D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.01.038 第26卷第4期 北京科技大学学报 VoL26 No.4 2004年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2004 团球y+Fe,Mn)3Cy自生复合材料 强韧与耐磨机制 梁高飞”许振明”李建国”姜启川) 1)上海交通大学材料科学与工程学院，上海2000302)吉林大学材料学院，长春130025 摘要在研究团球Y+Fe,Mn)C共晶体增强奥氏体钢基自生复合材料EAMC)的力学与耐 磨性能的基础上，分析了EAMC的强韧化及耐磨机理.结果表明，高硬度的团球共晶体与韧 性奥氏体使EMC具有优异的强韧性匹配：在低载工况下，共晶体在奥氏体基体的保护下可 以有效阻碍亚表层中裂纹的扩展，加工硬化层中的硬度具有负梯度分布特征，从而减小 EAMC磨损量；高载工况下共晶体在循环外力的作用下剥落，加重“三体”磨损，故EAMC耐 磨性能随着共晶体的体积分数的增加而降低， 关键词共晶体：奥氏体钢：强韧性：耐磨性 分类号TG166.3 奥氏体中锰钢具有优异的加工硬化能力和 并详细探讨了EAMC的强韧化与耐磨机制. 耐磨性，广泛应用在刊矿山、电力、建材、煤炭以及 冶金等行业中，.通过提高C含量可以提高奥氏 1实验方法 体中锰钢的抗磨性，然而高碳中锰钢组织中存在 采用5kg中频感应电炉，不氧化法熔炼，当 沿晶界呈网状分布碳化物和晶内针状碳化物四， 钢液温度达1600℃时，插铝脱氧，孕育处理后， 一般需要加入Mo,Ni等贵重元素和复杂热处理 在包中加入Si-Fe,Ca-Si,Mg-Si及其Y基重稀土 工艺，来消除网状与针状碳化物，形成过饱和单 铁合金进行变质处理，变质剂的组成见表1所 相奥氏体，提高中锰钢的韧性，但在热处理过程 示.然后，在砂型中浇铸试样EAMC试样的化学 中，碳化物溶解的同时，容易伴随发生奥氏体晶 成分见表2所示，常规铸态高碳中锰钢一并列 粒的长大，从而影响材料性能.为此，笔者通过S 出.X射线分析在D/max-r衍射仪上进行，Cu靶， 系合金变质处理钢液，从而控制钢液中C,Mn等 管流管压：40kV,100MPa:采用VIDAS图像分析 合金元素的偏析，在铸态下获得了团球两相共晶 仪进行组织观察.磨光加工获得尺寸为l0mm× 体增强奥氏体钢基自生复合材料(EAMC).在此 10mm×55mm的无缺口冲击试样，利用SI-1C3型 基础上，本文研究了EAMC的力学与耐磨性能， 冲击实验机测量其冲击韧性；分别利用WPM布 表1S1系变质合金的化学组成（质量分数） Table 1 Composition of Si-contained modifiers % 变质合金Ca Mg Y Si C Mn Al P Ti Fe Ca-Si 28 58 1.0 2.4 0.04 0.06 Bal. Y-Si 6 2.0 1.0 Bal. Mg-Si 10 44 2.0 0.6 Bal. Si-Fe 72 0.2 0.5 0.040.02 Bal. 络维硬度计和HXD1O00型显傲硬度计测量试样 收稿日期2003-05-24 粱高飞男，35岁，博士研究生 ★国家自然科学基金资助项目(No.50001008) 的硬度：利用扫描电镜(S-570)分析试样的冲击断
第 ‘ 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 口 伽 比 伙 价 纽 团球丫 ， 自生复合材料 强韧与耐磨机制 梁 高飞 ‘， 许振 明 ‘， 李建 国 ” 姜启 川 ” 上海 交通 大学 材料科学与 工 程学 院 ， 上 海 吉林 大学材料学 院 ， 长 春 摘 要 在研 究 团球丫 ， 共 晶体增 强 奥 氏体钢 基 自生 复合 材料作 的 力学 与 耐 磨性 能 的 基础 上 ， 分析 了 的强 韧化 及 耐磨 机 理 结果 表 明 ， 高硬度 的团球共 晶体 与 韧 性 奥 氏 体 使 具 有 优异 的强韧性 匹 配 在 低 载 工 况 下 ， 共 晶体在奥 氏体基 体 的保护 下 可 以有效 阻 碍 亚 表 层 中裂 纹 的扩 展 ， 加 工 硬 化 层 中 的硬 度 具 有 负梯度 分 布特 征 ， 从 而 减 小 磨 损 量 高载工 况 下 共 晶体在循环 外 力 的作 用 下 剥 落 ， 加重 “ 三体 ” 磨损 ， 故 耐 磨 性 能 随着 共 晶 体 的体积 分数 的增 加 而 降低 关键词 共 晶体 奥 氏体钥 强韧 性 耐磨性 分 类号 奥 氏体 中 锰 钢 具 有 优 异 的 加 工 硬 化 能 力 和 耐 磨 性 ， 广 泛 应 用 在 矿 山 、 电力 、 建 材 、 煤炭 以及 冶 金 等 行 业 中「切 通 过提 高 含 量 可 以提 高 奥 氏 体 中锰钢 的抗 磨性 ， 然 而 高碳 中锰钢 组 织 中存在 沿 晶界 呈 网状 分 布碳 化 物 和 晶 内针 状 碳 化 物 【 ， 一般 需要 加 入 ， 等 贵 重 元 素和 复杂 热 处 理 工 艺 ， 来 消除 网状 与 针状 碳 化 物 ， 形 成 过 饱 和 单 相 奥 氏体 ， 提 高 中锰 钢 的韧性 但 在 热 处 理 过程 中 ， 碳 化 物 溶解 的 同 时 ， 容 易 伴 随发 生 奥 氏体 晶 粒 的长 大 ， 从 而 影 响材 料性 能 为此 ， 笔 者 通过 系合 金 变质 处 理 钢 液 ， 从 而 控 制 钢 液 中 ， 等 合金元 素 的偏 析 ， 在 铸 态 下 获得 了团球 两 相 共 晶 体增 强 奥 氏体钢 基 自生 复合 材 料 在 此 基础 上 ， 本文 研 究 了 的力 学 与 耐磨 性 能 ， 并详 细 探 讨 了 的强 韧 化 与 耐 磨 机 制 实验 方 法 采 用 中频 感 应 电炉 ， 不 氧 化 法熔 炼 当 钢 液 温 度 达 ℃ 时 ， 插 铝 脱 氧 ， 孕 育处 理后 ， 在 包 中加 入 卜 ， ， 及 其 基 重稀 土 铁 合 金 进 行 变 质 处 理 变 质 剂 的组 成 见 表 所 示 然 后 ， 在 砂 型 中浇 铸试 样 试 样 的化 学 成 分 见 表 所 示 ， 常 规 铸 态 高碳 中锰 钢 一 并列 出 射 线 分 析在 一 衍射 仪 上 进 行 ， 靶 ， 管 流 管压 采 用 图像 分 析 仪 进 行 组 织 观 察 磨 光 加 工 获 得 尺 寸 为 。 巧 。 的无缺 口 冲击 试样 ， 利用 卜 型 冲 击 实验 机 测 量 其 冲 击 韧 性 分 别 利用 布 表 系变质合金 的 化 学组成 质量分数 ，川。 一 恤 访 路 变 质合 金 一 一 ， 一 一 一 一 一 一 ︸︸，，‘口、 呀‘以月月了 收稿 日期 一 宁 梁 高 飞 男 ， 岁 ， 博士 研究生 国家 自然科学基 金 资助 项 目 络 维硬 度计 和 型 显微硬度 计 测量试样 的硬度 利用 扫 描 电镜 一 分 析试样 的冲 击 断 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．04．038
VoL26 No.4 梁高飞等：团球y+Fe,Mn)Cy自生复合材料强韧与耐磨机制 ·383· 表2试样的成分与变质剂加入量（质量分数） Table 2 Composition of samples and the amount of added modifiers % 试样 C Si Mn P 变质剂 加入量 剩余量 Y1-2 0.96 0.85 6.40 0.03 0.02 Y-Si/1.0 1.0 0.2110 Y2-2 1.33 0.97 6.82 0.03 0.03 Y-Si/1.0 1.0 0.1220 M2-2 1.21 0.89 6.32 0.03 0.03 Mg-Si/1.0 1.0 0.0126 C2-2 1.49 1.06 6.81 0.03 0.03 Ca-Si/1.0 1.0 0.1850 w2-2 1.50 0.21 6.76 0.03 0.03 ◆注：W2-2为常规铸态高碳中锰钢 口形貌. 将试样线切割成尺寸为4mm×10mm的磨 损试样，在MPX-2000型主轴盘-销式磨损实验 机上进行室温千磨损实验，磨损实验条件：载荷 30-250N:转动速度0.67m/s:磨损时间20min:摩 擦副为G45”.磨损实验前，将试样和摩擦副进行 超声波清洗，然后置入烘箱内恒温100℃干燥12 h.利用精度为0.1mg的光学天平测定试样的磨 *,200m 损质量损失，取三次失重的平均值作为最终磨损 图1EAMC的金相结构 质量损失△G,并将磨损量转化为体积磨损率E, Fig.1 Metallographic structure of EAMC 其定义为： E-AG vtp (1) 式中，v为转动速度，ms:t为磨损时间，s:p为材料 6000 的密度，gcm. 试样对剖后，利用VDAS图像分析仪进行组 潜 4000 织观察，扫描电镜/能谱仪(S-570)分析磨损表面， HXD1000型显微硬度计测量磨损后试样亚表层 2000 中基体的显微硬度V). 2实验结果与讨论 10 30 50 70 90 21EAMC的组织结构 2a/) 图2EAMC的X射线衍射结果 图1为EAMC典型的微观组织结构，图2为 Fig.2 XRD pattern of EAMC sample corresponding to 该试样X射线衍射分析结果.由图可见，EAMC Fig.1 基体为奥氏体相，晶界光滑，大量团球状质点均 匀分布，经透射电镜和扫描电镜能谱仪分析，团 碳中锰钢一并列出.可见，EAMC的硬度随着团 球质点为奥氏体(-Fe)与渗碳体(Fe,Mn),C)两相 球共晶体的体积分数的增加而提高，冲击韧性下 共晶体切. 降，但均大于W2-2. 经硬度计测量，共晶体的显微硬度为V800 对于各种材质EAMC,体积磨损率随着正载 左右，而基体的显微硬度为HV275左右.VIDAS 荷的增加而提高.在相同的载荷工况下，情况较 分析表明，团球共晶体的尺寸在5~10m之间， 复杂，在低载工况下，体积磨损率则随着团球共 圆度为0.750.95，体积分数在2%~12%左右. 晶体的体积分数的增加逐渐减小：而在高载工况 2.2EAMC的力学与耐磨性能 下，体积磨损率反而随着体积分数的提高有增大 表3列出了不同体积分数的EAMC的宏观硬 的趋势.表明团球共晶体对EAMC耐磨性的贡献 度(HB)、冲击韧性a和体积磨损率E,常规铸态高 在低载下可以体现
心 梁高飞 等 团球尹伊 河 行自生 复合材料强韧 与耐磨机制 表 试样 的 成 分 与变质 剂 加 入 量 质量 分 数 ， 俪 沂 加 入 量 勺人山且 一 屯 ， 变质剂 一 一 剩余量 ︸ ︸拭一︸矛 片尸 注 一 为 常规铸态 高碳 中锰 钢 口 形 貌 将试样线切 割成 尺 寸 为中 ‘ 的磨 损 试 样 ， 在 卜 型 主轴 盘一 销 式磨 损 实验 机 上 进 行 室温 干 磨 损 实验 磨 损 实验 条件 载荷 一 转动速 度 订 磨 损 时 间 摩 擦 副 为 带 磨 损 实验 前 ， 将试 样和 摩 擦 副进 行 超 声波清洗 ， 然 后 置 入烘 箱 内恒 温 。 ℃ 干燥 利用 精度 为 的光 学 天平 测 定 试样 的磨 损 质量损 失 ， 取 三 次 失重 的平 均值 作 为最 终磨 损 质 量损 失△ ， 并将 磨 损 量 转化 为 体积 磨 损 率， 其 定义 为 图 的金 相 结构 电 · 卜 ， △ 乙 二 －甲 的日口吕 荞、﹄﹄ 价口﹄﹂吕 杯︹ 工日口 拼名一 寸闰一目日 杯泥 ﹄ 式 中 ， 为转 动速 度 声以 为磨 损 时 间 ， 为材 料 的密度 ， 沙耐 试样 对 剖后 ， 利用 图像 分 析 仪进 行 组 织 观 察 ， 扫 描 电镜 能谱仪 一 分析磨 损 表 面 ， 型 显 微 硬 度 计 测 量 磨 损 后 试 样 亚 表 层 中基 体 的显 微硬 度 纂 友 霉 实验 结果 与讨论 的组 织 结构 图 为 典 型 的微 观 组 织 结 构 ， 图 为 该试 样 射线衍 射 分 析 结 果 由图可 见 ， 基 体 为奥 氏体 相 ， 晶界 光滑 ， 大量 团球状 质 点均 匀 分布 ， 经 透 射 电镜 和 扫描 电镜 能谱仪分 析 ， 团 球质 点 为奥 氏体 卜 与渗 碳 体 《 ， 两 相 共 晶体阴 经硬 度 计 测量 ， 共 晶体 的显微硬度 为 左 右 ， 而基 体 的显 微 硬 度 为 左 右 、 分 析 表 明 ， 团球 共 晶体 的尺 寸在 一 脚 之 间 ， 圆度 为 一 ， 体积 分 数 在 一 左 右 的 力学 与 耐磨 性 能 表 列 出 了不 同体积 分数 的 的宏观 硬 度 、 冲 击 韧 性几和 体积 磨 损 率， 常规 铸 态 高 二 叫匕 叫卜一 州‘ 曰卜一一卜“ 叫护‘ 们‘ 曰 一 酬 图 的 射线 衍射 结 果 · 批 碳 中锰 钢 一 并列 出 可 见 ， 的硬 度 随着 团 球共 晶体 的体积 分数 的增 加 而提 高 ， 冲 击 韧性下 降 ， 但 均 大 于 一 ， 对 于 各 种 材 质 ， 体积 磨 损 率 随着 正 载 荷 的增 加 而 提 高 在 相 同 的载 荷 工 况 下 ， 情 况 较 复杂 在低 载工 况 下 ， 体积 磨 损 率 则 随 着 团球共 晶体 的体积 分数 的增 加 逐渐减 小 而在 高载工 况 下 ， 体 积磨 损 率反 而 随着 体积 分 数 的提 高有增大 的趋 势 表 明 团球共 晶体 对 耐 磨性 的贡献 在低 载 下 可 以体现
·384◆ 北京科技大学学报 2004年第4期 表3EAMC与常规铸态中锰钢的性能 Table 3 Performance of EAMC and normal high-carbide mediate Mn steel 共晶体体积 韧性/ E10-mm'.m-) 试样 HB 分数% (J.cm) 30N 75N 100N 175N 250N Y1-2 188 79.5 0.17 0.18 4.09 19.85 35.41 M2-2 4 224 56.6 0.12 0.16 3.42 17.42 32.14 Y2-2 6 244 43.0 0.09 0.15 1.95 19.45 35.69 C2-2 10 274 29.7 0.08 0.11 1.65 6.10 36.50 W2-2 280 8.7 0.08 0.10 1.43 8.56 39.52 2.3EAMC的强韧与耐磨机制 在实验材料中，试样C2-2的硬度与耐磨性 能为最高，冲击韧性最低.故本文以C2-2为参考 材料，通过与其他EAMC试样以及W2-2对比， 探讨EAMC的强韧化与耐磨机制. 硬质相团球共晶体可以约束并区域性封锁 材料的塑性变形，使材料滑移带的扩展受阻，有 效滑移距离缩短.由复合材料的混合定律， HVe=HV(1-)+HVf 式中，HVc,HVM,HV分别为EAMC、奥氏体基体 与团球共晶体的硬度.因此，EAMC的宏观硬度 随着团球共晶体的数量提高而增加（表3）. 86310020KyX50:自：·866m 图3(a),b)分别为试样C2-2冲击断口中央的 宏观与微观形貌.可见，断口中央粗糙不平，“峰” 与“窝”交错（图3(a):徽观形貌特征为断裂晶界 包围有许多大小不等的（椭）圆形“凹坑”，表明在 冲击过程中，EAMC为延性+沿晶断裂，断裂源为 晶界以及团球共晶体与奥氏体基体的结合处.图 4为常规铸态高碳中锰钢W2-2冲击断口微观形 貌.可见，断口有许多成无规则取向的小平面组 成，撕裂痕呈河流花样，小平面上“人字纹”形态 明显.表明在冲击过程中，断裂源为晶界碳化物 以及晶内针状碳化物，W2-2为解理断裂， 晶界愈厚，愈粗糙：团球共晶体含量与尺寸 86318828KVk1:512:im 愈大，均对EAMC试样的冲击韧性不利，故C2-2 的冲击韧性低于其他试样（表3）.另外，由于C2-2 图3EAMC试样(C2-2)冲击断口的宏观(a)与微观形 中晶界光滑，并且晶内不存在针状碳化物，奥氏 貌b) 体基体可以充分发挥其使裂纹分支与钝化的能 Fig.3 Fracture surfaces of impact EAMC sample(C2-2) 力，降低塑性变形时裂纹尖端的应力集中，消耗 (SEM):(a)Macro-morphology;(b)Micro-morphology 更多的冲击能量，因此C2-2的冲击韧性仍远大 晶体，见图6所示.此时，外界应力小于奥氏体 于W2-2. 基体对团球共晶体约束，团球共晶体可以有效地 图5(a),b)分别为低载与高载下试样C2-2的 阻止磨粒的切向分力作用，阻碍裂纹在亚表层中 磨损亚表层徽观形貌.经能谱分析，图中团球质 扩展，裂纹被迫分支、钝化、绕道（图5(a)箭头所 点（箭头处）成分为（质量分数，%）：3.01C,9.34Mn, 示)，消耗摩擦系统能量，从而减小EAMC的磨损 1.83Si,0.54Al,0.05Ca,其余为Fe,表明质点为共 量.在高载工况下，外力的剪切分量大于奥氏体
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 一期 表 与 常规 铸 态 中锰钢 的性 能 顶 】 电卜 试样 共 晶体 体积 分数从 韧性 · 一 勺 一 ， 耐 · 一 ， 口一 一 ，‘山卫 人 的 强韧 与耐磨机 制 在 实验 材料 中 ， 试 样 的硬度 与耐 磨 性 能 为最高 ， 冲 击韧 性最低 故 本 文 以 一 为参 考 材料 ， 通过 与其他 试 样 以及 佗 对 比 ， 探 讨 的强韧 化 与 耐 磨机制 硬 质 相 团球共 晶 体 可 以约 束 并 区 域 性 封 锁 材料 的塑性变形 ， 使材料滑 移 带 的扩 展 受 阻 ， 有 效滑 移 距 离缩短 由复合 材料 的混 合 定律 ， 二 一了 式 中 ， 七 ， ， 分 别 为 、 奥 氏体 基 体 与 团球 共 晶体 的硬 度 因此 ， 的宏 观 硬 度 随着 团球 共 晶体 的数 量提 高而 增 加 表 图 ，伪 分 别 为试样 佗 冲击 断 口 中央 的 宏 观 与微观 形貌 可见 ， 断 口 中央粗 糙 不平 ， “ 峰 ” 与 “ 窝 ” 交错 图 微 观 形 貌 特 征 为 断裂 晶界 包 围有 许 多大 小 不 等 的 椭 圆形 “ 凹 坑 ” 表 明在 冲 击 过 程 中 ， 为 延 性 沿 晶 断裂 ， 断裂源 为 晶界 以及 团球 共 晶体 与奥 氏体基 体 的结 合 处 图 为常 规铸 态 高碳 中锰 钢 屯 冲 击 断 口 微 观 形 貌 可 见 ， 断 口 有 许 多成 无 规 则 取 向 的小平 面 组 成 ， 撕 裂 痕 呈 河 流 花 样 ， 小 平 面上 “ 人 字 纹 ” 形 态 明显 表 明在 冲 击 过 程 中 ， 断裂源 为 晶 界碳化物 以及 晶 内针 状碳化 物 ， 空 为解 理 断 裂 晶 界 愈 厚 ， 愈粗 糙 团球 共 晶体含 量 与尺 寸 愈 大 ， 均 对 试样 的冲 击 韧 性 不 利 ， 故 冬 的冲击韧性低 于 其 他 试样 表 另 外 ， 由于 佗 中 晶界 光 滑 ， 并且 晶 内不 存 在 针 状 碳 化 物 ， 奥 氏 体 基 体 可 以充 分 发 挥 其 使 裂 纹 分 支 与钝化 的 能 力 ， 降低 塑 性 变形 时 裂 纹 尖 端 的应 力集 中 ， 消耗 更 多的冲击 能 量 ， 因此 一 的冲击 韧 性 仍 远 大 于 一 图 ， 分 别 为 低 载与高 载 下试 样 一 的 磨损 亚 表 层 微 观 形 貌 经 能谱 分 析 ， 图 中 团球 质 点 箭 头 处 成 分 为 质量 分数 ， ， ， ， ， ， 其 余 为 ， 表 明质 点 为共 图 试 样 一 冲击 断 口 的宏 观 与徽观形 貌伪 啥 · 一 峋 】哪罗 伪 份 城分 晶体 ‘月， 见 图 所 示 此 时 ， 外 界应 力 小 于奥 氏体 基 体 对 团球 共 晶体 约 束 ， 团球 共 晶体 可 以有效地 阻 止磨 粒 的切 向分 力 作用 ， 阻碍裂 纹在 亚表层 中 扩 展 ， 裂 纹 被 迫 分 支 、 钝 化 、 绕 道 图 箭 头所 示 ， 消 耗 摩 擦 系统 能 量 ， 从 而减 小 的磨 损 量 在 高载 工 况 下 ， 外 力 的剪切 分 量 大 于 奥 氏体
Vol.26 No.4 梁高飞等：团球Y+(Fe,Mn)C/y自生复合材料强韧与耐磨机制 385· 0 M Si A1 S Ca 246 81012141618 280/) 图6图5箭头处质点的成分 86298820KV 60um Fig.6 Results gained by energy dispersive X-ray analysis relevant to the point in Fig.5(marked by a single arrow) 图4铸态高碳中锰钢(W2一2)冲击断口微观形貌 Fig.4 Fracture micro-morphology of impact high carbide mediate Mn steel (W2-2)(SEM) 20 um 2004m 图7EAMC磨损亚表面宏观形貌(175N) Fig.7 Macro-morphology of EAMC worn subsurface (175N) 亚表层宏观形貌.可见，磨损表面的奥氏体晶粒 严重变形，显微硬度计测试发现表面基体硬度升 高，表明在干摩擦磨损工况下EAMC磨损表面由 于形变发生加工硬化.加工硬化层(Strain hard- ened zone,简称为SHZ)深度定义为磨损表面至显 图5EAMC磨损亚表面微观形貌.(a)低加载状态；(b) 微硬度与磨损前基体相同的亚表层的距离，图8 高加载状态 为不同载荷工况下SHZ的分布曲线M2-2).可 Fig.5 Micro-morphologies of EAMC worn subsurface 见，SHZ深度与磨损表面硬度与工况条件有关： (optical micrograph):(a)Under low normal load;(b)Un- 磨损表面硬度随着正载荷的增大逐渐升高，这主 der high normal load 要是大载荷产生大应变的结果：硬度具有负梯度 基体对共晶体的约束作用，使共晶体在循环外力 分布特征，该特征有利于EAMC抵抗外载荷与磨 的作用下剥落，不能发挥其在低载工况下的作 损作用.SHZ深度在175N左右出现最大临界值， 用，裂纹在亚表层中自由扩展（图5b)箭头所示）， 原因在于SHZ负梯度分布特征是动态存在的，一 另外，剥落的团球共晶体作为磨粒加重“三体”磨 方面，大载荷产生高的加工硬化，增大SHZ深度； 损，故高载下EAMC的体积磨损率反而随着体积 另一方面，试样在大载荷下的磨损率较大，从而 分数的提高有增大的趋势， 减小SHZ深度.因此，SHZ深度与正载荷的关系 图7为正应力为175N时试样M2-2的磨损 必然存在一临界最大值
匕 梁 高飞 等 团球 ， 时 自生 复合材 料 强韧 与耐磨 机 制 一 「 图 祷 怂 局 恢 甲 伍钠 ‘ 一 ‘ 厂甲亩 阶 曰 佩观 邝 貌 啥 · 恤 肠 一 图 图 箭头 处质 点 的成 分 啥 · 电 勿 恤 图 磨 损 亚 表面微观形貌 低加 载 状 态 伪 高加 载状 态 一 五 一 褚 口 基 体对共 晶体 的约 束 作用 ， 使共 晶 体 在循环 外 力 的作 用 下 剥 落 ， 不 能 发 挥 其 在 低 载 工 况 下 的作 用 ， 裂 纹 在 亚 表 层 中 自由扩 展 图 伪 箭 头所 示 ， 另外 ， 剥 落 的 团球共 晶体 作 为磨 粒 加 重 “ 三 体 ” 磨 损 ， 故 高载 下 的体 积 磨 损 率 反而 随着体 积 分 数 的提 高有增 大 的趋 势 图 为 正 应 力 为 时试 样 一 的磨 损 图 磨损亚 表面宏 观 形 貌 价 二理 加 亚 表 层 宏 观 形 貌 可 见 ， 磨 损 表 面 的奥 氏体 晶粒 严 重变形 ， 显 微 硬度 计测试 发现 表 面基 体硬度 升 高 ， 表 明在 干 摩擦 磨 损 工 况 下 磨 损表 面 由 于 形 变 发 生 加 工 硬 化 加 工 硬 化 层 ， 简称 为 深 度 定义 为磨 损 表面至 显 微 硬 度 与磨 损 前基 体 相 同 的亚 表 层 的距 离 图 为不 同载 荷 工 况 下 的分 布 曲线 一 可 见 ， 深 度 与 磨 损 表 面 硬 度 与 工 况 条件 有 关 磨 损 表 面硬 度 随着 正 载荷 的增 大逐 渐 升 高 ， 这 主 要 是 大载荷 产 生 大应 变 的结果 硬度 具有 负梯度 分 布特 征 ， 该特 征 有 利 于 抵 抗 外 载荷 与磨 损 作 用 深 度 在 左 右 出现 最 大 临 界值 ， 原 因在 于 负梯 度 分布 特 征 是动 态 存在 的 ， 一 方 面 ， 大载荷 产 生 高 的加 工硬 化 ， 增 大 深 度 另一 方 面 ， 试 样 在 大 载荷 下 的磨 损 率较 大 ， 从 而 减 小 深 度 因此 ， 」 深 度 与 正载 荷 的关 系 必 然 存 在 一 临 界 最 大值
·386· 北京科技大学学报 2004年第4期 440 -…30N EAMC的强韧化机理：(I)团球共晶体的高硬 -·70N 100N 度：(2)高韧性奥氏体基体的分支与钝化裂纹能 400 175N ..250N 力：(3)两者之间的优异匹配. 360 低载工况下EAMC的优异耐磨性在于：(I)在 奥氏体基体的保护下，团球共晶体可以有效地阻 94 320 止磨粒的切向分力作用，阻碍裂纹在亚表层中的 扩展，裂纹被迫分支、钝化、绕道：（②）加工硬化层 280L 0 100200300400500 (SHZ)中硬度具有的负梯度分布特征有利于 到亚表层距离m EAMC抵抗外载荷与磨损作用. 图8EAMC亚表层硬度分布 Fig.8 Hardness distributions on the worn subsurface of 参考文献 EAMC 】梁高飞，许振明，姜启川，等.抗磨锅的最新进展 特殊钢，2002,23(4)：1 3结论 2梁高飞，许振明，李建国，等，耐磨钢中共晶体团球 化的进展月.钢铁研究学报，2002,15(1)：71 EAMC硬度随着团球共晶体体积分数增加 3梁高飞，许振明，李建国，等.ytFe,Mn)C团球共晶 而提高；冲击韧性则随之增加而下降，但均大于 体增强奥氏体钢基自生复合材料的组织与性能[). 常规铸态高碳中锰钢.体积分数一定时，体积磨 上海交通大学学报，2003,37(2)：74 损率随着正载荷的增加而提高，在低载下，体积 4 Liang G F,Xu Z M,Li J G,et al.Effect of Ca-Si agent 磨损率则随着团球共晶体的体积分数的增加逐 modifier on the solidification and microstructure of auste- 渐减小：而在高载工况下，体积磨损率反而随着 nite medium Mn steel [J].J Mater Sci Lett,2003,22(4): 体积分数的提高有增大的趋势. 549 Strengthening/Toughness Match and Wear Resistance of Granular y+(Fe,Mn),C/y In-situ Composites LIANG Gaofei",XU Zhenming',LI Jianguo",LIANG Qichuan" 1)Shanghai Jiaotong University,Shanghai 00030,China;2)Jili University,Changchun 130025,China ABSTRACT The performance of granular y+(Fe,Mn),C eutectics reinforced austenite steel matrix composites (EAMC)was studied,and the strengthening/toughness match and wear resistance were analyzed.The results show that hard granular eutectic particles and soft austenite matrix contribute to the strengthening/toughness match of EAMC.The wear resistance of EAMC under low normal load results from that the eutectic particles under the pro- tection of austenite matrix can delay effectively crack propagation on the subsurface in the process of sliding wear, and the micro-hardness in the strain hardened zone distributes in a negative gradient.The granular eutectic paricles are flaked off at high normal load,which intensifies the "triple body"wear and increase the mass loss of EAMC. KEY WORDS granular eutectic;austenite steel;strengthening/toughness match;wear resistance
肠 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 气 一 一 一 一 汽︶，嘴，‘ ︸ 奋工 孟一 一‘ 一一 到亚 表层 距 离小 图 亚 表层 硬 度 分 布 嗯 · 如 脚 几 加 丑扭 的 强韧 化 机 理 团球 共 晶体 的高硬 度 高韧 性 奥 氏体基 体 的分 支 与 钝 化 裂 纹 能 力 两 者 之 间 的优 异 匹 配 低 载 工 况 下 的优 异 耐磨 性在 于 在 奥 氏体基 体 的保 护 下 ， 团球共 晶体 可 以有效地 阻 止 磨 粒 的切 向分 力作用 ， 阻碍裂纹在 亚表层 中的 扩 展 ， 裂 纹 被迫 分 支 、 钝 化 、 绕道 加 工 硬 化 层 中 硬 度 具 有 的 负 梯 度 分 布 特 征 有 利 于 抵抗 外 载荷 与 磨 损 作 用 参 考 文 献 结 论 硬 度 随着 团球 共 晶 体 体 积 分 数 增 加 而提 高 冲 击 韧 性 则 随 之增 加 而 下 降 ， 但均 大 于 常 规铸 态 高碳 中锰 钢 体积 分 数 一 定 时 ， 体 积 磨 损 率 随着 正 载 荷 的增 加而 提 高 在低 载下 ， 体 积 磨 损 率 则 随着 团球 共 晶 体 的体 积 分 数 的增 加 逐 渐 减 小 而 在 高 载 工 况 下 ， 体 积 磨 损 率 反 而 随着 体 积 分 数 的提 高有 增 大 的趋 势 梁 高 飞 ， 许振 明 ， 姜启 川 ， 等 抗磨 钢 的最 新进展 【耳 特 殊 钢 ， ， 梁 高 飞 ， 许 振 明 ， 李 建 国 ， 等 耐 磨 钢 中共 晶体 团球 化 的进展 钢 铁研究学报 ， ， 。 梁 高 飞 ， 许 振 明 ， 李 建 国 ， 等 下代 ， 团球 共 晶 体 增强奥 氏体钢 基 自生 复合材料 的组 织 与性 能 上 海 交通 大学 学报 ， ， ， 知 ， ， 月免 五 加 似 闭 · 创 ， ， 叭 ， 一 乙侧刀 ， 火飞 岁七 侧洲’， 剑刃 ” 朋 ， 颐 ， ， 即 ， 丫代 洲位 幻 ， 叮 】 旧 功 五 加 议 笼 ， 即 如， ” 示 勿 ，， · ‘