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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-1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课题研究背景
2、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)=1
3、.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1
4、。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、中合金耐磨钢中
5、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%，而且所加合金
6、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,抑制碳
7、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、良好的
8、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315
9、5 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1105kN。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最硬的淬火和回
10、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 400,硬度值
11、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、废物清理和回收设
12、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通常使用厚度为680(
13、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/HARDOX6000.480.701.61.2
14、0.80.25/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/NM4000.300.701.61.00.50
