低碳低合金耐磨板的組織和性能研究實驗采用低碳(0．08~0．12％)設(shè)計，通過多元合金化結(jié)合高效、節(jié)能的控軋控冷(TMCP)工藝細(xì)化晶粒，改善組織，提高塑性、韌性與焊接性能，使低碳低合金耐磨鋼板具有優(yōu)良的綜合性能。
二.試驗結(jié)果及分析
1.力學(xué)性能
試驗鋼的力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表3?？梢钥闯觯谥苯哟慊鸸に嚄l件下，提高M(jìn)n、Cr、Mo含量，同時添加Nb、Cu、Ni等合金元素，保證了更低碳含量下耐磨鋼的抗拉強(qiáng)度仍可達(dá)到1200MPa左右。經(jīng)三種成分對比，可見碳含量由O.12％降至0.08％，其對材料抗拉強(qiáng)度的影響大于對屈服強(qiáng)度的影響，多元合金元素的加入有利于提高材料的強(qiáng)度，其中2#成分具有較高的綜合性能。另一方面，兩階段控制軋制細(xì)化奧氏體晶粒，增加變形奧氏體晶粒內(nèi)部的滑移帶，即增加有效晶界面積，為相變時鐵素體形核提供更多、更分散的形核位置，從而細(xì)化組織，提高耐磨鋼的綜合性能。在相同成分下，軋后直接淬火獲得的強(qiáng)度、硬度明顯高于軋后控冷，這與不同冷卻制度下得到的組織有關(guān)。
2.顯微組織
2.1光學(xué)顯微鏡下觀察
通過對三種鋼幣同冷卻工藝下的顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)相同成分下，由于冷卻速度高，軋后直接淬火得到了低碳板條馬氏體為主加少量板條貝氏體組織(圖1a，b，c)，而控冷條件下(冷速較低)得到粒狀貝氏體為主加少量板條貝氏體組織(圖ld，e)。對比1#和2#的淬火組織，可見加入Nb并采用兩階段控制軋制工藝可明顯細(xì)化奧氏體晶粒尺寸，從而保證在隨后的冷卻過程中得到更為細(xì)小的板條組織；另一方面，隨著碳含量下降，三種鋼的淬火組織中貝氏體數(shù)量增加。
2.2透射電鏡下觀察
透射電鏡下對組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，可見1#顯微組織為細(xì)長的板條馬氏體，板條寬度介于90-150nm，板條內(nèi)為高密度的位錯，板條間存在細(xì)小的殘余奧氏體(Ar)薄膜(圖2a)。2#中由于Nb的加入，組織細(xì)化，其淬火組織中的馬氏體板條寬度介于70-110nm，貝氏體含量增多，板條間也存在殘余奧氏體薄膜(圖2b)，3#銅淬火組織由下貝氏體和細(xì)長的板條馬氏體組成，由于碳含量的下降，馬氏體板條寬度有所增加，介于80-160nm，下貝氏體板條內(nèi)有明顯的桿狀碳化物析出(圖2c)。大量研究表明，馬氏體+貝氏體復(fù)相組織的韌性優(yōu)于單相馬氏體，硬度高于單相的貝氏體，因而具有更高的耐磨性。另一方面，存在于馬氏體或貝氏體板條問的殘余奧氏體薄膜有利于改善銅的韌性，其對耐磨性的影響表現(xiàn)在：磨損過程中加工硬化發(fā)生在表層，亞表層仍保持較高的強(qiáng)韌性，在高應(yīng)力沖擊磨損條件下，表層產(chǎn)生的裂紋向亞表層擴(kuò)展遇到韌性較高的奧氏體膜時，奧氏體通過塑性變形、誘發(fā)馬氏體相變等方式松弛裂紋尖端應(yīng)力，從而抑制其擴(kuò)展，提高鋼的耐磨性。當(dāng)然，殘余奧氏體對耐磨性的有利影響也是有條件的，其形態(tài)、分布、數(shù)量、穩(wěn)定性等因素以及不同磨損工況下都有可能改變殘余奧氏體所起的作用。
2#鋼控冷組織由粒狀貝氏體構(gòu)成，貝氏體板條內(nèi)有大量碳化物析出(圖2d)。通常認(rèn)為，鐵素體的位錯密度和M-A島的數(shù)量是影響粒狀見氏體組織耐磨性的主要因素，日前相關(guān)的研究較少。Ramaswamy的研究表明，在高應(yīng)力滑動磨損條件下，粒狀貝氏體與板條貝氏體相比雖然硬度較低，但前者塑性較高，在磨屑形成前，粒狀貝氏體經(jīng)歷更多的變形，可有效吸收能量，耐磨性更好。這觀點仍存在爭議。
2.3磨損實驗
在本文試驗條件下，材料經(jīng)受二體磨料磨損，磨粒與材料表面發(fā)生相對滑動。從表4可以看出，相同成分下經(jīng)淬火得到的馬氏體加奧氏體組織比經(jīng)控冷得到的粒狀貝氏體組織的耐磨性高。相同冷卻制度下，三種鋼經(jīng)軋后直接淬火硬度相近，對比可見l#的耐磨性高于2#、3#鋼；在控冷條件下，2#鋼的耐磨性優(yōu)于3#。說明材料的耐磨性不僅與硬度相關(guān)，還應(yīng)考慮顯微組織產(chǎn)生的影響，需要進(jìn)一步的實驗研究。
試樣表面磨損形貌在掃描電鏡下觀察，可見大量切痕和犁溝，磨損機(jī)制主要為顯微切削型，沒有出現(xiàn)微觀斷裂和大量的塑性變形，說明材料的硬度和韌性配合較好。本文采用的磨料為SiC，磨粒與試樣之間為硬磨料磨損。磨料顆粒作用于材料表面，顆粒上所承受的載荷分為切向分力和法向分力，在法向分力作用下，磨粒刺入材料表面，在切向分力的作用下，磨粒沿平面向前滑動，帶有銳利棱角和合適攻角的磨粒對材料表面進(jìn)行切削。如果磨粒棱角不銳利，或者沒有臺適的攻擊角，材料便發(fā)生犁溝變形，磨粒一邊向前推擠材料，一邊將材料犁向溝槽兩側(cè)，眾多磨粒反復(fù)作用下，材料多次變形硬化失去塑性，直到應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限后形成扁平狀磨屑脫落。對比不同成分和冷卻制度下試樣的磨損形貌，可見軋后直接淬火試樣表面切削痕較淺，隨著碳含量降低，犁溝數(shù)量增加；控冷條件下，由于硬度鞍低，磨損形貌上可見明顯的犁溝擠壓，耐磨性較差。