張福全 ，邵飛杰， 周惦武

(1．湖南大學 材料科學與工程學院,湖南 長沙 410082；2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082)

高錳鋼在沖擊作用下，其工件表面能迅速產(chǎn)生加工硬化效果，使其具有良好的抗磨能力，廣泛應用于礦山機械、冶金、建材等行業(yè)中.關于高錳鋼加工硬化的原因一直沒有統(tǒng)一認識，存在各種不同的觀點，如早期的形變誘發(fā)馬氏體相變硬化說、位錯硬化說等[1-2]，后來還有動態(tài)應變時效硬化說[3]，孿晶+Mn-C原子對造成的強烈不對稱畸變[4]等多種復合硬化說.但并不是所有需要耐磨的場合下都可以選用高錳鋼，如在實際工況條件下，當沖擊載荷不夠高時，不能在工件表面形成充分的加工硬化效果，從而影響高錳鋼工件的耐磨性能及其使用壽命.為了進一步提高高錳鋼的耐磨性，人們在合金化處理[5]、熱處理工藝[6]、表面預硬化處理[7]等方面進行了大量研究.本文通過沖擊磨損試驗[8-10]研究實際工況條件下高錳鋼的加工硬化能力及其磨損機制，為充分發(fā)揮高錳鋼的加工硬化能力，從而提高材料的耐磨性，并根據(jù)實際工況條件合理選用高錳鋼提供實驗依據(jù).

1 工況分析

在實際生產(chǎn)中，高錳鋼的應用范圍很廣，實際工況多種多樣，所受到的沖擊功也很難確定，選取高錳鋼應用較廣的錘式破碎機為例，大致推測在實際工況條件下，高錳鋼的沖擊功大小，以確定本實驗選取的沖擊功范圍的大小.計算數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 3種型號的錘式破碎機中錘頭受到的沖擊功

從表1可知錘式破碎機在破碎過程中所受到的沖擊功大小.因此，本實驗選用0.5 J/mm2，1 J/mm2，2 J/mm2和3 J/mm2的沖擊功，研究沖擊功對加工硬化能力及其耐磨性的影響.

2 試驗材料及方法

試驗用高錳鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù))為C 1.21，Mn 12.8，Si 0.4，Cr 1.92，S，P≤0.02，F(xiàn)e余量.設計了兩套熱處理工藝方案，選取其中的最優(yōu)方案.方案1：將工件加熱到650 ℃保溫2 h，再加熱到1 080 ℃保溫2 h，然后淬火處理.方案2：將工件加熱到550 ℃保溫1.5 h，加熱到650 ℃保溫2 h，再加熱到1 080 ℃保溫2 h，然后淬火處理.

在MLD-10型動載磨料磨損試驗機上進行沖擊磨料磨損試驗.待測試樣用線切割的方法加工至10 mm×10 mm×30 mm，磨料是粒度為17目的石英砂.進行磨損試驗時，待測樣以200 次/min的頻率進行沖擊磨損，選取的沖擊功有0.5 J/mm2，1 J/mm2，2 J/mm2和3 J/mm2，磨料以10 kg/h的流速流入上下試樣之間，試驗時間為60 min.待測試樣在裝機前后均用酒精清洗并烘干，在精度為0.1 mg的光學天平FA2004B上對磨損前后的待測試樣的質(zhì)量進行測量.

硬度測試在HBRV187.5型硬度計上進行，測定5個點求平均值.試樣經(jīng)研磨、拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，在MM6金相顯微鏡下進行顯微組織觀察.利用FEI Quanta-200型掃描電鏡對沖擊磨損表面形貌進行觀察.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 熱處理對高錳鋼顯微組織的影響

圖1中A為奧氏體，B為碳化物，C為珠光體.圖1(a)是高錳鋼經(jīng)過方案1熱處理實驗后的單一奧氏體組織，其晶粒度大小為350 μm.圖1(b)是經(jīng)過方案2熱處理實驗后的單一奧氏體組織，晶粒度大小為170 μm.圖1(c)是高錳鋼加熱到550 ℃保溫后直接淬火處理的組織．從圖中可以看出高錳鋼在550 ℃時碳化物析出長大，同時奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥楣怏w相.高錳鋼在加熱過程中隨著碳化物析出、溶解的同時，金屬基體組織也在發(fā)生變化，在550 ℃發(fā)生共析分解，形成珠光體.當溫度超過共析轉(zhuǎn)變溫度時，珠光體晶團發(fā)生奧氏體重結(jié)晶.高錳鋼和其他鋼種一樣，在相界面上奧氏體形核長大，形成奧氏體組織.由于奧氏體重結(jié)晶可在多個相界面上形核，形成多個奧氏體晶粒.所以這個過程可使奧氏體在一定程度上得到細化[11].

3.2 磨損規(guī)律

從圖2中可以得知，隨著沖擊功的增大，高錳鋼沖擊磨損后的硬度逐漸增大.當沖擊功達到2 J/mm2時高錳鋼的硬度與3 J/mm2時相差不大，由此可知當沖擊功為2 J/mm2時，高錳鋼已經(jīng)達到了最佳的加工硬化效果.沖擊功2 J/mm2為高錳鋼的臨界沖擊功.

(a)經(jīng)過方案1熱處理后的組織

(b)經(jīng)過方案2熱處理后的組織

(c)550 ℃保溫1.5 h后的淬火組織

沖擊功/(J·mm-2)

由圖3可見，隨著沖擊功的增大，磨損率出現(xiàn)了先減小后增大的規(guī)律.當沖擊功為0.5 J/mm2時，高錳鋼的磨損率最大.隨著沖擊功的增加，當沖擊功為2 J/mm2時，高錳鋼的磨損率最小.當沖擊功超過2 J/mm2后，磨損率隨著沖擊功的增大而增大.由此可知，當沖擊功在0.5～2 J/mm2范圍內(nèi)，隨著沖擊功的增大高錳鋼的加工硬化效果愈加明顯.當沖擊功達到2 J/mm2時，高錳鋼的加工硬化效果達到最佳效果，不會因為沖擊功的增大而進一步加工硬化.當沖擊功為2 J/mm2和3 J/mm2時，高錳鋼的加工硬化程度相同，都是充分發(fā)揮了高錳鋼的加工硬化能力.在加工硬化效果相同的情況下，由于3 J/mm2的沖擊功較大，所以磨損率較高.但是比較1 J/mm2與3 J/mm2的磨損率，沖擊功為3 J/mm2的磨損率較小.由此可見，高錳鋼的加工硬化能力是影響其耐磨性的重要因素.高錳鋼在其臨界沖擊功之上使用才能發(fā)揮其耐磨能力.因此，高錳鋼在沖擊功2 J/mm2以上時使用才能充分發(fā)揮高錳鋼的加工硬化效果.

沖擊功/(J·mm-2)

3.3 磨損表面形貌分析

切削磨損是在切應力作用下，磨粒從表面切過，材料表面產(chǎn)生一定深度的犁溝.鑿削磨損是當磨料以較高速度沖擊材料表面時，材料表面受到較大的沖擊功，材料亞表面形成裂紋，并在45°方向擴展，形成錐形沖擊坑.圖4中A為犁溝狀變形痕跡，B為鑿削坑.由圖4可知，在0.5 J/mm2的沖擊功下，磨料切入基體后，材料被擠出許多犁溝狀痕跡(圖4(a))．犁溝變形屬于塑性變形，磨損表面只表現(xiàn)出塑性變形的痕跡，可見在此沖擊功下高錳鋼的磨料磨損機理為切削磨損機理．1 J/mm2的沖擊功下，高錳鋼試樣磨損面上出現(xiàn)較多的犁溝(圖4(b))，這種犁溝作用的重復進行促使被擠出部分發(fā)生多次擠壓變形，產(chǎn)生了明顯的加工硬化效果，磨料磨損機理同樣是切削磨損機理．在2 J/mm2的沖擊功下，高錳鋼表面具有一定量的犁溝的同時出現(xiàn)了一些較淺的凹坑(圖4(c))，高錳鋼的磨料磨損機理為切削磨損機理和鑿削磨損機理兩者的共同作用．在3 J/mm2的沖擊功下，高錳鋼表面出現(xiàn)了大量的沖擊坑以及少量的具有較大深度的犁溝(圖4(d))，高錳鋼的磨粒磨損機理以鑿削磨損機理為主，同時伴有切削磨損機理.

當沖擊功較小時，加工硬化效果不明顯，材料主要發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)出來的是切削磨損和塑變磨損；隨著沖擊功的提高，磨料切入基體后可能在同一道犁溝發(fā)生多次擠壓變形，從而提高加工硬化效果.根據(jù)力學理論可知，加工硬化區(qū)抗拉強度極限非常低，約為抗壓強度的1/4～1/5，所以盡管在表面接觸圓邊緣處的最大拉應力為0.133q0(q0為接觸表面的法向最大壓應力)，當沖擊功較大時，所產(chǎn)生的沖擊力P相當大，這時可能所產(chǎn)生的拉應力仍將大于材料的抗拉強度極限而導致圓域邊界產(chǎn)生垂直于表面的裂紋，促使鑿削坑形成，表現(xiàn)出切削磨損和鑿削磨損，隨著沖擊功的逐步增大鑿削磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕哪p機制；只有當沖擊功達到臨界沖擊功時，高錳鋼的加工硬化效果最佳且受到的相對沖擊功最小.材料表面既產(chǎn)生了較好的加工硬化效果，沖擊力又不足以在材料表面鑿削下大顆粒金屬，因此，所發(fā)生的磨損很小.

(a)0.5 J/mm2

(b)1 J/mm2

(c)2 J/mm2

(d)3 J/mm2

3.4 磨損后顯微組織分析

由圖5(a)到圖5(d)可以看出，試樣經(jīng)過沖擊磨損試驗之后，在沖擊功的作用下，材料內(nèi)部出現(xiàn)了大量的滑移帶.滑移帶的密度和沖擊功的大小成正比.在0.5 J/cm2的沖擊功下，滑移帶密度較小，隨著沖擊功的增大，產(chǎn)生滑移帶的密度逐漸增大.當沖擊功到達2 J/mm2及以上時，由于沖擊功較高，可開動的滑移帶數(shù)目增多，在很多晶粒內(nèi)出現(xiàn)交滑移現(xiàn)象(圖5(c)和(d)).

在沖擊作用下，沖擊面局部受力較大，不但能導致多個滑移開動，而且能使變形帶很快產(chǎn)生，高密度變形帶相互交叉、阻滯或截割，能使奧氏體組織強烈細化，有可能形成微晶甚至納米晶[12]，從而產(chǎn)生加工硬化效果.

4 結(jié) 論

1)高錳鋼在550 ℃發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變，這些珠光體能為奧氏體提供大量的形核界面，因此，采用方案2進行熱處理能細化高錳鋼的晶粒組織.

2)在沖擊功為2 J/mm2時，高錳鋼的沖擊耐磨性最好，加工硬化能力最佳.沖擊功2 J/mm2為高錳鋼的臨界沖擊功.高錳鋼在大于2 J/mm2的沖擊功工況下使用，能充分發(fā)揮其加工硬化能力.

(a)0.5 J/mm2

(b)1 J/mm2

(c)2 J/mm2

(d)3 J/mm2

3)高錳鋼沖擊磨損過程中主要存在著兩種磨損機制：切削磨損機制和鑿削磨損機制.當沖擊功為0.5～1.0 J/mm2時，磨損過程為切削磨損機制；在沖擊功為2 J/mm2時，磨損過程中出現(xiàn)了鑿削機制，但以切削磨損機制為主體.當沖擊功大于2 J/mm2時，鑿削磨損機制為沖擊磨損過程中的主要作用機制.

4)在0.5 J/mm2時，滑移帶的密度較小，隨著相對沖擊功的提高，高錳鋼中滑移帶的密度顯著增大，在2 J/mm2時，甚至出現(xiàn)了交滑移現(xiàn)象.

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