毕业设计(论文)中期报告FeCMnAl基超高强度耐磨钢的组织转变与热处理实验研究

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1、北 京 科 技 大 学本科生毕业设计(论文)中期报告Fe-C-Mn-Al基超高强度耐磨钢的组织转变与热处理实验研究题目：_ _ 材料科学与工程学院学院：_材料科学与工程专业专业：_姓名：_学号：_ 指导教师签字：_ 年 月 日-12目 录北 京 科 技 大 学1本科生毕业设计(论文)选题报告11文献综述21.1 耐磨钢的分类21.1.1高锰钢21.1.2低、中合金耐磨钢31.1.3超高锰钢31.2高强度耐磨钢的研究41.2.1国内外研究现状41.2.2高强度耐磨钢研发动态61.3淬火-分配（Q-P）工艺61.4淬火-分配-回火（Q-P-T）工艺101.4.1 Q-P-T工艺概述102课题研究背

2、景113研究方法、内容及预期目的123.1课题研究内容123.2研究预期目的124 进度安排12参 考 文 献1指导教师意见31文献综述1.1 耐磨钢的分类材料的破坏有3种形式:即断裂、腐蚀和磨损。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1。近年来,针对设备磨损的具体工况和资源情况,研制出多种新型耐磨材料。主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列,高、中、低碳耐磨合金钢系列,铬系抗磨白口铸铁系列,锰系、硼系抗磨白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁,不同方法生产的双金属复合耐磨材料,表面技术处理的耐磨材料等2。1.1.1 高锰钢高锰钢指w(C)=

3、1.0%1.4%,w(Mn)=11%14%的钢 1。其主要特点是具有良好的韧性,能承受强烈的挤压和冲击,并在挤压和冲击过程中产生硬化而发挥出良好的抗磨损特性。与其它大多数耐磨材料的一个显著区别是,受力并产生塑性变形是高锰钢获得高硬度的前提,其塑变前的硬度很低,HB230,受到强烈冲击后表面硬度可高达HB500,即服役过程中的加工硬化是导致高锰钢耐磨损的最主要机制3。但在使用实践中发现,高锰钢的耐磨性是有条件的,只有在冲击大、应力高、磨料硬的情况下,高锰钢才耐磨。而且其屈服强度低、易于变形。因此,在许多领域已逐渐为其他耐磨材料所代替。高锰钢要扩大其应用范围,必须进行改进性研究,进一步提高其耐磨性

4、1。1 高锰钢的合金化及变质改性处理是目前提高这一传统材料的主要手段之一。高锰钢合金化研究的主要趋势是通过在传统成分的高锰钢加入Cr、Mo、V、Ti、稀土元素等合金元素并进行变质处理，从而获得在其奥氏体集体上弥散分布的碳化物颗粒以提高材料耐磨性。经过合金化处理后的高锰钢除了获得弥散的碳化物颗粒外，奥氏体基体点阵亦发生了较大畸变，磨损后的磨痕形态较传统高锰钢发生了明显变化。合金化处理使材料耐磨性明显提高的事实说明，合金化增强了基体的形变硬化能力和在基体中弥散嵌入硬质第二强化相都对耐磨性的提高做出了贡献。合金化的高锰钢可在较低的冲击载荷下产生加工硬化，从而使之耐磨性增加。1.1.2低、中合金耐磨钢

5、中低合金耐磨钢具有良好的耐磨性组织，能提供较高的硬度和足够的韧性。研究结果表明：(1) 板条马氏体在准解理断裂时有较小的断裂单元和较多的撕裂等而消耗断裂功，从而提高了韧性。（2）下贝氏体以不同位向的铁素体板条为最小断裂单元，其韧性较相同硬度的回火马氏体高。（3）残余奥氏体存在于马氏体或下贝氏体组织中，能使应力松驰，阻碍裂纹扩展，材料断裂时吸收能量增加，而使韧性改善。（4）细小弥散分布的碳化物对耐磨性有利。中低合金钢中淬硬态的组织有马氏体（板条状、片状）、贝氏体、残余奥氏体和碳化物，可以获得上述组织。这类钢的合金元素含量（质量分数）较低，一般低合金钢为3%15%，中合金钢为6%18%，而且所加合

6、金元素国内资源丰富，易于推广应用；足够韧性的综合性能，可在较大范围内控制硬度和韧性的匹配关系，在各类磨料磨损工况条件下均可获得较好的耐磨性，有广阔的应用前景和推广意义5。1.1.3超高锰钢近年来,人们已开始着手对具有稳定奥氏体组织的超高锰钢进行研究,主要是想在普通高锰钢标准成分的基础上通过提高碳、锰含量来达到改善锰钢组织,提高耐磨性的目的。研究人员通过对Fe-C-Mn合金奥氏体的价电子结构进行分析发现,在含C、Mn原子的一个奥氏体晶胞内,C-Mn之间的结合力大于C-Fe之间的结合力这样,锰原子可通过对碳原子运动的拖曳提高碳的固溶度,而且利用锰不易和碳原子生成碳化物,来降低碳原子的扩散能力,抑制

7、碳化物的析出。因此,同时提高碳、锰含量,不但可以提高锰钢的加工硬化能力,而且可保持高韧性的奥氏体组织,使其在使用时具有良好的耐磨性。当前,变质处理技术在开发新的超高锰钢钢种的试验中,已经取得了很大进展。科研人员在对超高锰钢变质处理前后的组织进行研究发现,在未变质处理的组织中,晶粒较粗大,晶界共晶碳化物的网状特征非常明显;在变质处理的组织中,晶粒明显细化,晶界碳化物的网状特征得到明显改善。这些成果的研发为改善超高锰钢组织并提高其耐磨性提供了新的途径6。1.2高强度耐磨钢的研究高强度耐磨钢通常所含的化学元素有Si、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Ti、B、Cu、Re等。该类钢具有高硬度、高耐磨性、良好

8、的塑韧性以及较优良的焊接性等特点,强度一般大于1 000MPa,是目前碳钢板材供货状态下强度最高的产品之一7。1.2.1国内外研究现状国外高强度耐磨材料的生产和应用经过了多年研究与发展的高峰期,现已趋于稳定,并有自己的系列产品和国家标准、企业标准6。当前国外生产高强度耐磨钢板的著名厂家和产品有:瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列;德国迪林根的400 V和500 V;德国蒂森克虏伯(TKS)的XAR400、XAR450、XAR500;日本JFE的EH360、EH400和EH500等7。瑞典钢铁奥克隆德有限公司,是SSAB瑞典钢铁集团的成员之一,拥有全球领先的淬火和回火高端技术,可以生产厚度为31

9、55 mm、宽度达3 500 mm的钢板。瑞钢奥隆拥有世界最先进的四辊轧钢机,轧机等级为1×105kN。同时拥有世界最先进的高自动化淬火线,可以进行热处理、矫平、涂层、搬运等工序。其生产的钢板沿厚度方向性能的均一性得益于轧钢时钢坯厚度的大量降低,晶粒大小控制得益于轧钢时对钢坯厚度和温度的精准控制。HARDOX悍达耐磨钢板按硬度等级分为:HARDOX悍达400、450、500、550、600和HiTuf。HARDOX悍达400和450是多用途的耐磨板,由于其高韧性、良好的弯曲和焊接性能,在一些应用中也可用作承载用途。2007年,德国BAUMA2007展览会上,瑞钢奥隆展示了其目前世界上

10、最硬的淬火和回火钢板HARDOX悍达Extreme耐磨钢板,其硬度达到700HB。德国蒂森克虏伯钢铁公司(简称TKS),从20世纪60年代中期开始生产的具有高耐磨性能的特殊结构钢板,经淬火或淬火加回火热处理,具有致密的马氏体或马氏体-贝氏体显微结构。生产的钢板厚度最大可达100 mm。除传统的XAR 400、450、500级别外,TKS还成功地开发了三种新级别用于中低磨损环境的XAR 300正火钢、更高温度使用的XAR 400W和满足更高磨损要求的超硬级XAR 600。这样,可供选择的钢板硬度覆盖范围可达300600HB,几乎对任何使用环境均都提供适当的解决方案。所有级别中,最常用的是XAR

11、400,硬度值为400HB,其使用寿命可达传统结构钢板的5倍左右。XAR钢具有细晶粒显微组织。钢中通过加A,l有时加Ti或Nb,吸收氮形成氮化物。XAR450还可含有不超过0. 30%的Cu,而XAR 500/600允许有1. 5%以下的Ni。德国迪林根DILLIDUR系列耐磨钢板根据其生产工艺和硬度值不同分为数个级别,分别满足不同的使用要求。其中, DILLIDUR 400V、500V两个级别的综合性能更为突出。达400HB,在高磨损环境中得到了成功的应用,同时它还具有优良的可加工性能,尤其焊接性能。DILLIDUR 400V可应用于装载机、挖掘机、自卸车、传送设备、卡车、刀口和破断刀具、废

12、物清理和回收设备等等。供货尺寸可达6150 mm。DILLIDUR 500V耐磨钢出厂交货平均硬度达500HB。可供厚度为8100 mm。日本JFE钢铁公司从上世纪50年代中期开始生产和销售JFE EVERHARD系列耐磨钢板共有11个级别可供选用:标准系列5个,合金系列3个,超耐磨级1个,高韧性360级1个,以及高韧性500级1个。JFE已成功开发出EH360LE和EH500LE,可保证在-40下的韧性8。目前为止,我国耐磨钢产品强度级别、性能与国外产品相比都还有不小差距9。国内能生产高强度耐磨钢的厂家主要有舞钢、武钢、宝钢、南钢等,主要品种为NM360400,年消耗在3060万,t通常使用

13、厚度为680(100) mm。一些厂家产品已达到或超过国际水平,并出口到东南亚、日本、南非、美国、澳大利亚等地9。总之，耐磨材料的生产和应用已趋于稳定,但对基础理论和应用的科学研究仍在继续,还有更多的新型耐磨金属材料需要去探求6。表1-1是国内外典型耐磨钢的成分体系。 表1-1 国内外典型耐磨钢的成分体系牌号化学成分（质量分数，% ）不大于CSiMnCrMoNiBtTiPSVNbHARDOX4000.180.701.61.00.250.250.004/0.0250.01/HARDOX5000.290.701.61.00.61.000.004/0.0250.01/HARDOX6000.480.7

14、01.61.20.80.25/DILLIDUR400V0.200.501.8/0.0250.01/DILLIDUR500V0.300.501.61.50.51.000.005/0.0250.010.080.05XAR4000.200.801.51.00.5/0.005/0.0250.01/XAR5000.280.801.51.00.5/0.005/0.0250.01/JFE-EH360A0.200.551.61.20.5/0.0040.020.030.030.10/JFE-EH500A0.350.551.61.20.5/0.0040.020.030.030.10/NM4000.300.701.

15、61.00.500.700.005/0.0060.050.0250.01/NM5000.380.701.71.20.651.000.005/0.0060.050.0200.01/NM6000.450.701.91.50.801.000.005/0.0060.050.0200.01/1.2.2高强度耐磨钢研发动态目前,国内高强度耐磨钢的开发和应用已取得了可喜发展。一些钢铁企业已研制出相当数量的耐磨钢品种,并逐步系列化。但我国尚未形成通用化、系列化的高强度耐磨钢标准,强度体系还很不完善。国内高强度耐磨钢产品与国外先进水平存在着一定的差距,要走的路还很长。今后高强度耐磨钢的发展方向仍是在系列化和经济

16、性两个方面。(1)系列化一方面通过改进生产工艺、调整成分,进一步提高现有钢种的性能,扩大其应用范围;另一方面开发更高强度级别耐磨钢,建立从低碳到高碳、适用于不同工况条件的低合金耐磨钢系列,最终形成一个较为完整的通用化、系列化的标准体系。但就目前国内高强度耐磨板的生产技术及市场现状而言,要加快HB 500级别以上高强度耐磨板的开发进程,还有待于国内使用材料及零件强度的整体提升。(2)经济性从资源能源、节约成本、技术等角度出发,发展低合金高强度耐磨钢是必然趋势。只有在保证耐磨钢的力学性能和使用性能的同时,兼顾其经济性,才能被用户批量使用7。纵观国内外，可看出研发动态主要有：对于多元合金高强耐磨钢，

17、其基体强韧化机制有待深入、系统的研究。研发新型、低成本、高性能的耐磨钢。1.3淬火-分配（Q-P）工艺1.3.1 Q-P工艺概述马氏体钢的传统热处理工艺为淬火和回火。淬火形成强度较高的马氏体,回火则消除应力,自马氏体内析出碳化物以及残余奥氏体分解。美国柯州矿校Speer10 13 等将中碳高硅钢(0.35C-1.3Mn-0.74Si)进行淬火后,再在Ms-Mf间一定温度等温,使碳由马氏体分配至残余奥氏体,以稳定残余奥氏体,提高钢的塑性和韧性,并提出其热力学分析和动力学预测,称为马氏体型钢热处理的新工艺“Q-P”工艺。即钢先经淬火至Ms-Mf间一定的温度,形成一定数量的马氏体和残余奥氏体,再在M

18、s-Mf间或在Ms以上一定的温度停留,使碳由马氏体向奥氏体分配,形成富碳残余奥氏体。含Si 、Al钢的淬火-分配工艺如图114所示,其中, Ci、C和Cm分别表示原始合金、奥氏体和马氏体的碳含量,QT和PT分别表示淬火温度和碳分配温度。Mn-Si TRIP钢经奥氏体化后先在(+)两相区保温,形成一定数量的铁素体和奥氏体(后经贝氏体相变),Q-P处理也可在(+)两相区处理后进行,为在名称上将两者加以区分,称前者(图1)为均匀奥氏体的Q-P处理,后者称为(+)的Q-P处理, QT=PT的称为一步(1-step)处理,QTPT的(一般PT > QT)为两步(2-step)处理15。图1-1均匀

19、奥氏体经淬火-分配(Q-P)处理示意图(Ci、C和Cm分别表示原始合金、奥氏体和马氏体内的碳含量,QT和PT分别表示淬火温度和碳分配温度) 1.3.2 Q-P工艺中各合金元素的作用Speer等提出的Q-P热处理钢的成分中主要有C、Mn、Si（Al）元素。各元素及其作用如下：(1)C：C是马氏体基体最有效的强化元素之一，它固溶于奥氏体中，扩大区，极大的提高奥氏体稳定性，使铁素体和贝氏体转变的C曲线右移，推迟铁素体和贝氏体转变温度，并且降低Ms温度。含碳量太低会使残余奥氏体的稳定性降低，但含碳量过高会使马氏体中出现的孪晶，降低钢塑性、韧性和焊接性。在Q-P钢中，碳含量一般在0.190.6 wt%。

20、(2)Mn：添加Mn可降低马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量，同时Mn对钢板的韧性影响不大，当钢中含有1.52.5的Mn时，还可以有效地提高残余奥氏体分解的抗力，故Q-P钢中的Mn含量一般为0.52.0。(3)Si：Si为非碳化物形成元素，在碳化物中的溶解度极低，在Q-P钢等温过程中，能够强烈抑制Fe3C的形成，使未转变的奥氏体富碳，从而大大提高奥氏体的稳定性，使其能够在室温下保留下来。另外，Si还能显著强化铁素体。但较24高的Si含量会恶化钢的热轧性能和表面镀覆性能，产生较多的表面缺陷等。因此，Q-P钢的Si含量不宜大于2。图1-2 Si对碳化物形成动力学的影响示意图。图1-2 Si对

21、碳化物形成动力学影响示意图(4)Al：Al16和Si一样，也是非碳化物形成元素，能够强烈抑制Fe3C的形成，使未转变的奥氏体富碳。虽然Al的固溶强化效果弱于Si，但是在Q-P钢中，可以添加Al元素以降低硅的副作用。另外，Speer等提出的Q-P钢中不含任何微合金化元素（如V、Nb、Ti等）。因为这些微合金化元素可以和碳元素结合形成碳化物，从而消耗碳元素并阻碍碳从马氏体分配到奥氏体，这不利于增加残余奥氏体中的碳含量从而达到稳定残余奥氏体的目的，所以Speer及其合作者在钢中都没有采用微合金化元素。徐祖耀院士在Q-P工艺的基础上对其进行改造，加入了合金元素的析出强化作用，提出Q-P-T工艺，即淬火

22、-分配-回火(沉淀)工艺。 1.3.3 Q-P钢的组织及力学性能特点Q-P工艺用来生产的是一种具有TRIP效应的、高强度和高塑（韧）性的马氏体钢，其室温组织是贫碳的板条马氏体和富碳残留奥氏体，马氏体组织保证了钢的强度，残留奥氏体由于在形变过程中发生相变诱发塑性而提高了钢的塑性，钢的强度最高可以达到1400 MPa，而对应塑性仍有15%，其优越的性能主要来自于钢中马氏体和奥氏体双相组织的合理配比。高强度来自于马氏体和合金元素固溶强化的贡献，而高塑性则取决于马氏体中的碳含量和残余奥氏体的含量及其分布。因此Q-P钢具有较高的屈服强度和抗拉强度，高的应变硬化率和相对较高的高延伸率等特点。许多实验表明1

23、7 20钢经Q-P处理后能够获得较好的强塑性结合，显示Q-P处理的优越性在于马氏体提供强化，和残余奥氏体提供韧化。经Q-P处理后,钢的强韧性比TRIP钢、双相钢(DP)和一般淬火后的马氏体型(M)钢优越,如图1-3所示。图1-3TRIP钢、双相钢（DP）、马氏体型（M）钢和Q-P钢板的总断后伸长率及其抗拉强度的对比1.4淬火-分配-回火（Q-P-T）工艺1.4.1 Q-P-T工艺概述Speer等提出的淬火-碳分配（Q-P）工艺是一种新型马氏体钢热处理工艺，Q-P工艺强调了碳从马氏体相分配至奥氏体相这一过程。为了使残余奥氏体能够富集尽可能多的碳以稳定至室温，Speer等提出Q-P钢的成分中不包含

24、任何碳化物形成元素，如Nb，V，Ti等。这意味着Q-P钢的强化机制中排除了碳化物的沉淀强化作用，并没有充分挖掘钢的强度潜力。徐祖耀院士在Q-P工艺的基础上对其进行改造，加入了合金元素的析出强化作用，提出Q-P-T工艺，即淬火-分配-回火(沉淀)工艺，即淬火至MsMf后,除作碳分配外,还在一定温度回火一定时间,使析出复杂碳化物,以增加强化作用。图1-4淬火-碳分配-回火(沉淀)(Q-P-T)工艺示意图(AT、QT、PT、TT和RT为奥氏体化温度,淬火温度,分配温度,回火(沉淀)温度和室温)(a)PT=TT>QT(b)TT>PT>QT(c)PT>TT>QT徐祖耀对Q-

25、P-T热处理原理简述为21：较低温度奥氏体化，淬火至一定温度（QT）以获得适量的马氏体；淬火温度（QT）或马氏体量为决定钢最终强度的主要因素之一。条状马氏体形成时，碳可能由马氏体扩散（分配）至邻近奥氏体；在淬火温度，也可能自马氏体沉淀出()过渡碳化物。为使更多残余奥氏体富碳，并稳定至室温，常用较高（Ms以上）温度停留、进行碳分配。复杂碳化物的沉淀可在分配温度（PT）下进行，也可在PT较高或略低温度下（TT）进行；最后水淬至室温（RT）。图1-4为淬火-分配-回火（Q-P-T）工艺示意图。1.4.2 Q-P-T钢的显微组织、成分和热处理设计成分设计原则能产生晶粒细化和稳定的碳化物的碳化物形成元素

26、如Nb、Mo和V等被加入Q-P-T钢中。添加较高Si或/和Al，以防止渗碳体的生成。适当提高Q-P-T钢中的碳含量，以补偿因马氏体中的碳化物沉淀而导致的碳消耗。限制分配温度和时间，以满足马氏体中碳化物弥散沉淀的需求，换句话说，其回火过程包含分配。热处理设计原则QT温度介于Ms和Mf之间。限制分配温度和时间，以满足马氏体中碳化物弥散沉淀需求，同时防止较多量贝氏体形成。TT=PT、TT>PT，或TT<PT。 QT、PT、 TT及分配和沉淀时间，决定了马氏体量、Ar量及其碳含量，从而决定钢的强度、断后伸长率和韧性。2课题研究背景中、低合金耐磨钢作为不需要添加高含量合金元素、具有高耐磨性能

27、和高性价比的特殊钢，广泛用于车辆、船舶、矿山设备、工程机械及水泥设备等方面，具有相当大的市场需求。低成本、高性能的新型高强度耐磨钢研发是当前耐磨钢研究领域的研究热点。Q-P工艺是由Speer提出的一种生产高强度钢的一种新型工艺，徐祖耀针对Q-P工艺的不足，提出了Q-P-T工艺，而进一步发展了Q-P工艺。根据工艺原理和国内外的相关研究结果，将该工艺应用于超高强度耐磨钢的研发在理论上具有可行性。Q-P(-T)工艺原理可简单的表述为：钢经淬火至一定温度后在设计温度进行碳分配，以促进钢中能有足够的残余奥氏体，并使其稳定化，从而能在室温也能全部或大部分存在，同时，钢中添加较高的Si（Al）以阻止渗碳体的

28、析出。目前关于Q-P(-T)钢的研究主要集中于较高Si%，而鲜见较高Al%（Si）Q-P(-T)钢的研究报道。由于较高Si含量的钢热轧氧化严重，从而影响轧制性能和表面质量，另方面会导致较高的烧损率而降低成材率，因此进行以Al替Si研发高强度钢即具有很大的工程意义和现实意义22 23。3研究方法、内容及预期目的3.1课题研究内容1)观测试验钢正火态组织；实验测定和计算绘制试验钢的静态CCT曲线，并进行对比分析研究。 2)研究分析淬火温度对试验钢显微组织与性能（如硬度）等的影响规律。 3)对比观测研究试验钢经不同类型热处理（如传统淬火-回火处理和Q-P-T处理）后的显微组织，分析研究组织与性能的对

29、应关系，提出热处理工艺的制定或优化建议。3.2研究预期目的1)掌握钢CCT曲线实验测绘与计算的基本技能，获得试验钢的CCT曲线。 2)掌握OM和SEM观察试验钢的显微组织、结合EDS分析确定物相的基本技能。 3)通过实验，了解试验钢显微组织与不同热处理工艺之间的对应关系。 4)初步掌握成分设计与工艺设计优化的知识与能力。4 进度安排 3.20前：查阅文献，进行实验的初期工作，完成开题报告；    3.20-5.20: 进行实验研究与计算分析工作； 4.30前：完成中期报告；      

30、          5.20-6.10：完成毕业论文撰写与答辩。  参 考 文 献2 仝健民. 耐磨钢研究进展.水利电力机械.2003,4:29-303 李茂林. 我国金属耐磨材料的发展和应用. 铸造.2002,9:5254 何 力伍玉娇唐 军刘克家张晓燕 陈小灵傅 建. 高锰奥氏体钢抗磨损机理及应用环境. 贵 州 工 业 大 学 学 报.1998,10:45-465 黄晓元，王希靖，王丽.化学成分对改性高锰钢力学性能的影响J.热加工工艺2007,36（13）16-186 王金参、赵剑

31、波、孙平. 耐磨材料的研究现状.金属加工.2010,7:687 邱常明,张贵杰,王彦凤. 耐磨金属材料的最新研究进展. 甘肃冶金.2007,4:2-38 张宇斌,秦洁. 高强度耐磨钢板的生产现状及发展. 世界钢铁.2009.6:23-249 罗丽军. 国外高强度耐磨钢生产概述. 宽厚板.2008,6:4610 刘军刚,冯璟,蔡晓娟,韩笑. 耐磨钢生产现状与分析.莱钢科技.2010.4:2-311 Speer,J.G.;Streicher,A.M.;Matlock,D.K.,et al.In Quenching and partitioning:A fundamentally new proce

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