張雨佳畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、NM600 級(jí)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的組織性能研究作者姓名：張雨佳指導(dǎo)教師：王昭東教授單位名稱：材料與冶金學(xué)院專業(yè)名稱：材料成型及控制工程?hào)| 北 大 學(xué)2014 年 6 月Study on the Microstructure and Property of NM600 Grade High Strength Low AlloyAbrasion-Resistant Steelby Zhang YujiaSupervisor: Professor Wang ZhaodongNortheastern UniversityJune 2014畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：NM600 級(jí)低合金

2、高強(qiáng)度耐磨鋼的組織性能研究設(shè)計(jì)(論文)的基本內(nèi)容：（1） 了解國內(nèi)外低合金耐磨鋼的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景；（2） 測量實(shí)驗(yàn)鋼的臨界相變點(diǎn)，并繪制 CCT 曲線，研究 NM600 級(jí)低合金耐磨鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為；（3） 通過熱處理實(shí)驗(yàn)，研究不同的熱處理工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，并得到最佳淬火溫度和最佳回火溫度；（4） 通過對(duì)比不同級(jí)別耐磨鋼的磨損實(shí)驗(yàn)，研究顯微組織和力學(xué)性能對(duì)耐磨性的影響。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分：題目： 設(shè)計(jì)或論文專題的基本內(nèi)容：學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目日期 第 3 周指導(dǎo)教師簽字：年 月 日東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要NM600 級(jí)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的 組織性能

3、研究 摘要磨損是金屬材料的主要破壞形式之一。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，約 30%的能源消耗在磨損上面。我國每年因磨料磨損消耗的鋼材達(dá)百萬噸以上。低合金高強(qiáng)度耐磨鋼由于具有高硬度以及良好的韌性可以廣泛應(yīng)用在礦山機(jī)械、工程機(jī)械和其他設(shè)備中。NM600 級(jí)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼作為最高級(jí)別的耐磨鋼，對(duì)于節(jié)能降耗具有重要意義。本文依據(jù)低成本、高性能的原則，主要在普通 C-Mn 鋼的基礎(chǔ)上加入一定量的 Cr、B、Mo 等合金元素，通過合理的熱軋工藝及熱處理工藝，得到了具有高硬度、高強(qiáng)度以及良好低溫韌性的 NM600 級(jí)別低合金高強(qiáng)度耐磨鋼板。具體研究內(nèi)容如下：（1）通過熱模擬試驗(yàn)機(jī)及全自動(dòng)相變儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)鋼臨界動(dòng)靜態(tài)相

4、變點(diǎn)的測定，繪制實(shí)驗(yàn)鋼的 CCT 曲線。動(dòng)態(tài) CCT 曲線中相變組織隨冷速增加組織轉(zhuǎn)變規(guī)律為鐵素體+珠光體+貝氏體貝氏體馬氏體，靜態(tài) CCT 的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律為貝氏體馬氏體。（2）通過合理的熱軋工藝，得到 12mm 厚鋼板，表面布氏硬度大于 570HBW，符合國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì) NM600 級(jí)耐磨鋼的要求。對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，研究不同的熱處理工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，得到最佳淬火溫度為880，最佳回火溫度為 180。（ 3 ）對(duì)不同級(jí)別的耐磨鋼進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，得到 NM600 實(shí)驗(yàn)鋼和HARDOX600 的耐磨性分別是 NM400 的 1.379 和 1.376 倍。關(guān)鍵詞：耐磨鋼，磨損

5、，熱處理，硬度，韌性I東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要Study on the Microstructure and Property of NM600 Grade High Strength Low AlloyAbrasion-Resistant Steel AbstractWear is one of the main failure form of metallic materials. In developed countries, about 30% of the energy is consumed in wear. The steel consumed by abrasive wea

6、r reached millions of tons per year in China. High strength low alloy abrasion-resistant steel has been widely used in the fields of mining machine， engineering machinery and other equipment due to its high hardness and good toughness. NM600 grade high strength low alloy wear-resistant steel as the

7、highest grade wear-resistant steel has great significance for saving energy and reducing consumption。In this article, based on low-cost and high-performance principle, high strengthlow alloy abrasion-resistant steel grade NM600 with high hardness high strength and good toughness has successfully dev

8、eloped by adding a certain amount of Cr,B,Mo and other alloying elements in the ordinary C-Mn steel, and applying reasonable hot rolling process and heat treatment process. The major studies are as follows:(1)The CCT curves of the experimental steel are plotted by continuous cooling transformation e

9、xperiments, The evolutions law of the transition microstructures withthe increase of cooling rate in dynamic CCT is F+P+BBM，the evolutions law ofthe transition microstructurestatic CCT is BM.(2) The 12mm thick steel plates had been got by applying reasonable hot rolling process. The surface Brinell

10、hardness is more than 570HBW, meeting the requirements of national standards for NM600 grade abrasion-resistant steel. Effects of heat treatment temperature on the microstructure and mechanical properties of experimental steels were studied, which show that the best quenching temperature is 880, and

11、 the optimum temperature is 180.(3) The wear experiments on abrasion-resistant steel of different grade wereII東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要studied, which show that the relative wear resistance of NM600 is 1.379 timesNM400, HARDOX600 is 1.376 times of NM400.ofKeywords: wear-resistant steel，wear，heat treatment，hardn

12、ess，toughnesIII東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄目錄摘要I第 1 章緒- 1 -論1.1 引言. - 1 -1.2 低合金高強(qiáng)度耐磨鋼概述. - 1 -1.2.1 耐磨鋼的發(fā)展與應(yīng)用. - 1 -1.2.2 低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的主要特點(diǎn). - 2 -1.3 磨損分類及磨損機(jī)理. - 2 -1.3.11.3.21.3.3磨損的形式及分類. - 2 -磨粒磨損機(jī)理. - 3 -影響材料耐磨性的因素. - 6 -1.4 馬氏體轉(zhuǎn)變. - 8 -1.4.11.4.21.4.3馬氏體的性能. - 8 -馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn). - 8 -板條馬氏體組織形態(tài). - 10 -1.5 低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的

13、發(fā)展現(xiàn)狀. - 10 -1.5.1 國外的發(fā)展現(xiàn)狀. - 11 -1.5.2 國內(nèi)的發(fā)展. - 14 -第 2 章實(shí) 驗(yàn) 材 料 及 連 續(xù) 冷 卻 相 變 分 析- 16 -2.1 實(shí)驗(yàn)材料. - 16 -2.1.1 合金元素對(duì)耐磨鋼力學(xué)性能的影響. - 16 -2.1.2 實(shí)驗(yàn)鋼的成分及其特點(diǎn). - 18 -i東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄2.2 實(shí)驗(yàn)鋼的臨界溫度點(diǎn)測定. - 18 -2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案. - 19 -2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果. - 20 -2.3 實(shí)驗(yàn)鋼動(dòng)態(tài) CCT 曲線測定. - 20 -2.3.1 實(shí)驗(yàn)方案. - 21 -2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析. - 22 -2.4

14、實(shí)驗(yàn)鋼靜態(tài) CCT 曲線測定. - 23 -2.4.1 實(shí)驗(yàn)方案. - 23 -2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析. - 24 -2.5 本章小結(jié). - 26 -第 3 章實(shí)- 27 -驗(yàn)鋼熱處理工藝研究3.1 淬火工藝研究. - 28 -3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料. - 28 -3.1.2 實(shí)驗(yàn)方案. - 29 -3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析. - 31 -3.2 回火工藝研究. - 32 -3.2.1 實(shí)驗(yàn)方案. - 32 -3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析. - 33 -3.3 本章小結(jié). - 36 -第 4 章實(shí)- 37 -驗(yàn)鋼的耐磨性研究4.1 耐磨性的評(píng)定. - 37 -4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法. - 3

15、8 -4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析. - 39 -ii東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄4.4 磨損形貌及其機(jī)理. - 41 -4.5 本章小結(jié). - 43 -第 5 章結(jié)- 44 -論參考文獻(xiàn). - 45 -結(jié)束語. - 48 -iii東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論第1章 緒論1.1引言腐蝕、磨損、疲勞斷裂是結(jié)構(gòu)材料失效的三大主要形式。盡管材料磨損不會(huì)像腐蝕、斷裂那樣直接引起金屬工件性的，但其不僅引起設(shè)備零件失效，導(dǎo)致零件維修和更換頻繁，設(shè)備工作效率降低，而且消耗大量的能源和材料，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，機(jī)器部件的磨損會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至造成設(shè)備和人身事故，限制了工業(yè)的現(xiàn)代化和自動(dòng)化發(fā)展。

16、據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，約30%的能源是以不同形式消耗在磨損上面的，機(jī)械裝備及零件的磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的 4%左右，其中磨料磨損占金屬磨損總量的 50%。如在美國，每年由摩擦磨損和腐蝕造成的損失約 1000 億美元；我國每年因磨料磨損所消耗的鋼材達(dá)百萬噸以上，僅煤礦用刮板輸送機(jī)中部槽每年就消耗 68 萬t 鋼板。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，磨損所帶來的社會(huì)損失將更加巨大。因此，研究和發(fā)展抗磨或減磨性能良好，且綜合力學(xué)性能優(yōu)良的低合金耐磨鋼，對(duì)節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展具有重要意義。1.2低合金高強(qiáng)度耐磨鋼概述1.2.1耐磨鋼的發(fā)展與應(yīng)用耐磨鋼是具有較高耐磨性能的鋼

17、鐵材料的總稱。耐磨鋼種類繁多，大體上可分為高錳鋼，中、低合金耐磨鋼，鉻鉬硅錳鋼，耐氣蝕鋼，耐磨蝕鋼以及特殊耐磨鋼等。耐磨鋼作為一種專用鋼大約始于十九世紀(jì)后半葉，1883 年英國人哈德菲爾德（Hadfield,Sir Robert Abbott）首先取得了高錳鋼的專利，至今已有 100 多年的歷史。高錳鋼是一種碳含量和錳含量較高的耐磨鋼，具有成本低、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，被長期作為耐磨材料用于制造挖掘機(jī)的鏟齒、圓錐式破碎機(jī)的軋面壁和破碎壁、顎式破碎機(jī)岔板、球磨機(jī)襯板、板錘、錘頭等。高錳鋼的成分百分含量為：C0.91.4%、Mn1015%、Si0.30.8%、P0.10%、S0.05%。其鑄態(tài)組織通常是

18、由奧氏體、碳化物和珠光體組成，有時(shí)會(huì)含有少量的磷共晶。當(dāng)碳化物數(shù)量較多時(shí)，常在晶界上呈網(wǎng)狀分布，脆性較大，需要進(jìn)行固溶處理才能使用。- 1 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論通常，為了減少或者消除碳化物，對(duì)高錳鋼進(jìn)行水韌處理，使其強(qiáng)度、塑性和韌性均大幅度提高：抗拉強(qiáng)抗拉強(qiáng)度可達(dá)到 6151275MPa，屈服強(qiáng)度可達(dá)到340470MPa，延伸率可達(dá)到 1585%，硬度約為 180225HBW。奧氏體組織的高錳鋼受到?jīng)_擊載荷時(shí)，在變形層內(nèi)有明顯的加工硬化現(xiàn)象，表層硬度大幅度提高。低沖擊載荷時(shí)，可以達(dá)到 300400HBW，高沖擊載荷時(shí)， 可以達(dá)到 500800HBW。隨沖擊載荷的不同，表面

19、硬化層深度可達(dá) 1020mm。高錳鋼在強(qiáng)沖擊磨料磨損條件下，有優(yōu)異的抗磨性能。在低沖擊工況條件下，因加工硬化效果不明顯，高錳鋼不能發(fā)揮材料的特性。高鉻鑄鐵是一種性能優(yōu)良而受到特別重視的耐磨材料。它以比合金鋼高得多的耐磨性，和比一般白口鑄鐵高得多的韌性、強(qiáng)度，同時(shí)它還兼有良好的抗高溫和抗腐蝕性能，加之生產(chǎn)便捷、成本適中，而被譽(yù)為當(dāng)代最優(yōu)良的抗磨料磨損材料之一。但由于其含有大量鉻等稀缺元素，制造工藝要求嚴(yán)格，容易發(fā)生斷裂，限制了高鉻鑄鐵的廣泛使用。近幾十年來，低、中合金耐磨鋼的開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展很快，由于這些鋼具有較好的耐磨性和韌性，生產(chǎn)工藝較簡單，綜合經(jīng)濟(jì)性合理，在許多工況條件下適用，受到用戶的歡迎

20、。為了適應(yīng)礦山采運(yùn)機(jī)械與工程機(jī)械發(fā)展的需要，所研制的高硬度耐磨鋼板，20 世紀(jì) 7080 年代在國際上已形成系列并標(biāo)準(zhǔn)化。這類鋼是在低合金高強(qiáng)度可焊接鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們一般采用軋后直接淬火并回火，或?qū)嵭锌剀?、控冷工藝進(jìn)行強(qiáng)化，可節(jié)約能源，且合金元素含量低，價(jià)格較便宜，但硬度高，耐磨，因此這類耐磨鋼板很受用戶歡迎。1.2.2低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的主要特點(diǎn)低合金高強(qiáng)度耐磨鋼通常采用鉻、鎳、鉬等元素進(jìn)行合金化，然后通過淬火與低溫回火獲得馬氏體組織。目前國外生產(chǎn)此類耐磨鋼板的著名廠家有瑞典奧克隆德、德國迪林根、德國蒂 JFE 等。根據(jù) GB/T24186-2009工程機(jī)械用高強(qiáng)度耐磨鋼板，耐磨鋼

21、的牌號(hào)、化學(xué)成分如表 1.1 所示，力學(xué)性能如表 1.2 所示。1.3磨損分類及磨損機(jī)理1.3.1磨損的形式及分類由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致零件工作表面物質(zhì)持續(xù)損失叫做磨損，即磨損是相互- 2 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論接觸過程中產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)使表面材料損失的結(jié)果。磨損無法從根本上加以消除，即使在摩擦副上加以潤滑，也只能降低機(jī)械零件磨損程度而已。在負(fù)荷作用下，表 1.1 GB/T24186-2009 規(guī)定的耐磨鋼板化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)CSiMnPSCrNiMoTiB范圍Als牌號(hào)NM300 NM360 NM400 NM450 NM500 NM550NM6000.230.250.

22、300.350.380.380.450.700.700.700.700.700.700.701.601.601.601.701.701.701.900.0250.0250.0250.250.200.200.200.150.150.100.100.100.100.100.700.801.001.101.201.201.500.500.500.700.801.001.001.000.400.500.500.650.650.700.800.0500.0500.0500.0500.0500.0500.0500.0050.0060.0050.0060.0050.0060.0050.0060.0050.0

23、060.0050.0060.0050.0060.0100.0100.0100.0100.0100.0100.010表 1.2 GB/T24186-2009 對(duì)耐磨鋼板的力學(xué)性能要求抗拉強(qiáng)度Rm/MPa前后伸長率A50mm/%-20沖擊吸收能量（縱向）KV2/J表面布氏硬度HBW牌號(hào)厚度/mmNM300 NM360 NM400 NM450 NM500 NM550NM600808080807070601000110012001250141210724242424270330330390370430420480470530570表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起表面材料不斷消耗，最終引起機(jī)械零件失效，為減少材料消耗，

24、提高材料使用壽命，國內(nèi)外投入了巨大的人力和物力研究材料的耐磨性，使它成為世界上發(fā)展最快的學(xué)科之一。在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械工況條件千差萬別，磨損具有不同的形態(tài)，為方便研究和把握其規(guī)律，根據(jù)磨損所帶來的破壞機(jī)理和特征，可將磨損分為以下幾類：粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損和微動(dòng)磨損。在現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象非常復(fù)雜，在一個(gè)工況下，并非只有單一的磨損形式，而是以一兩種為主，多種磨損形式共同作用的結(jié)果。為了反映零件的磨損，常用磨損量、磨損率、磨損度、耐磨性和相對(duì)耐磨性等工藝參數(shù)來表征材料的磨損性能。磨損也可以按照磨損速率分為嚴(yán)重磨損和輕微磨損。1.3.2磨粒磨損機(jī)理磨損機(jī)制用來表征和

25、說明材料的磨損過程，磨料磨損機(jī)制常被分為切削機(jī)制、- 3 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論裂紋擴(kuò)展機(jī)制和塑變磨損機(jī)制。A磨料磨損的顯微切削機(jī)制磨料像刀具一樣在材料表面切削，形成切屑，由于這種磨屑的寬度和深度遠(yuǎn)小于實(shí)際刀具的切削，因此稱為顯微切削。顯微切削磨損率相當(dāng)高。顯微切削磨損量取決于材料的硬度，根據(jù) E.Rabinowicz 的簡化模型，圓錐形磨料在載荷作用下滑移距離 S 后，可得： tan (1.1) V =式中 V 磨損量(mm3)；Hm 材料硬度；S 滑動(dòng)距離(m)；F 載荷(N)； 圓錐形磨料頂角。從而說明，磨損體積與載荷 F 成正比，與滑動(dòng)距離 S 成正比，而與材料硬度

26、 Hm 成反比。這個(gè)簡化模型解釋了磨損中的基本問題，但沒有考慮溝槽體積只是一部分形成磨損，還有一部分只發(fā)生了塑性變形，被推擠到兩邊和前沿，所以磨損體積應(yīng)該乘以一個(gè)系數(shù)。Zum Gahr 經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，提出了因子理論，該理論認(rèn)為材料的磨損是犁溝和切削的綜合作用結(jié)果，其相對(duì)量可用下式表達(dá)：1 + 2= 1 (1.2)式中fab塑變因子；A1、A2 擠壓相對(duì)面凸出部分面積；Ag擠壓相對(duì)面凹下部分面積。當(dāng)式中因子為 0 時(shí)，就只出現(xiàn)塑削。此時(shí)線性磨損率為：擠，當(dāng)因子為 1 時(shí)，則只出現(xiàn)切 = (1.3)式中W/S 單位長度的磨損量；S 磨損距離；F 一材料表面壓力；- 4 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第

27、 1 章 緒論 一磨料形狀因子。從式中可知，被磨材料的磨損量隨著形狀因子的增大而增大；磨損量隨著外部壓力增大而增大，隨著被磨材料的硬度增加而減少。公式中因子是材料表面實(shí)際變形能力的函數(shù)，也是材料強(qiáng)度的函數(shù)。因子隨著材料變形能力增加而減小。因?yàn)椴牧献冃文芰υ綇?qiáng)，越容易在犁溝兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形。對(duì)于確定的工況條件，材料高的耐磨性將通過小的值和高的材料硬度來實(shí)現(xiàn)。B磨料磨損的塑變磨損機(jī)制M.A.Moore 提出了塑變磨損理論。在松散磨料磨損條件下，磨料處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，磨料大約有 90%的機(jī)會(huì)與磨損表面做滾動(dòng)接觸，只有 10%的機(jī)會(huì)能在磨損表面形成犁溝，Challen 發(fā)現(xiàn)松散磨料磨損表面和固定磨料磨

28、損表面形貌有很大差別，前者表面出現(xiàn)很多塑變壓痕，所以認(rèn)為此時(shí)以塑變磨損為主。有的磨粒棱角剪切變形層金屬而使之成為碎屑，也有的磨粒使之多次變形，當(dāng)材料應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時(shí)脆裂成碎屑，這種磨損具有低周期疲勞性質(zhì)，其耐磨性以材料的硬度和韌性、塑性綜合判定。C磨料磨損的裂紋擴(kuò)展機(jī)制磨料壓入材料表面時(shí)具有凈水壓的應(yīng)力狀態(tài)，大多數(shù)材料都會(huì)發(fā)生塑性變形，在硬磨料及沖擊條件下，如材料中有脆性相或較脆基體，則可能發(fā)生微觀斷裂機(jī)理引起的磨損。磨料壓入脆性材料時(shí)形成微裂紋，這些裂紋從壓痕的四角出發(fā)向材料內(nèi)部擴(kuò)展，在磨粒的作用下，當(dāng)橫向裂紋相互交叉或擴(kuò)展到表面時(shí)，就造成材料的微觀斷裂，形成磨損。這種磨損與材料的沖擊韌性

29、和斷裂韌性直接相關(guān)。Zum Gahr 教授研究工具鋼和白口鑄鐵時(shí)發(fā)現(xiàn)磨損表面及亞表層有水平方向裂紋和縱向裂紋，他用錐形壓頭壓入材料表面形成頂角為 2、寬度為 2a 的壓痕， 且在壓入尖端處有直徑為 2c 的圓形裂紋。在磨損時(shí)，裂紋擴(kuò)展的判據(jù)為：2 22 (1.4)= ()424.6那么單位面積上磨料滑動(dòng)過單位距離造成的磨損率為：32 212W = 1 + 2 = + 12.31(1.5)2 2- 5 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論這里第一項(xiàng)1表述的是單純的磨溝磨損，2表述的是局部裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致材料剝落磨損。從上式看到，對(duì)于裂紋擴(kuò)展形成的磨損，摩擦因數(shù) f 也是一個(gè)主要參數(shù)，因?yàn)樗绊?/p>

30、局部應(yīng)力分布。隨著磨料力度增大，材料硬度提高，下降，即發(fā)生裂紋擴(kuò)展控制的磨損的可能性增加。金屬的斷裂韌性對(duì)磨粒磨損有重要的影響。隨著 Klc 升高，裂紋擴(kuò)展機(jī)制的磨損臨界載荷提高，磨損率降低，但對(duì)大多數(shù)金屬來說，隨著斷裂韌性的提高，材料的硬度下降，也就是說上式中第一項(xiàng)1受硬度控制，而第二項(xiàng) W2 受材料的斷裂韌性 Klc 控制，磨損則是兩項(xiàng)綜合作用結(jié)果。此時(shí)，在一定條件下，材料的硬度起主導(dǎo)作用；在另一種條件下，材料的斷裂韌性起主導(dǎo)作用。當(dāng) Klc 很低時(shí)，磨損以裂紋擴(kuò)展機(jī)制為主，隨著 Klc 提高則Klc 提高的同時(shí)硬度下降，即一定 Klc 時(shí)，材料的硬度也降到最耐磨性提高。但低值，這時(shí)磨料的

31、“犁”作為磨損的主要方式，材料的耐磨性隨 Klc 提高和硬度下降而下降。通常材料的 Klc 隨沖擊韌性的提高而提高，因此常用易測量的沖擊韌性作為裂紋擴(kuò)展機(jī)制的判據(jù)之一。需要特別指出的是，在磨料磨損過程中不只是一種磨損機(jī)理在起作用，而往往是以幾種磨損機(jī)理同時(shí)存在，其中某種磨損機(jī)理起主要作用。隨著磨損過程中外部條件和材料表面組織的變化，磨損機(jī)理也可能會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，從以一種機(jī)理為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤硪环N機(jī)理占主導(dǎo)地位。1.3.3影響材料耐磨性的因素磨料磨損過程實(shí)際上由多種因素控制的綜合復(fù)雜過程。其影響因素包括零件服役的工況條件、磨料特征、設(shè)計(jì)使用性能及材料本身的特性等。利用系統(tǒng)方法對(duì)各種影響因素以及環(huán)境

32、條件進(jìn)行綜合分析，可以較清楚的了解不同因素對(duì)磨料磨損的影響。與材料本身特性相關(guān)的因素主要有：A材料硬度的影響根據(jù)拉賓諾維奇建立的模型，硬度對(duì)材料磨損性能的影響主要跟材料的硬度Hm 與磨料的硬度 Ha 之間的比值 Hm/Ha 有關(guān)，Hm/Ha 大于 1.25 時(shí)，磨料幾乎不對(duì)材料表面構(gòu)成切削，材料表面很少受磨損，Hm/Ha 小于 0.8 時(shí)，處于高切削區(qū)， 材料表面磨損非常嚴(yán)重，當(dāng)其比值在 1.25 和 0.8 時(shí)之間時(shí)，為中等切削區(qū)。- 6 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論但硬度與耐磨性之間并不是簡單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)材料的硬度較低時(shí)，在沖擊載荷磨損條件下，材料表面出現(xiàn)加工硬化時(shí)材料的耐

33、磨性與其材料受磨損后加工硬化后的表面硬度成正比。但總的來說材料硬度影響耐磨性主要表現(xiàn)為：1、純金屬（未經(jīng)熱處理的鋼）：耐磨料磨損的耐磨性與材料自身的硬度成正比，即材料本身的硬度越高，耐磨性越好；2、經(jīng)過熱處理的鋼：耐磨性也隨硬度升高而增加，但增加的速度較慢；3、鋼中碳及碳化物形成元素的含量越高，其耐磨性也越好。B材料微觀組織的影響（1）基體組織 從馬氏體、貝氏體、珠光體、到鐵素體隨著它們硬度的降低耐磨性逐漸降低。淬火與回火馬氏體硬度高，所以耐磨性好。而鐵素體的硬度最低，所以其耐磨性最差。但在同等硬度條件下，回火馬氏體的耐磨性大大低于等溫轉(zhuǎn)變條件下形成的貝氏體。殘余奧氏體對(duì)耐磨料磨損性能也有影響

34、。在高應(yīng)力磨損工況條件下，殘余奧氏體因受沖擊應(yīng)力顯著加工硬化而使其耐磨性提高。在低應(yīng)力磨損工部條件下，當(dāng)殘余奧氏體量較多時(shí)，將使材料的耐磨性降低。（2）第二相碳化物是鋼中最重要的第二相，材料耐磨料磨損性能主要與碳化物本身的硬度及其與基體硬度的相對(duì)大小有關(guān)。在硬基體中，當(dāng)碳化物硬度與基體硬度相近時(shí)，因碳化物象材料內(nèi)部存在的缺口一樣起分割基體的作用，使耐磨性在幅度降低。但在軟基體中增加碳化物的數(shù)量和彌散度、減小尺寸等都能提高材料的耐磨性。在摩擦條件不變的前提下，如果磨粒的硬度比碳化物硬度高，提高碳化物的硬度也能提高材料的耐磨性?？傊?，通過對(duì)不同微觀組織在不同硬度水平時(shí)的相對(duì)耐磨性比較發(fā)現(xiàn)，硬度提高

35、都會(huì)使耐磨性增加，但在同等硬度條件下，貝氏體和奧氏體的耐磨性要比珠光體和馬氏體好，不同含碳量、不同類型材料在不同的熱處理?xiàng)l件下，由于內(nèi)部的組織類型及含量的不同也會(huì)使耐磨性發(fā)生很大變化。C加工硬化的影響實(shí)驗(yàn)表明：在低應(yīng)力磨損工部條件下，材料產(chǎn)生加工硬化，但加工硬化后表面硬度的提高并不能使材料的耐磨性增加，所以低應(yīng)力磨損時(shí)產(chǎn)生的加工硬化不能提高材料的耐磨性。但在高應(yīng)力沖擊負(fù)荷磨損的工況條件下，材料表面產(chǎn)生加- 7 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論工硬化后獲得的硬度越高，加工硬度后材料的耐磨性越好。1.4馬氏體轉(zhuǎn)變鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻，抑制其擴(kuò)散性分散，在較低溫度下（低于 Ms 點(diǎn)） 發(fā)

36、生的無擴(kuò)散型相變叫做馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，各種鋼件、機(jī)器零件及工、模具都要經(jīng)過淬火和回火獲得最終的使用性能。鋼的淬火時(shí)發(fā)生強(qiáng)化和硬化是由于形成了馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變最早是在鋼鐵中發(fā)現(xiàn)的，但現(xiàn)今除鐵合金之外，許多有色金屬和合金以及陶瓷材料等也都發(fā)現(xiàn)了馬氏體轉(zhuǎn)變。因此，凡是基本特征屬于馬氏體轉(zhuǎn)變的相變，其相變產(chǎn)物都成為馬氏體。本節(jié)重點(diǎn)討論鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的一般規(guī)律及其作用。1.4.1馬氏體的性能馬氏體力學(xué)性能的顯著特點(diǎn)是具有高強(qiáng)度和高硬度。馬氏體的硬度主要取決于其碳含量。馬氏體高強(qiáng)度、高硬度的原因是多方面的，期中主要包括碳原子的固溶強(qiáng)化，相變強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化。間隙原子碳處于相晶

37、格的扁八面體間隙中，造成晶格的正方畸變并形成一個(gè)應(yīng)力場。該應(yīng)力場與位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，從而提高馬氏體的強(qiáng)度。這是碳對(duì)馬氏體晶格的固溶強(qiáng)化。馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在晶體內(nèi)造成密度很高的晶格缺陷，無論板條馬氏體中的高密度位錯(cuò)還是片狀馬氏體中的孿晶都阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使馬氏體強(qiáng)化，這是所謂的相變強(qiáng)化。時(shí)效強(qiáng)化也是一個(gè)重要的強(qiáng)化因素。馬氏體形成以后，碳及合金元素的院子向位錯(cuò)或其他晶體缺陷處擴(kuò)散偏聚或析出，釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，從而造成馬氏體強(qiáng)化。此外，馬氏體半條群或馬氏體片尺寸越小，則馬氏體強(qiáng)度越高。這是由于馬氏體相界面阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的。所以，原始奧氏體晶粒越細(xì)，則馬氏體強(qiáng)度越高。1.4.2馬氏體轉(zhuǎn)

38、變的特點(diǎn)馬氏體轉(zhuǎn)變同其他固態(tài)相變一樣，相變驅(qū)動(dòng)力也是新相與母相的化學(xué)自由能差，即單位體積馬氏體與奧氏體的自由能差。相變阻力也是新相形成時(shí)的界面能及應(yīng)變能。盡管馬氏體形成時(shí)與奧氏體存在共格界面，界面能很小，但是由于共格應(yīng)變能較大，特別是馬氏體與奧氏體比體積相差較大以及需要克服切邊阻力并產(chǎn)生大量晶體缺陷，增加很大的彈性應(yīng)變能，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變的相變阻力很大，需要足夠大的過冷度才能使相變驅(qū)動(dòng)力大于相變阻力，以發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)- 8 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論變。因此，與其他相變不同，馬氏體轉(zhuǎn)變并不是在略低于兩相自由能相等的溫度T0以下發(fā)生的，其所需過冷度較大，必須過冷到遠(yuǎn)低于T0的

39、點(diǎn)以下才能發(fā)生。馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度 點(diǎn)則可定義為馬氏體與奧氏體的自由能差達(dá)到相變所需的最小驅(qū)動(dòng)力值時(shí)的溫度。馬氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在低溫范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變，相對(duì)于珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變具有一系列特點(diǎn)：1）馬氏體相變屬于無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變是奧氏體在很大過冷度下進(jìn)行的，此時(shí)無論是鐵原子、碳原子還是合金元素原子，其活動(dòng)能力很低。因此，馬氏體轉(zhuǎn)變是在無擴(kuò)散的情況下進(jìn)行的。點(diǎn)陣的重構(gòu)是由原子集體的、有規(guī)律的、近程的遷動(dòng)完成的。原來在母相中相鄰的兩個(gè)原子在新相中仍然相鄰，它們之間的相對(duì)位移不超過一個(gè)原子間距。表現(xiàn)為：鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，僅由面心立方點(diǎn)陣改組為體心立方點(diǎn)陣，而無成分變化；馬氏體轉(zhuǎn)變可以在

40、相當(dāng)?shù)偷臏囟纫韵乱詷O快的速度進(jìn)行。2）馬氏體相變以切變共格的方式進(jìn)行。馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，在預(yù)先拋光的試樣表面上出現(xiàn)傾動(dòng)，產(chǎn)生表面浮凸。這個(gè)現(xiàn)象說明馬氏體轉(zhuǎn)變和母相的宏觀切變有著直接的聯(lián)系。如果在拋光的單晶試樣表面刻有直線劃痕，則馬氏體轉(zhuǎn)變后，劃痕由直線變?yōu)檎郜F(xiàn)，但無彎曲或中斷現(xiàn)象。這說明馬氏體是以切變的方式形成的，而且馬氏體和母相奧氏體保持共格，界面上的原子既屬于馬氏體又屬于奧氏體。相界面是一個(gè)切變共格截面，又叫做慣習(xí)面。馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，慣習(xí)面是一個(gè)尺寸、形狀不變的平面，也不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。換句話說，馬氏體轉(zhuǎn)變是新相在母相特定的晶面（慣習(xí)面）上形成，并以母相的切變來保持共格關(guān)系的相變過程。3）馬氏體轉(zhuǎn)變的

41、晶體學(xué)特點(diǎn)是新相和母相之間存在一定的位向關(guān)系。因?yàn)轳R氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，原子不需要擴(kuò)散，只做有規(guī)則的很小距離的牽動(dòng)，轉(zhuǎn)變過程中新相和母相界面始終保持切變共格，因此轉(zhuǎn)變后具有一定的位向關(guān)系。在鋼中已經(jīng)觀察到的位向關(guān)系有 K-S 關(guān)系和G-T 關(guān)系。4）馬氏體轉(zhuǎn)變是將奧氏體以大于臨界冷卻速度的冷卻速度過冷至一定溫度才能發(fā)生，這一溫度為馬氏體轉(zhuǎn)變的開始點(diǎn)，用 表示，當(dāng)至某一溫度以下時(shí)轉(zhuǎn)變不再進(jìn)行，為馬氏體轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)，用 Mf 表示。5）馬氏體轉(zhuǎn)變具有可逆性，當(dāng)重新加熱時(shí)，已形成的馬氏體可以通過逆向馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。- 9 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論1.4.3板條馬氏體組織形態(tài)板條狀

42、馬氏體是低碳鋼、中碳鋼、馬氏體時(shí)效鋼和不銹鋼等合金中形成的一種典型的馬氏體組織，因其顯微組織是由許多成群的板條組成，故稱為板條狀馬氏體。板條馬氏體的顯微組織示意圖如圖 1.1 所示，由圖可見，板條狀馬氏體由板條群所組成（圖 1.1 中 A 區(qū)），一個(gè)原始奧氏體晶粒內(nèi)可有幾個(gè)板條群。板條群由若干尺寸大致相同的板條在空間位向大致平行排列所組成，一個(gè)板條群又可分成幾個(gè)平行的區(qū)域（圖 1.1 中 B 區(qū)），稱為同位向束，同位向束之間呈大角晶界。一個(gè)板條群也可以只由一種同位向束組成（圖 1.1 中 C 區(qū)）。每個(gè)同位向束由若干個(gè)近于平行排列的細(xì)長的馬氏體板條（圖 1.2 中 D 區(qū)），每個(gè)板條為一個(gè)馬氏

43、體單晶體。馬氏體板條具有平直界面，界面近似平行于奧氏體的111，即其慣習(xí)面。相同慣習(xí)面的馬氏體板條平行排列構(gòu)成馬氏體板條群。又因?yàn)檫@種馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為位錯(cuò)，通常也稱為位錯(cuò)型馬氏體。圖 1.1 板條馬氏體亞結(jié)構(gòu)示意圖1.5低合金高強(qiáng)度耐磨鋼的發(fā)展現(xiàn)狀高強(qiáng)度耐磨鋼板廣泛應(yīng)用于車輛、船舶、礦山設(shè)備、工程機(jī)械及水泥設(shè)備等方面，耐磨板強(qiáng)度一般大于 1000MPa，國外該種類的板材都在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下供貨，具有高強(qiáng)度、良好的塑性和韌性。當(dāng)前國外生產(chǎn)耐磨鋼板的著名廠家有：瑞典奧克隆德生產(chǎn)的 HARDOX 系列，硬度達(dá) HB400、HB500、HB550 和 HB600；德國迪林根的 400V 和 500V；德

44、國蒂森克虜伯的 XAR400、XAR450、XAR500；日- 10 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論本的 JFE-EH360、EH400 和 EH500 等。國內(nèi)能生產(chǎn)高強(qiáng)度耐磨鋼的廠家主要有舞鋼、鞍鋼、武鋼、寶鋼、南鋼等。目前為止，我國耐磨鋼產(chǎn)品強(qiáng)度級(jí)別性能與國外產(chǎn)品相比都還有不小差距。1.5.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀A(yù)瑞鋼奧隆公司 HARDOX 悍達(dá)系列耐磨鋼，是 SSAB 瑞典鋼鐵集團(tuán)的成員之一，擁有全球瑞典鋼鐵奧克隆德領(lǐng)先的淬火和回火高端技術(shù)，是世界最大的耐磨鋼板和超高強(qiáng)度鋼板制造商，在世界淬火中厚鋼板市場中占據(jù) 60%的市場份額，年產(chǎn)鋼坯 150 萬t，鋼板 60 萬t，可以生產(chǎn)

45、厚度為 3155mm、寬度達(dá) 3500mm 的鋼板，其生產(chǎn)的鋼板 90%出口，60%的產(chǎn)品銷售到歐洲其他國家，另外占 12%，亞洲占 9%。瑞鋼奧隆的產(chǎn)品 30%用于工程機(jī)械，30%用于礦山機(jī)械。瑞鋼奧隆擁有世界最先進(jìn)的四輥軋鋼機(jī)，軋機(jī)等級(jí)為 1105kN。同時(shí)擁有世界最先進(jìn)的高自動(dòng)化淬火線，可以進(jìn)行熱處理、矯平、涂層、搬運(yùn)等工序。其生產(chǎn)的鋼板沿厚度方向性能的均勻性得益于軋鋼時(shí)鋼坯厚度的大量降低，晶粒大小控制得益于軋鋼時(shí)對(duì)鋼坯厚度和溫度的精準(zhǔn)控制。HARDOX 悍達(dá)耐磨鋼板按硬度等級(jí)分為：HARDOX 悍達(dá) 400、450、500、600 和 HiTuf。HARDOX 悍達(dá) 400 和 450

46、 是多用途的耐磨板，由于其高韌性、良好的彎曲和焊接性能，在一些應(yīng)用中也可用作承載用途。HARDOX 悍達(dá) 500 是一種可彎曲和焊接的耐磨板，可應(yīng)用于對(duì)耐磨性能要求更高的領(lǐng)域。HARDOX 悍達(dá) 550 是一種平均硬度為 550HB 的耐磨鋼板，其韌性與 HARDOX 悍達(dá) 500 相同，被應(yīng)用于高磨損的場合，其主要針對(duì)使用高錳鋼鑄件或布氏硬度為 500 的耐磨鋼板的用戶和制造商。當(dāng)從 HARDOX 悍達(dá) 500 鋼板升級(jí)到該產(chǎn)品時(shí)，在布氏硬度上提高了 50 個(gè)單位，在不損失鋼板韌性的情況下延長了耐磨壽命； HARDOX 悍達(dá) 600 是世界上最硬的耐磨鋼板，硬度值達(dá)到 600HB。2007

47、年，德國 BAUMA2007 展覽會(huì)上，瑞鋼奧隆展示了其目前世界上最硬的淬火和回火鋼板 HARDOX 悍達(dá) Extreme 耐磨鋼板，其硬度達(dá)到 700HB。HARDOX 悍達(dá) Extreme 鋼板可以在面臨極嚴(yán)重磨損的耐磨結(jié)構(gòu)件中起到重要的作用，比如在礦山、水泥及磚模具生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用。- 11 -東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章 緒論B德國蒂森克虜伯 XA R 系列耐磨鋼德國蒂森克虜伯鋼鐵公司（簡稱 TKS），從 20 世紀(jì) 60 年代中期開始生產(chǎn)的具有高耐磨性能的特殊結(jié)構(gòu)鋼板，經(jīng)淬火或淬火加回火熱處理，具有致密的馬氏體或馬氏體-貝氏體顯微結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)的鋼板厚度最大可達(dá) 100mm。除傳統(tǒng)的

48、 XAR400、450、500 級(jí)別外，TKS 還成功地開發(fā)了三種新級(jí)別用于中低磨損環(huán)境的 XAR300 正火鋼、更高溫度使用的 XAR400W 和滿足更高磨損要求的超硬級(jí) XAR600。這樣，可供選擇的鋼板硬度覆蓋范圍可達(dá) 300600HB， 幾乎對(duì)任何使用環(huán)境均都提供適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。所有級(jí)別中，最常用的是XAR400，硬度值為 400HB，其使用壽命可達(dá)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼板的 5 倍左右。XAR 耐磨鋼化學(xué)成分見表 1.3。表 1.3 XAR 系列耐磨鋼的化學(xué)成分XARCSiMnPSCrMoBCET 典型值300400400W4505006000.210.200.260.220.280.400.6

49、50.800.800.800.800.801.501.501.301.501.501.500.02500.02500.02500.02500.02500.02500.0250.0100.0250.0120.0100.0101.201.001.201.301.001.500.300.500.600.500.500.500.0050.0050.0050.0050.0050.0050.360.440.260.400.380.440.270.440.380.500.510.57注：CET/%=C+(Mn+Mo)/10+(Cr+Cu)/20+Ni/40，其大小根據(jù)板厚進(jìn)行調(diào)整。C德國迪林根 DLLDUR 系列耐磨鋼板DLLDUR 系列耐磨鋼板根據(jù)其生產(chǎn)工藝和硬度值不同分為數(shù)個(gè)級(jí)別，分別滿足不同的使用要求。其中，DLLDUR400V、500V 兩個(gè)級(jí)別的綜合性能更為突出。DLLDUR400V 耐磨鋼出廠交貨平均硬度達(dá) 400HB，在高磨損環(huán)境中得到了成功的應(yīng)用，同時(shí)它還具有優(yōu)良的可加工性能，尤其焊接性能。表 1.4 DLLDUG 耐磨鋼化學(xué)成分/%D