（材料加工工程专业论文）中碳低合金等温淬火奥贝钢及其耐磨性的研究.pdf

佳木斯大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业的迅猛发展，金属耐磨材料在各工矿领域里得到广泛的需求和应 用，目前国内外对金属耐磨材料的研究重点仍然放在钼等贵重合金或硼等难溶合金方 面。本论文采用普通廉价的合金元素，通过元素合金化和等温淬火处理的方法，设计 一种新型的中碳低合金铸钢，并研究了组织结构对试验钢强韧性的影响以及磨料磨损 条件下试验钢的相对耐磨性，对确定材料所适应的使用环境和提高其使用寿命有重要 的理论和实际意义。 以a 3 钢边角料为原料添加铬、锰、硅元素以及少量的稀土，通过中频感应熔炼 及相应的炉前处理，在铸造条件下直接制备出试验所需的试验钢。试验钢经不同的等 温淬火工艺处理后分别进行了硬度和冲击韧性试验、金相组织观察分析和相对耐磨性 试验研究。结果表明，3 0 0 c 等温4 5 分钟，试验钢的显微组织为板条状贝氏体铁素 体基体上镶嵌着残余奥氏体，残余奥氏体的含量随着等媪温度的升高和硅含量的提高 而增多。残余奥氏体以薄膜状分布于贝氏体铁素体条间或者条内，当残余奥氏体以薄 膜状分布在贝氏体铁素体条内时，试验钢表现出极佳的强度与韧性配合：硬度 _ h r c 4 5 ，a r & 1 2 0 j c m2 ，o b 1 0 0 0 m p a 。 磨料磨损的试验研究表明，试验钢的宏观硬度与材料的耐磨性无线性关系；由于 试验钢具有优异的强韧性配合，并具有在较低应力下产生加工硬化的能力，因_ 而该试 验钢的耐磨性优于m n l 3 铸钢。滑动磨料磨损时，试验钢的磨损形貌具有犁沟的特征， 属于切削磨料磨损机制；当受到低应力冲击磨料磨损时，则在光滑的试样磨损表面上 产生深浅不同的凹坑和较大面积的剥落坑，属于疲劳磨损机制。磨料磨损试验结果也 说明，在滑动磨料磨损条件下，试验钢的耐磨性平均是m n l 3 铸钢的2 倍，成分( 讯) 为f e 0 3 9 c 1 2 6 s i 1 5 6 m n - 09 7 c r 的试样经过9 2 0 1 0 3 0 m i n 奥氏体化，3 0 0 4 5 m m 等温淬火后，其耐磨性为m n l 3 的3 倍；在低应力冲击磨料磨损条件下，试 验钢的耐磨性为m n l 3 铸钢的2 4 倍。 关键词：奥氏体贝氏体；等温淬火；力学性能；耐磨性；磨损机理 佳木斯大学硕士学位论文 s t u d i e so fa u s t e m p e r e da u s f e r r i t es t e e la n di t sw e a rr e s i s t a n c e c o n s i s t i n go fl o w a l l o ym e d i u mc a r b o n a b s l r a c t w l mt h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o d e mi n d u s t r i e s m a t e r i a l sw i t hh i g hw e a rr e s i s t a n c e a r er e q u i r e da n da p p l i e dw i d e l ym m a n yf i e l d n o wt h er e s e a r c ho nw e a rr e s i s t a n c es u l l f o c u so nt h ea d d i t i o no fv a l u a b l ea l l o y i n ge l e m e n t sm oo ri n s o l u b l ea l l o y i n ge l e m e n t sb a n ds oo ni nt h ec o i n n l o ns t e e l s an e wh n do fc a s ts t e e lw a sd e s i g n e dc o n s i s t i n go fl o w a l l o ym e d i u m c a r b o nb ye l e m e n ta l l o y i n ga n da n s t e m p e n n gi nt h ep a p e r t h ei n f l u e n c e so f m l c r o s t r u c t u r eo ns t r e n g t h - t o u g h n e s sa sw e l la sr e l a t i v ew e a rr e s i s t a n c eo ft h es t e e lu n d e r l o ws t r e s sc o n & t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hi sm e a n i n g f u lmr a i s i n gi t sw e a n n gl i f ea n d d e t e r m i n ew o r kf i e l d so f t h es t e e ln lt h e o r ya n dp r a c t i c e 1 1 1 es t e e lw a so b t a i n e db ya d d i n gc r , m n ，a n ds i ，af e wr a r ee a r t h si nt h er a wa 3s t e e l ， c a s t t h r o u g hm e d i u mf r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c e a l ls p e c i m e n sw e r ei s o t h e r m a l q u e n c h e d n l ch a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s st e s t sw e r ed o n e t h em i c r o s t r u c t u r e sw e r e o b s e r v e db yo m ，s e m t h er e s u l t ss h o wt h a tm l c r o s t r u c t a r e so ft h es t e e la r ec o m p o s e do fl a t h i n gb a i n l t i c f e r r i t em a t r i xw i t hal i t t l er e t a i n e da u s t e m t e ( a r ) ，a n da ri n c r e a s e sw i t ht e m p e r a t u r e i n c r e a s i n ga n ds i h c o ni n c r e a s i n ga f t e rs p e c u n e n sw e r eq u e n c h e d3 0 0 cf u r4 5m i n u t e s t h er e t a i n e da u s t e n i t ed i s t r i b u t e di nb a i n i t i cf e m t ei n t r a - l a t hi nt h ef o r mo ff i l m t h es t e e l e x h i b i t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s h a r d n e s si s 鲈e a t e rt h a nh r c 4 5 i m p a c t i n gt o u g h n e s si s g r e a t e rt h a na r 一 _ 1 2 0 j e r a 2 ，u l t i m a t es t r e n g t hi sm o r et h a no b1 0 0 0 m p a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo f t h es t e e l1 ss u p e r i o rt ot h a to f s t e e lm n l 3 a n dm a c r o h a r d n e s sh a sn o t h i n gw i t ht h ew e a rr e s i s t a n c ed u et oi t sg o o dt o u g h n e s s 1 1 1 e s t e e lh a ss 仃o n gw o r kh a r d e n i n ga b i l i t yu n d e rl o w e rl o a d t h ef u r r o wc h a r a c t e r i s t i ca r e f o u n du n d e rs l i d ea b r a s i v e ，w h i c hb e l o n g st oc u t - w e a rm e c h a n i s m d x f f e r e n td e e pn o t c h e s a n dd e s q u a m a t e sa r es e e nw h e ns a m p l e sa r ei m p a c t e da b r a s i o nu n d e r1 0 ws t r e s s ，w h i c h b e l o n g st of a t i g u ew e a rm e c h a m s mt h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h ew o r na n l o u n to fm n l 3 i st 饥l c et h es t e e lu n d e rs h d ew e a rr e s l s t a n c e t h ew o r na m o u n to f m n l 3i st h r e et i m e sa n d 2t i m e sm o r et h a nt h e s t e e l ( f e 0 3 9 c 1 2 6 s i 1 5 6 m n - 09 7 c r ( w t ) s u b j e c t e d t o a u s t e n i t i z a t e da n dt r e a t m e n tu n d e rs l i d ew e a rr e s i s t a n c ea n dl o ws t r e s sl o a d r e s p e c t i v e l y 佳木斯大学硕士学位论文 t h et e m p e r a t u r e si sa n s t e n i t i z a t e da n da u s t e m p e r e dt r e a t m e n t t h ep a r a m e t e ro f a u s t e n i t i z a t e dp r o c e s si sa b o u t9 2 0 。cf o r3 0 m i n u t e s t h ea u s t e m p e r e dp r o c e s si s3 0 0 。cf o r 4 5m i n u t e s k e y w o r d s ：a u s f e m t e - b a i n i t e ；a u s t e m p r e d ；m e c h a m c a lp r o p e r t i e s ；w e a r - r e s i s t a n c e ；w e a r m e c h a n l s m 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 签名：童专苹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蛰导师签名：岔宝位 日期： 趟2 塑塑 住木斯大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的意义 科学技术飞速发展的今天，虽然新型材料不断涌现，但是金属耐磨材料仍然在工矿 领域里因其特有的性能而得以广泛的应用。任何机件在接触状态下相对运动( 滑动、滚动 或滑动和滚动) 时都会产生摩擦，磨损是摩擦的结果。材料有断裂、腐蚀和磨损三种破坏 形式。物体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。磨损 主要分粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损、腐蚀磨损等1 1 l 。材料磨损尽管不象另外两 种形式，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。世界 工业发达的国家能源约3 0 是以不同的形式消耗在磨损上的，据统计，由磨损造成的经 济损失，美国约1 5 0 亿美元年，占国民经济总收入的4 ，西德约1 0 0 亿马克年，前 苏联约1 2 0 亿卢布年；我国每年耐磨材料的应用达到1 0 0 力吨，每年因磨损造成的损失 达4 0 0 亿元人民币。磨粒磨损又是机械设备和工模具失效的主要原因之一，在各种磨损 形式中，磨粒磨损约占6 3 【2 】。目前世界各国对耐磨材料的研究极为活跃，充满了机遇 与挑战，国内当前对金属耐磨材料的研究重点仍然放在钼等贵重合金或硼等难溶合舍方 面。我国c r m n s i 矿藏资源丰富，成本低廉，因此研究与开发只含有c r m n s l 合金元素的 耐磨材料，使之易成型，工艺简单，性能优良，这样既节约能源，又降低了成本，将在 农机具、工程机械、冶金等行业具有广阔的应用前景；同时研究在一定的磨损条件下材 料的耐磨性及其磨损机理，对确定材料所适应的使用环境和提高其磨损使用寿命有重要 的理论和实际意义，在国民经济发展中占有举足轻重的地位。 1 2 耐磨铸钢的研究 在各类耐磨材抖中，金属耐磨材料是应用最广的一类。它主要包括铸钢、铸铁、有色 金属和硬质合金。国外对耐磨材料的研究起步较早 3 1 ，目前国内广泛使用的高锰钢 z g m n l 3 就是英国人r a 哈德菲尔德( r a h a d f i e l d ) 于1 8 8 2 年发明的，堪称第一代耐磨材 料。时至上世纪3 0 年代，出现了第二代耐磨材料镍硬铸铁，其耐磨性远优于高锰钢， 但脆性很大，因而未能广泛应用。第三代耐磨材料是上世纪7 0 年代兴起的高铬铸铁( 钢) 。 其冲击韧性与镍硬铸铁相比有所提高，仍属于脆性材料，含c r 量高( 通常大于1 2 ) ，靠 m 7 c 3 型碳化物提高耐磨性，在某些工矿条件下耐磨性好，但在湿磨介质下，因m 7 c 3 型碳 化物与基体的电极电位差大导致原电池腐蚀，耐磨性急剧下降【4 】。之后人们又研制出低合 金高强度耐磨钢，通过合理的合金元素配比及热处理，可获得较佳的综合性能，合合元素 常用c r 、m n 、n b 、n i 和s i 等，通常采用马氏体转变、第二相强化等手段来提高耐磨性。 住木斯大学硕士学位论文 这些材料中，目前仍将高锰钢作为主要耐磨材料，但高锰钢在中、小冲击负荷下，由于以切 削磨损为主，故高锰钢难以发挥潜力【5 ，6 l 。我国生产和使用的耐磨铸钢主要是高锰钢和低 合金钢、此外还有一些中、高合金钢。耐磨铸钢的特点是：不但具有一定的耐磨性，同 时还具备高的强度和韧性，适合于冲击载荷工作的工况。低合舍耐磨铸钢的合金成份总 量在5 以下。其主要合金元素包括：锰、硅、铬、钼、镍等。加入这些合舍元素的主要 目的是提高钢的淬透性和淬硬性。与日本相比，我国的耐磨铸钢的特点是有相当一部分 钢号是根据我国国情加入稀土元素的。稀土的加入改善了钢的组织，提高了钢的机械性 能和耐磨性。另外我国的低合金铸钢还有一部分加入了硼，以提高其淬透性。 121 高锰耐磨钢的研究现状 奥氏体高锰钢从1 8 8 2 年英国人h u d f i e l d 研制成功至今已有1 0 0 多年的发展历史，并 成为传统的耐磨材料，受到广泛的应用。其典型的成分为【”c ( 叭) = o 9 1 3 ， m n ( w t ) = 1 1 - - , 1 4 ，经1 0 0 0 - - - 1 1 0 0 。c 水韧处理，可获得单相奥氏体组织，它的硬度不高 ( 船1 8 0 2 3 0 ) ，但韧性很好( a 之_ 1 5 0 j e r a2 ) ，在受到高的冲击载荷或高的压力时，其表层 产生加工硬化( h b 4 5 0 - 5 5 0 ) 。由于这种钢易于加工硬化，切削困难，一般都做成铸件。 在冲击载荷作用下，高锰钢的加工硬化深度可达1 0 2 0 r n m 。在磨损过程中，随着表层的 磨损，新的表层又产生形变硬化，因而具有良好的耐磨性。观察经过剧烈变形后高锰钢 零件的横断面，发现表层晶粒内存在滑移线，变形量越大，滑移线越多，显微硬度值越 高【8 , 9 1 。 关于高锰钢加工硬化的原因，至今仍没有一个满意而统一的解释。2 0 世纪中期出现 两种观点。一种观点【s j 认为是高锰钢中的奥氏体在形变过程中，沿奥氏体的滑移面形成 马氏体，用x 射线衍射可以证明马氏体的存在，马氏体使工件表面得到强化，从提高了 钢的耐磨性。另一种 9 1 观点认为是在形变过程中，高锰钢内部位错密度增高并形成层错， 使高锰钢中出现6 马氏体和形变孪晶。大量形变孪晶的形成使奥氏体组织细化和强化， 导致高锰钢的强化和耐磨性提高。后来李士同等人【l o l 采用热分析、磁分析、声发射、x r d 、 s e m 、t e m 、e d a x 、穆斯堡尔谱和电子探针等多种现代检测手段，并结合价电子结构理 论计算，研究了不同碳、锰含量的奥氏体锰钢的加工硬化行为，提出了锰钢奥氏体中形成 的f e m n c 原子团偏聚区阻滞滑移系启动和阻碍位错运动是造成高锰钢加工硬化的主要 原因的新观点。这些观点都是在一定的实验条件下得到了一定的实验数据，由于实验条 件的不同，如钢的化学成分、形变量、加载速度、应力状态等，试验结果往往不尽相同。 我国2 0 世纪5 0 , - - 6 0 年代几乎把高锰钢作为万能的耐磨材料使用。但在实践中发现， 高锰钢在中、低冲击载荷作用下由于得不到足够的冲击和摩擦，因此不能充分发挥其加 2 住木斯大学硕士学位论文 工硬化能力，耐磨性较差。并且，在某些高冲击应力的工况( 如凿削式磨损) 下，由于高 锰钢的加工硬化峰不在最表层，而在亚表层，该处的组织脆化萌生裂纹引起磨损表面的 剥落，故耐磨性能也比较差。而且其屈服强度低、易于变形。虽然为此国内外学者做了 许多工作以改善高锰钢的耐磨性，如高锰钢的合金化、适当降低碳锰比以及沉淀强化处 理。但是更多的人们在致力研究高锰钢的替代材料，并且己取得了丰硕的成果。下面将 分别介绍。 122 贝氏体耐磨钢的研究现状 1 9 3 0 年美国人ec b a i n 首次在钢中发现了贝氏体相变。1 9 5 2 年，柯俊及其合作者 s a c o t t r e l l 第一次对贝氏体相变的本质进行了研究，提出了贝氏体相变切变机制【1 1 1 ”，该 观点从2 0 世纪6 0 年代起受到了美国卡内基麦隆大学学派的挑战【1 3 】，2 0 世纪6 0 年代末， 美国冶金学家h i a a r o n s o n 及其合作者从能量上否定贝氏体转变的切变可能性，提出扩散 台阶机制【1 4 】这个学说被我国金属学家徐祖跃所认可【l5 1 。贝氏体转变机制仍然是目蓟国际 上两大学派的争论焦点，澄清这一争论不仅对贝氏体转变及相变理论将是一次重大突破， 对贝氏体钢及合金的应用也将起到重要的指导作用。为此，从事相变基础研究的许多国 内外科学家们，开展了对贝氏体相变及贝氏体钢的应用基础研究。非常欣慰的是，经过 无数科技工作者的努力，目前，我国无论是在贝氏体相变的理论研究还是在贝氏体钢的 应用基础研究领域中均处于世界一流水平。 迄今为止，在贝氏体相变理论方面研究的主要进展是【1 6 1 ：1 ) 中温组织中除b 。、b l 外 还发现了粒状组织和准贝氏体( b m ) ，b m 中的b f 和铜基合金中贝氏体均为单相组织，但亚 结构有所不同。2 ) 各类组织均有自己独立的c 曲线，由各c 曲线组成t 1 盯图，并形成多个 海湾。3 ) 贝氏体铁素体( b f ) 相变动力学不符合扩散型相变模型，只能说一定程度地受溶质 原子扩散的影响。4 ) 贝氏体预相变期母相中溶质原子发生扩散偏聚，贫溶质区即为形核位 置。5 ) 贝氏体板条在溶质扩散影响下相变基元沿缺陷面方向切变扩展而增宽( 厚) ，相变基 元平行叠加而伸长。6 ) 贝氏体在晶体学上有切变相变性质，在热力学上有切变相变可能。 我国学者对贝氏体转变的热力学、动力学、晶体学、形貌学到预贝氏体转变，进行 了全面系统的实验和理论研究【l ”，已取得重大进展，其中动态观察证明：含硅钢的下贝 氏体首先生成过饱和固溶体，然后在其内部析出碳化物，正如碳化物在上贝氏体外析出 一样，属于次生结构，从而统一了上、下贝氏体基体的生长方式，是钢中贝氏体相变研 究的一项重大突破，而且有力的推动了贝氏体钢的研制、应用与发展。 1 ) m o b 系或m o 系贝氏体钢 2 0 世纪5 0 年代，英国e b p i c k e n n g 等发明了m o b ( 钼一硼) 系空冷贝氏体钢。研 3 佳木斯大学硕士学位论文 究表明【i 引，m o b 系空冷贝氏体钢中m o 对中温转变( 贝氏体转变) 推迟作用显著低于高 温转变( p 转变) ，而b 可显著推迟铁素体转变，对高温转变影响小。m o 与b 结合可使 钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。m o b 系贝氏体钢的出现受到人们的 很大重视，但因m o 的原料价格高，同时又因m o b 钢的贝氏体组织转变温度高，产品强 度、韧度差。为降低此温度，必须将m o b 钢复合金化，又进一步提高了产品的价格，所 以推广应用及发展受到限制。 2 ) m n b 系贝氏体钢 2 0 世纪7 0 年代，清华大学方鸿生等在研究中发现【1 9 j m n 在一定含量时，可使过冷奥氏体 等温转变曲线上存在明显的珠光体相变与贝氏体相变的c 曲线分离；m n 与b 结合，使高温 转变孕育期明显长于中温转变，以此成功地用普通元素进行合金化，发明出m n b 系空冷 贝氏体钢。由于适量的m n 可导致其在中温下在相界处富集，对相界迁移起拖曳作用，与b 共同作用容易获得贝氏体；同时m n 显著降低贝氏体相变驱动力，使贝氏体相变温度降低， 细化贝氏体晶粒，改善韧性和强度。该钢突破了空冷贝氏体钢必须加入m o 、w 的传统设 计思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳m n b 系列贝氏体钢。方鸿生教授等发明和 发展的m n b 贝氏体钢系列己成为国际上两大类空冷贝钢之一，与另一类m o b 系贝钢相 比，具有成本低、性能优、工艺简单等优势。 3 ) 准贝氏体钢 西北工业大学康沫狂等人通过多年的研究，开发出由贝氏体铁素体和富碳的膜状残 余奥氏体组成的m n s i m o 准贝氏体钢【2 0 】。研究发现，在钢中加入硅、铝合金元素，可 以推迟r r r 曲线中铁素体和珠光体的开始析出线，而对贝氏体的开始析出线影响不大， 从而可以在很大的冷速范围内获得贝氏体组织。资料表明1 2 “，在贝氏体孕育期内，过冷奥 氏体形成贫碳区与富碳区，b f ( 贝氏体铁素体) 在过冷奥氏体的贫碳区切变形成，其间分白 着富碳的残余奥氏体薄膜( a r ) ，此时处于贝氏体转变的初期阶段，此类贝氏体即为准贝氏 体。准贝氏体中的a r 分为两类：一类是a r 分布在b f 条间并与b f 长轴平行；另一类是 a r 分布在b f 条内且与b f 长轴约呈1 5 0 2 5 0 角。在光学显微镜下，准贝氏体组织呈粒状 和针状形貌，冷速慢，粒状较多，冷速快，针状较明显。如果在贝氏体温度区长期等温，准贝 氏体中仍可析出b c ( 贝氏体碳化物) ，便形成了典型贝氏体。透射电镜高温原位观察证实 b c 既可从a r 中析出，也可从b f 中析出。准贝氏体组织具有优异的力学性能。与一般结 构钢相比，新型准贝氏体钢具有更好的强韧性配合，一般强度准贝氏体钢抗拉强度( o b ) 为 5 0 0 9 0 0 m p a ；冲击韧性( a k i i ) 为1 0 0 2 4 0 j c m 2 ，远高于此类强度结构钢的韧度 ( 5 0 - 1 0 0 j c m 2 ) ；其力学性能超过了当前的典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢【7 1 。 4 佳木斯大学硕士学位论文 可以看出，尽管人们在贝氏体转变中的许多细节问题上存在认识分歧，但是以i r v i n e 和p i c k e r m g 为先驱以及现代科技工作者们早已就贝氏体钢的设计和应用做了开创性的研 究，这是由于贝氏体钢以其组织结构、高韧性等优越性得益于基础研究而不断扩大应用。 1 3 国内外对奥氏体一贝氏体耐磨钢的研究现状 奥氏体一贝氏体钢是受高硅钢中无碳化物贝氏体的出现以及奥氏体一贝氏体球墨铸铁 的发明与工业应用的启发而开发出的 7 1 ，奥氏体一贝氏体钢复相组织因具有高强度、足够 的韧性、较高的硬度等优异的综合性能而受到人们的青睬。是近年来新发展起来的高强 度、高韧性新型耐磨钢。奥氏体一贝氏体钢获得主要有两种方法 2 2 1 ：一种是钢通过合金化 加入m o 、b 等元素，奥氏体化后空冷或淬火【2 3 1 ；一种是等温淬火复相热处理，即钢奥氏体 化后，淬入恒温保持在下贝氏体温度范围的热浴中，停留适当时间，随后淬火1 2 4 。奥氏体一 贝氏体耐磨钢目前主要用于低应力磨料磨损工况场合，如球磨机衬板、履带板和犁铧等。 该钢在合金设计上充分考虑了碳在钢中的强化作用和硅在贝氏体转变过程中强烈抑制碳 化物析出的作用，同时加入m n 、c r 等防止石墨化并提高淬透性。其显微组织特征为：钢 中的碳全部固溶于贝氏体铁素体和奥氏体中，不析出碳化物；基体组织贝氏体铁素体是 含碳硅等元素的过饱和固溶体，其亚结构为高密度位错；富碳奥氏体稳定性高，以薄膜 状均匀分布于贝氏体铁素体板条之间，与贝氏体铁素体交替均匀排列【2 5 】。 蒋业华等人【2 6 1 对s 1 m n c r 贝氏体一马氏体耐磨铸钢在测定其r 兀转变曲线的基础上 重点对该钢等温淬火复相热处理的组织和性能进行研究并与控制冷却工艺的性能相对比 为该钢工业化生产应用提供依据。试验钢的化学成份范围为0 4 0 给v o6 0 c ， 1 5 0 - 2 5 0 s i ，20 缸4 0 m n 。中频感应炉熔炼后浇注成1 0 m i n x l o m m 5 5 m m 无缺口 冲击试样。试验钢的热处理制度是：奥氏体化温度为8 5 0 。c ，等温转变时间为25 h ，等温 温度分别为：2 6 0 。c 、2 8 0 。c 、3 2 0 。c 、3 6 0 。c 。研究表明在2 6 0 。c 3 6 0 。c 等温转变其组织 转变产物为大致平行，呈板条束状、贝氏体铁素体和奥氏体相间的两相组织，组织中无碳 化物析出。该钢在2 6 0 。c 等温获得了较高的抗拉强度1 0 1 2 m p a ，但冲击韧性较低2 7j c m 2 。 王宝琦【2 7 1 等人对s i m n c r 试验用钢( c 三o 1 5 ，s i 16 ，m n _ 20 ，c r 0 5 ) ，分别 进行了淬火、等温淬火和空冷处理，试验结果表明淬火态下获得板条马氏体和其l 日j 的残 余奥氏体薄膜组织，等温淬火得到准贝氏体组织，锻造空冷状态下得到以板条马氏体为主 含贝氏体和少量位于板条间界的残余奥氏体薄膜复合组织，经3 0 0 。c 回火，无渗碳体析 出。采用3 0 5 。c 、3 2 0 。c 保温6 0 m n 等温淬火处理后，得到准下贝氏体组织，其残余奥氏 体薄膜不仅位于板条间界，而且在板条贝氏体铁素体的内部还存在很薄的残余奥氏体薄 膜。 5 佳木斯大学硕士学位论文 黄进峰、方鸿生等人研究了硅对贝氏体铸钢高应力冲击磨损性能的影响【2 s 】( 钢中碳 含量为03 2 ) ，指出当硅含量为07 时，其贝氏体铁素体片条内分布有大量的渗碳体， 碳化物的存在将促使裂纹的萌生和扩展，对钢的韧性不利。非碳化物形成元素硅能有效 增加碳在奥氏体中的活度，在贝氏体转变时使未转变的残余奥氏体富碳，抑制碳化物在 奥氏体中析出。当钢中硅含量达到12 时，铁素体条间或条内的部分富碳奥氏体以薄膜 状奥氏体的形态保留下来，这种富碳的薄膜状残余奥氏体具有很高的力学稳定性，钢的 强韧性高，故对钢的耐磨性有利。 控制冷却热处理技术是近年来发展的一种高效节能的热处理方法。中国矿业大学的 江力在奥氏体一贝氏体时磨钢控制冷却热处理试验研究中得出【2 9 1 ：( 1 ) 高碳s i m n 系奥贝 钢控冷( 油冷+ 空冷) 后，可以得到很高的强度( 1 1 0 0 - 1 5 0 0 m p a ) 和良好的塑性( 2 6 - - 1 4 ) ； 在定范围内随油冷的时间延长，强度硬度升高，塑性下降。( 2 ) 控冷后的组织主要是由 贝氏体铁素体和呈膜状及少量块状的残留奥氏体组成，奥氏体量可达到1 0 1 6 ：在一定 范围随油冷的时间延长，贝氏体铁素体板条间距减小；贝氏体基体强度高，可以承受大 的载荷以发挥其高强度高硬度的优势。 国外研究表明( 3 0 3 1 】，在奥氏体贝氏体钢中，贝氏体组织中板条问膜状奥氏体是保证 该钢有强韧性配合的原因。目前已研究开发的奥氏体一贝氏体钢的抗拉强度范围【3 2 3 3 j 一般 为5 0 0 - - - 9 0 0m p a ；高强度奥氏体一贝氏体钢达1 0 0 0 - - 1 5 0 0m p a ；超高强度奥氏体一贝氏体 钢可达1 6 0 0 2 0 0 0m p a 。一般强度的奥氏体一贝氏体钢冲击韧度一般为1 3 0 2 4 0 j c m 2 ，远 高于此类强度结构钢的韧度( 5 0 l o o j c m 2 ) ；高强度奥氏体一贝氏体钢达1 4 0 - 1 6 0 j c m 2 ， 亦高于此类强度调质钢的韧度( 5 0 9 0 j c m 2 ) ；而超高强度奥氏体一贝氏体钢仍保持 8 0 9 0 j c m 2 的韧度，同样高于3 0 0 m 钢的韧度( 7 0 j e r a 2 ) 。与o b 为1 2 0 0 - - 1 4 0 0 m p a 强度级 别的典型贝氏体钢( 5 = 1 2 ，a k , , = 4 0 j c m 2 ) 相比，奥氏体一贝氏体钢的韧塑胜都有提高，尤 其是韧度提高了2 3 倍。值得一提的是，奥氏体一贝氏体钢经炉外精炼后，其韧度还会 大幅度提高。奥氏体一贝氏体钢在疲劳载荷下，当裂纹尖端遇到a r 时，由于a r 较软，发 生塑性变形可吸收部分能量，a r 还可因诱发而产生马氏体相变从而削减应力峰，所形成 的高碳马氏体强度大，裂纹亦难以通过。奥氏体一贝氏体钢中贝氏体铁索体( b f ) 受分御其 上的a r 的细化，使裂纹扩展途径弯折，裂纹扩展速率降低 3 4 , 3 5 】。因此，与强度相近的马 氏体组织相比，奥氏体一贝氏体的疲劳强度和疲劳寿命均较高。由于具有优异的强韧性配 合及很高的破断抗力，并具有应力诱发马氏体相变现象，因而奥氏体一贝氏体钢的耐磨性 非常好，缺口敏感性也低。 总之，奥氏体一贝氏体钢主要通过合金化强化基体，然后进行必要的热处理可获得所 6 佳木斯大学硕士学位论文 需要的金相组织，提高材料的硬度，改善材料的组织结构和力学性能。 1 4 耐磨钢强韧化研究进展 目前的研究结果一致认为，材料磨损的原因之一是因其强韧性不足，从而在冲击磨损 条件下材料发生脆性剥落【3 “。因此，如何提高金属耐磨材料的强韧性是一直追求的目标， 特别是近2 0 年来，国内外根据用途和资源状况发展了一系列耐磨铸钢品种。而对于强烈 冲击条件下使用的耐磨铸钢研究的还不多。 研究表明，下贝氏体一马氏体复相组织改善钢的强韧性，上贝氏体一马氏体复相组 织恶化钢的强韧性，由于s i 抑制渗碳体析出，将被贝氏体转变分成两个阶段，第一阶段 形成由贝氏体铁素体和膜状残余奥氏体构成的无碳化物贝氏体，在第二阶段发生碳化物 析出，形成典型贝氏体。t o m l t a 等人的工作表明含s 1 的4 3 3 0 钢和3 0 0 m 钢经3 2 0 。c 等 温一定时间后淬火得到无碳化物贝氏体马氏体( b m ) 复相组织，显著改善钢的强韧性【3 ”。 黄维刚等人【3 目研究了c s 1 m n b 系贝氏体钢的强度及强化机制，认为贝氏体一马氏体复 相组织的强化机制应考虑先形成的贝氏体对原奥氏体晶粒的分割细化效应以及马氏体对 贝氏体铁素体变形的约束作用。在贝氏体含量较低时，这种约束强化作用较显著。 复相组织耐磨钢是在马氏体、贝氏体钢的基础上发展而来，具有马氏体的高强度和 贝氏体韧性相的相互配合而获得良好强度和韧性，使这种钢具有比单一马氏体高的韧性 水平。复相耐磨铸钢主要包括奥氏体一贝氏体耐磨铸钢、马氏体一贝氏体耐磨铸钢和一些 多相耐磨铸钢。魏成富等人所研制的中碳低合金耐磨铸钢，在铸态下就获得奥氏体一贝氏 体为主的组织，具有高硬度( h r c 4 0 5 0 ) 、高韧性( a k l 5 4 5 j c m 2 ) 和优异的抗磨性能。在 铸态下使用不需重新热处理，是传统高锰钢的理想替代材料【2 2 】。 通过合金化途径提高耐磨铸钢的强韧性水平的研究取得了很大的进展。利用m n 、b 合金化使具有b m 组织的空冷m n b 系贝氏体钢在较高强度下仍保持高的韧性1 3 9 】，目前 已经发展成为低碳、中低碳、中碳、中高碳等贝氏体钢系列并得到广泛应用。采用m o 、 m n 、b 合金化，利用铸造余热进行正火，直接对铸造后的中碳硅锰钢锤头进行热处理， 从而得到b m 复合组织的耐磨钢锤头，具有良好的强韧性和耐磨性，但是，由于m o 元 素的价格较高，因此限制了该锤头的生产和应用 4 0 o 根据h a l l p a t c h 方程o 。；可，+ k v d 。8 可知，强度与晶粒直径的平方根成反比关系。细 化晶粒实现的途径主要是通过热处理工艺来实现的。主要包括循环热处理、快速奥氏体 化多级热处理和形变热处理，另外还有亚临界淬火工艺等。这些工艺措施在工业领域已 经取得了显著的经济效益和社会效益。多级热处理是以高温加低温奥氏体化淬火等工序 组成的复合热处理工艺，其中高于常规工艺的高温奥氏体化是为获得成分均匀、稳定性 7 佳木斯大学硕士学位论文 高的奥氏体，以便在淬火时获得含有少量残余奥氏体和马氏体的复合组织，并促使马氏体 从孪晶型向位错型转变。在稍高于a c 3 点或氏1 与a c 3 之间l 临界区的低温快速奥氏体化， 是为了获得细晶粒或超细晶粒。为防止第一次淬火粗晶粒的组织遗传，常在高、低媪淬 火之间，加入中间回火工序，就构成多级热处理。该工艺又称为双重热处理法。 合金结构钢的显微组织一般均由基体和较基体硬而脆的强化相组成，所以，钢的强 韧性取决于基体性能及强化相的形态与分布。改变基体组织以提高韧性主要是通过合会 化和热处理方式来实现。而对第二相的形态和分布通过热处理方式则改变甚微。因此， 近年来，人们开始用变质处理技术来改变碳化物的形态和分御，并都取得了很好的效果 和效益。吕宇鹏等人【4 1 1 通过对超高锰钢( m n l 7 ) 进行变质处理的研究表明，在该钢凝固过 程中，主要是碳和变质元素通过溶质偏析和异质形核来改善组织形貌。稀土元素铈的偏 析系数高达0 9 2 5 09 5 6 ，在变质作用中占主导地位。碳虽是钢中常规元素，但其偏析系 数仅为07 2 - 4 ) 8 7 ，在凝固过程中，总有一部分碳偏析于凝固前沿，起细化晶粒的作用。 符寒光等人【4 2 】通过稀土和钾、钠等元素对z g 8 5 c r l 2 m o n i 钢进行变质处理，得到了很好 的效果：变质处理的后硬度基本不变，但是冲击韧性由7 5j c h l 2 提高到2 2 7 5j c m 2 ，相 对耐磨性提高了一倍，因此，采用变质技术，直接铸造成型是目前强韧化研究最经济、 最有效的措施。 综上所述，通过合金化的方法，在熔炼时采取一些措施以及改善夹杂物和碳化物的 形态和分布，变质处理及热处理工艺等是当前提高耐磨钢的强韧性的重要手段。 1 5 金属材料磨料磨损机理的研究 磨料磨损机理显示磨损的本质和规律，为耐磨材料的研究和发展提供依据。磨损机 理是指在摩擦过程中，材料表面发生了什么变化和如何从表面破坏脱落的。它主要包括 两个方面【4 3 1 ： 1 ) 摩擦副在相互接触和摩擦中，表面形貌、化学组成、物理结构和机械性能发生的 变化； 2 ) 磨屑是怎样形成的和如何从表面上脱落的。 物体表面与磨料相互摩擦而引起表面材料损失的现象叫磨粒磨损【删。广义地说，凡 是硬质颗粒或硬质突出物( 包括硬金属) 都是磨料，但从研究角度讲，磨粒一般指非金属 矿物和岩石。如二氧化硅、三氧化铝等。磨料磨损有不同类型，就参加磨损的物体数目 可分为二体磨损和三体磨损；就工件表面承受应力和冲击的大小可分为凿削式、高应力 碾碎式和低应力擦伤式3 类：就磨料与工件相对硬度的大小可分为硬磨料磨损和软磨料 磨损。按工件与磨料相对运动情况又可以分为固定、半固定和自由磨料磨损等。各类磨 8 佳木斯大学硕士学位论文 损中机制有所不同，但可归纳为以下几种基本型式【4 3 1 。 1 ) 切削磨损。切削磨损是硬磨料磨损条件下的主要机制，前苏联的mm 赫鲁晓夫和 m a 巴比切夫的实验研究表明，磨料磨损过程中，在金属表面层内发生两个过程：塑性 挤压形成擦痕；切削金属形成切屑。摩擦过程中少部分磨料( 1 0 ) 有利于切削会属形 成磨屑，大部分磨粒则仅在金属表面留下两侧凸起的沟槽。两侧的凸起可能会被后柬的 磨粒切削，形成“二次磨屑”。磨屑大多数呈螺旋状、环状、弯曲状，与切削加工的切屑 极相似。切削磨损量取决于材料硬度，硬度愈高，切削量愈少，提高材料硬度，可降低 材料磨损。 2 ) 疲劳磨损。疲劳磨损包括两种类型，第一种是变形疲劳磨损，是在硬磨料相对滑 动磨损或冲击磨损的条件下，磨料切削或凿削的同时，伴随有切削沟槽或冲击凿坑中材 料的塑性变形，挤向沟槽或凿坑的周围，而且在后继磨料的作用下，被推挤出的会属承 受反复变形、辗压。当某些变形严重部位应力超过材料疲劳极限，会产生裂纹，裂纹扩 展连接引起疲劳脱落造成磨损，变形疲劳磨损具有低周应变疲劳性质，其耐磨性以材料 的硬度和塑性( 韧性) 综合判据。第二种疲劳磨损是剥层疲劳磨损，即在软磨料或硬磨料 作用下基体材料变形硬化后，由于接触应力的作用，在其亚表层形成裂纹，裂纹扩展， 连接至表面，以薄层脱落，表面留下形态不规则的剥落坑。这类磨损具有应力疲劳性质， 其耐磨性主要以材料硬度为判据，并与韧性一定相关。 疲劳磨损与表层的应力滞后现象有关，应力循环的应力幅不超过材料的弹性极限， 疲劳磨损失效的主要形式是点蚀和剥落，即在原来光滑的接触表面上产生深浅不同的凹 坑( 也称麻点) 和较大面积的剥落坑【4 3 1 。由疲劳裂纹扩展成为点蚀的理论最早是在1 9 3 5 年由韦( w a y ) 提出来的。凡凯梯西( v e n k a t e s h ) 和拉曼耐逊( r a m a n a t h a n ) 认为【4 5 1 ：点蚀主要 发生在接触表面下的最大剪应力处。他们用位错理论解释点蚀的产生，由于剪应力的作 用，在次表层产生位错运动，位错在夹杂物或晶界等障碍处堆积，在滚动过程中，由于 剪应力的方向发生变化，所以位错运动一会儿向前，一会儿向后。位错的切割，形成空 穴，空穴集中形成空洞，最后成为裂纹。在载荷的反复作用下，裂纹扩展，最后折向表 面，形成点蚀。 3 ) 脆断磨损。在硬磨料及冲击条件下，材料中的脆性相( 如碳化物) 或较脆基体( 如马 氏体) 会发生脆性断裂、大块剥落，而形成磨损，这种脆断磨损与材料的冲击韧性及断裂 韧性直接相关。 9 佳木斯大学硕士学位论文 151 磨料磨损的一般规律 1 5 1 1 材料硬度( h v ) 与相对耐磨性( ) 的关系 长期以来，许多人对各种各样的材料进行了试验研究，其中最有代表性、最著名的 是前苏联的m m 赫鲁晓夫和m a 巴比切夫进行的工作。研究指出1 4 7 】，用冷作硬化法提 高会属表面的硬度，对耐磨性没有影响。这一规律可以解释为在磨粒磨损过程中，磨料 与金属相互作用之处发生强烈塑性变形和与之相应的硬化，其程度超过了磨损酌冷作加 工的硬度。也可以说影响金属耐磨性的不是磨损前已达到的硬度，而是在摩擦过程中所 能达到的硬度。当然，这一结论，只适用于在变形过程中，不发生组织结构变化的情况。 1 5 1 2 材料断裂韧眭与相对耐磨性( ) 的关系 硬度反映了材料抵抗磨料的压入的能力【1 】，对材料的耐磨眭有重要影响。然而根据 断裂磨损机理，他还不能完全决定磨损，因为硬度不能说明材料对裂纹产生及扩展的敏 感程度，实践证明，材料的硬度高而断裂韧性低或相反情况，耐磨性都比较差，只有当 二者配合较佳时，耐磨性最好。 1 5 1 3 材料基体组织与相对耐磨性( ) 的关系 一些试验研究证明【4 甜7 1 ，在相同硬度时，耐磨性的一般规律是：板条状的优于片状 的，细晶粒的优于粗晶的，合金化的优于非合金化的，贝氏体由于内应力小、裂纹小、 组织细小、热稳定性好，使其具有优异的耐磨性。奥氏体的硬度低，但韧性好，在高应 力冲击载荷作用下不但具有很强的加工硬化能力，而且可以发生马氏体相变，这种内韧 外硬的结构能有效地阻止裂纹的扩展。使其具有较好的耐磨性【l 】。 152 磨屑形成的变形一断裂机制 152 1 摩擦磨损过程中的塑性变形 1 ) 文