载荷、滑动速度、摩擦 时间的增加而增加，并且显微硬度的变化范围明显扩大发生在摩擦的最初几分 钟内。 ( 3 ) 正应力和摩擦剪切应力导致的晶粒细化和高密度位错的综合作用是磨痕 表层和次表层的显微硬度增加的主要原因。 上海大学硕士学位论文 7 1 结论 第七章结论 本文以s u s3 0 4 奥氏体不锈钢为研究对象，针对亚稳奥氏体不锈钢板在成 形过程中与模具的摩擦学问题，采用销盘式摩擦实验机来模拟研究当对摩件为 g c r l 5 模具钢和a 1 2 0 3 陶瓷时，亚稳奥氏体不锈钢的摩擦磨损性能。利用金相 显微镜、x r d 、s e m 以及显微硬度计来研究磨痕表层和次表层的微观结构变化、 硬度变化及摩擦诱发的马氏体相变行为，得到以下结论： 1摩擦开始至摩擦系数剧烈波动前的一段时间内，s u s3 0 4 奥氏体不锈钢的摩 擦系数变化较为平稳，我们将这段时间定义为“摩擦转变孕育期”。载荷相同时， 滑动速度越大，摩擦转变孕育期越短。引起摩擦系数波动的关键因素是名义载 荷的大小，载荷越大，摩擦系数的波动范围越大。 2s u s3 0 4 奥氏体不锈钢摩擦过程中的磨损量随实验时间的延长呈现上升趋 势，比磨损率随摩擦时间的增加而减少。 3s u s3 0 4 不锈钢与g c r l 5 钢球和a 1 2 0 3 陶瓷球组成配副时的磨损机理是磨粒 磨损和粘着磨损的综合作用，其中与g c r l 5 钢配副时，磨痕表面的粘着现象更 为严重。 4 在本研究的所有实验参数下，s u s3 0 4 奥氏体不锈钢在摩擦应力的作用下诱 发了奥氏体向马氏体的转变，马氏体转交在摩擦开始阶段就已形成。 5从磨痕次表层至表层，显微硬度呈升高趋势，显微硬度的最大值在距离磨 痕最近处的表层。在滑动速度相同的情况下，磨痕表面的显微硬度随载荷增加 而增大。磨痕次表层显微硬度的变化范围随载荷、滑动速度、时间的增加而增 加，并且显微硬度的变化范围明显扩大。 6摩擦应力导致的晶粒细化、马氏体相变和高密度位错的综合作用是磨痕表 层显微硬度增加的原因，其中晶粒细化和高密度位错的综合作用是磨痕表层的 显微硬度增加的根本原因。 上海大学硕士学位论文 7 2 展望 通过本文对s u s3 0 4 奥氏体不锈钢的摩擦磨损性能及摩擦诱发马氏体相交 的研究，得到了一些有意义的结果，但是在该研究领域还存在以下几方面值得 进一步扩充和深入： 1 1 奥氏体不锈钢摩擦学特性和摩擦诱发相变量之间的关系； 2 1 奥氏体不锈钢摩擦相变机理和动力学； 3 ) 改善奥氏体不锈钢磨损的措施。 上海大学硕士学位论文 参考文献 1 j er i v e r e c b r i n ，j p v f l a i n s t r u c t u r ea n dt o p o g r a p h y m o d i f i c a t i o n so f a u s t e a i f i cs t e e l s u r f a c e sa f t e rf i - i e t i o ni ns l i d i n gc o n t a c t 田a p p l p h y s a ，2 0 0 3 ，7 6 ：2 7 7 - 2 8 3 2 孙广能等主编进口钢材标准手册【m 】上海：上海科学技术出版社，2 0 0 3 ：1 7 4 3 郑伟刚，罗延科，银华奥氏体( y ) 系不锈钢的塑性加工特性研究【j 】锻压技术，2 0 0 5 ， 1 ：6 4 6 6 4 林高用，张蓉，张振峰，任芝兰变形速度对3 0 4 奥氏体不锈钢室温拉伸性能的影响 【j 】湘潭大学自然科学学报，2 0 0 5 ，2 7 ：9 1 9 4 5 田兴，田如锦，王爱宝奥氏体不锈钢3 0 4 l 和3 0 4 l n 的加工硬化特点们大连铁道 学院学报，2 0 0 1 ，2 2 ：5 9 6 4 6 徐洪民，赵振铎不锈钢薄板拉伸、冲压成形性能的试验研究 j 】 金属成形工艺， 2 0 0 3 ，2 1 ( 2 ) ：2 3 - 2 6 7 赵振铎，刘清津，王玉森不锈钢薄板拉深工艺中的摩擦与润滑阴锻压机械，1 9 9 7 2 ：3 3 3 5 8 孙茂才编著金属力学性能哈尔滨工业大学出版社【m 】，2 0 0 3 9 侯增寿，卢光熙编金属学原理嗍上海科学技术出版社，1 9 9 5 ：2 3 1 - 2 3 4 l o 崔忠圻编金属学与热处理 m 】哈尔滨工业大学机械工业出版社，1 9 9 0 “吕爱强，张洋，李瑛，刘刚，刘喜明表面纳米化对3 1 6 l 不锈钢性能的影响们材 料研究学报，2 0 0 5 ，1 9 ( 2 ) ：1 1 8 1 2 4 1 2 张洪旺，刘刚，黑祖昆，吕坚，卢柯表面机械研磨诱导a i s i3 0 4 不锈钢表层纳米 化晶粒细化机理 j 】金属学报， 2 0 0 3 ，3 9 ( 4 ) ：3 4 7 - 3 5 0 1 3 徐祖耀马氏体相变与马氏体 m 】北京：科学出版社，1 9 9 9 1 4 gb o l s o n ，m c o h e n k i n e t i c so fs t e m i n d u c e dm a r t e n s i t i cn u c l e a t i o n m m e t a l l t r a n s 1 9 7 5 ，6 a ：7 9 1 7 9 5 1 5 rgs t r i n g f e l l o w , d m p a r k s gb o l s o n ac o n s t i t u t i v em o d e lf o rt r a n s f o r m a t i o n p l a s t i c i t ya c c o m p a n y i n gs 仃a i n ：m d u c e dm a s t e n s i t i ct r a a s f o r m a t i o l 川a c t am e t a l l 。1 9 9 2 ， 4 0 ：1 7 0 3 - 1 7 1 6 1 6 y t o m i t a , h h a r a d a 工1 w a m o t o n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro ft r i p 上海大学硕士学位论文 s t e e l s j t r a n s j s m e ( i nj a p a n e s e ) ，1 9 9 4 ，6 0 ：1 6 5 2 1 6 5 9 1 7 曾其英1 8 8 型不锈钢的相变诱发塑性和形变马氏体m 机械工程材料，1 9 9 5 ，1 9 ( 2 ) ： 1 2 一1 4 1 8 王荣贵，沈莲，朱蕊花c r l 2 钢残余奥氏体应变诱发马氏体相变增韧【j 】兵器材料科 学与工程，1 9 9 6 ，1 9 ( 6 ) ：2 2 - 2 7 1 9 w o d s h y a nl e e ，c h i f e n gl i n i m p a c tp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no f3 0 4 l s m m l c s ss t e e l j m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g a ，2 0 0 1 ，3 0 8 ：1 2 4 - 1 3 5 2 0 j e o m - y o n gc h o i ，w o nj i n s t r a i ni n d u c e dm a r t e n s i t ef o r m a t i o na n di t se f f e c t0 1 1s t r a i n h a r d e n i n gb e h a v i o ri nt h ec o l dd r a w n3 0 4a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s c r i p t am a t e d a l i a ， 1 9 9 7 ，3 6 ( i ) ：9 9 1 0 4 2 1 温诗铸摩擦学原理【m 】清华大学出版社，2 0 0 2 2 2 张正修，马新梅，李欠娃冲压过程中的摩擦及润滑 j 】锻压技术2 0 0 1 ，6 ：5 8 2 3 赵振铎，许洪民，张志红，贾玉玺，王丽君金属板料塑性成形摩擦机理的力学模型 探讨阴塑性工程学报，2 0 0 3 ，1 0 ( 1 ) ：5 2 5 6 2 4 kl h s u t m a h n , a n dd a r i g n e y f r i c t i o n , w e a ra n dm i c r o s t r u c t u r eo f u n l u b r i c a t e d a u s t c n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s 明w e a r , 1 9 8 0 ，6 0 ：1 3 3 7 2 5 h u b n e rw - p y z a l ha k a s s m u se w i l dt w r o b l e w s k i p h a s es t a b i l i t yo fa i s i3 0 4 s t a i n l e s ss t e e l d u r i n gs l i d i n gw c l ra te x t r e m e l yl o wt e m p e r a t u r e j w e a r , 2 0 0 3 ，2 5 5 ： 4 7 6 4 8 0 2 6 h u b n e rw p h a s et r a n s f o m m t i o ni na u s t a n i t i cs t a i n l e s ss t e e l sd u r i n gl o wt e m p e r a t u r e t r i b o l o g i c a ls t r e s s i n g 唧t n b o l o g yi n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 1 ，3 4 ：2 3 1 2 3 6 2 7 b u s c h e rrg l d s i n gb ，d u d z i n s k iw ，f i s c h e ra t h ee f f e c t so fs u b s u r f a c ed e f o r m a t i o no n t h es l i d i n g w b e h a v i o r o f a m i c r o t e x t u r e d h i g h - n i t r o g e ns t e e ls u r f a c e 阴w e a r , 2 0 0 4 ，2 5 7 2 8 4 2 9 1 2 8 赵振铎，赵国群，贾玉玺金属板料冲压加工中的摩擦与润滑研究 j 】航空工艺技术 1 9 9 9 。1 ：1 8 - 2 1 2 9 赵振铎，刘清津，王玉森不锈钢板冲压加工润滑摩擦系数的试验研究【j 】锻压机械， 1 9 9 7 。6 ：3 5 3 6 上海大学硕士学位论文 3 0 邵明志，赵振铎，张召铎，韩强，王家安不锈钢板料塑性成形摩擦机理的研究 j 】锻 压装备与制造技术，2 0 0 4 ，1 ：4 1 - 4 3 3 1 毕红运，李诗卓，姜晓霞不锈钢腐蚀磨损过程中形变强化能力的研究们摩擦学学 报，1 9 9 8 ，1 8 ( 4 ) ：3 2 7 3 3 1 3 2 ，j t mq u ，p e t e rj b l a u ，t h o m a sr w a t k i m ，o d i sb c a v i n ，n a g r a js k u l k a m i f