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user: 3. 结果与讨论 3.1. 热处理对耐磨性能的影响 磨粒磨损实验结果如表2。 Table 2 Experimental results of abrasive wea 编号 热处理工艺 磨损率(%) 1 800℃ 2 h 水冷 + 200℃ 2 h 水冷 0.89% 2 800℃ 2 h 水冷 + 200℃ 2 h 水冷 0.94% 3 800℃ 2 h 水冷 + 600℃ 2 h 水冷 1.10% 4 850℃ 2 h 水冷 + 200℃ 2 h 水冷 0.98% 5 850℃ 2 h 水冷 + 400℃ 2 h 水冷 1.08% 6 850℃ 2 h 水冷 + 600℃ 2 h 水冷 1.45% 7 900℃ 2 h 水冷 + 200℃ 2 h 水冷 1.05% 8 900℃ 2 h 水冷 + 400℃ 2 h 水冷 1.09% 9 900℃ 2 h 水冷 + 600℃ 2 h 水冷 1.41% 表2. 磨粒磨损实验结果 Bansal等人的研究表面，淬火后铸铁中残余奥氏体的存在大幅度增加了材料的冷作硬化性能和冲击韧性，从而提高了材料耐磨性能，但是磨损表面粗糙 [ 16 ]。可以观察到，和铸态试样相比，经过热处理后的试样整体磨损率增加，耐磨性减弱。在相同的淬火温度下，随着回火温度的增加，由于残余奥氏体逐渐分解，碳化物逐渐减少，试样磨损率逐渐增大，耐磨性减弱。在二体式磨粒磨损中，磨粒的切削收到周围磨粒的限制，基体对碳化物起到保护作用，当磨粒硬度较大时，切削宽度收到碳化物的限制，若碳化物数量增加，则它们的间距就会减少，磨粒侵入基体深度减小，即碳化物对基体起到保护作用 [ 17 ]。而当碳化物减少，即使得基体失去保护，耐磨性减弱。 而在相同的回火温度下，随着淬火温度的增加，试样的磨损率逐渐增大，耐磨性能逐渐减小。当850℃淬火600℃回火时，试样耐磨性能最差。这是由于，淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，而马氏体的形成降低了起始与结束温度，且微观结构中残余奥氏体的数量引起体积膨胀，此时在高应力磨损下，马氏体组织的磨损性能是奥氏体组织的2~3倍 [ 3 ]。 3.2. 磨损表面形态分析 图2(a)~(i)对应第一组到第九组不同热处理试样的磨粒磨损表面。结合磨损试样表面形貌图于热处理工艺和磨损率表，可以观察到热处理后的磨损试样表面犁沟都较为明显且分明，整体来看热处理后的磨损试样表面分布着不同数量和程度的裂纹，尤其是在高温淬火时，试样磨损表面出现较多由磨料引起的凹凿坑、剥落以及裂纹，犁沟不连续，整体较为破碎。 在高温回火的条件下，试样磨损表面变形严重，出现了不同程度的剥落、凹坑、孔洞以及裂纹。由图2(c)、图2(f)、图2(i)可以观察到由磨料引起的凿削坑、碳化物脱落后留下的凹坑，以及由于疲劳变形产生的鱼鳞状磨屑，周围犁沟较深，但同时犁沟两侧卷曲较少，即试样塑性较差，试样的耐磨性较差。图2(f)为850℃淬火高温回火处理后的磨损试样，试样表面在磨料的作用下产生了更严重的磨屑堆积和塑性变形，犁沟中断，并且分布着大量的裂纹和碳化物脱落留下的凹坑以及孔洞。图2(i)为900℃淬火高温回火处理的磨损试样，犁沟整体破碎不连贯，有较多碳化物脱落留下的凹坑以及磨损产生的裂纹，但由磨料产生的磨屑堆积较少，和第3组、第6组试样相比，耐磨性较好。结合磨损实验数据和图像可以看出，在高温回火的条件下，试样耐磨性较差，并且850℃淬火600℃回火的试样磨损性能最差。 因此在高温回火的条件下，试样整体耐磨性能较差，随着淬火温度的增加，试样的表面磨损变形逐渐严重，耐磨性逐渐变差。 由图2(a)、图2(d)、图2(g)在低温回火的条件下，磨损试样犁沟较为平整且连贯，相比高温回火的条件下的磨损试样，其犁沟较浅，耐磨性能整体较好。从图中可以看出，磨痕的主要形式是犁沟，并伴随着一定量的裂纹、卷曲和凹坑，犁沟两侧存在着由于塑性变形产生的卷曲。并且在低温回火的条件下，随着淬火温度的升高，试样磨损表面由于磨损出现了明显的裂纹和剥落，试样塑性逐渐变差，同时犁沟逐渐变得明显且深，两侧卷曲和剥落严重，最后在900℃淬火时出现了较大形变和大量凹坑、空洞，耐磨性逐渐下降。 对于不同淬火温度分组下，可以观察到相同淬火温度的条件下，当回火温度增加时，试样磨损表面变形逐渐严重，出现了大量卷曲和剥落，以及凹凿坑。尤其是在900℃时，如图2(g)~(i)，回火温度变化对试样磨损性能影响严重，当高温回火时，犁沟不连贯，表面破碎，磨损性能差。 图2. 不同热处理条件摩擦磨损形貌 3.3. 磨损机制分析 磨粒磨损可分为切削磨损和形变磨损两个方面 [ 18 ]。其中，切削磨损是试样材料表面和磨料相互摩擦运动时，磨料对试样材料进行切削和冲刷而形成的；形变磨损是由于磨料在垂直的作用力下，挤入试样内部从而引起试样材料形变。在实际的磨损实验中，两种磨损形式同时存在，但由于具体实验条件和工况的不同，更应偏向以两者中的某一种形式为主导。 同时对于形变磨损，根据所受应力的大小不同，又可以分为凿削式磨损、高应力碾碎性磨粒磨损以及低应力擦伤性磨粒磨损。当磨料与试样表面的最大压应力超过磨料的破坏强度时，则产生高应力碾碎性磨粒磨损，从而导致脆性金属碎裂剥落，韧性金属产生形变和疲劳；反之，最大应力低于破坏强度时，产生低应力擦伤性磨粒磨损。本实验中，磨粒磨损实验采用ML-100型试验机，磨损形式以形变磨损为主，并且属于高应力碾碎性磨损。通过对试样磨损表面SEM可以观察到试样在不同热处理下，摩擦表面有着不同深度的明显犁皱形成的沟槽和塑性变形，同时表面有着不同程度的剥落和破碎，磨损破坏方式表现为犁沟切削。犁沟切削属于微观切削磨损，即法向载荷将磨料压入磨损表面后，在切向摩擦力作用下使材料表面产生切削，同时可能使得表面出现疲劳开裂区，即在接触力的作用下磨料压入磨损表面后，材料局部因疲劳而产生的磨损剥落破坏 [ 7 ]。 在ERabinnowicz [ 19 ] 的磨粒磨损模型中，如图3所示，硬材料的凸出部分或磨料被施加的压力F压入软材料中，该压力与凸出部分在水平面的投影面积之比(假设为圆形)达到软材料的压缩屈服强度时，此时压入会停止。 图3. 磨粒磨损简化切削模型 可以用公式(1)来表示。 F = ( 3 R e L c ) π r 2 (1) 若凸出部分与软材料表面的夹角为θ，当摩擦滑动一段较长的距离l时，软材料被切割或冲刷下来的体积为V。 V = F l tan θ 3 π R e L c (2) V = K F l tan θ H (3) 其中K为系数。即磨粒磨损量收到压力、摩擦距离以及材料的硬度影响，与材料硬度成反比，还与磨粒的形状有关。在实际的实验中，并不是所有磨粒都切削产生磨屑，而是大部分磨屑嵌入材料材料表面，产生塑性变形，使之堆积在犁沟两侧。在本实验中，大部分表现为犁沟两侧卷翘堆积，并且由于磨损性能的不同，堆积卷曲的程度不同并伴随着一定的剥落。 ERabinnowicz的磨粒磨损模型表明，硬度对耐磨性能有着重要的影响。由于试样硬度和试样化学成分与显微组织有关，因此耐磨性还取决于材料的显微组织。 淬火后试样得到马氏体和贝氏体等，并且随着淬火温度增加，试样的硬度提高，但过高的淬火温度容易使得奥氏体晶粒粗大，造成硬度略有降低。由于奥氏体和20%残余奥氏体的下贝氏体有较高的应变硬化能力和延展性，奥氏体、贝氏体组织的耐磨性优于同等硬度的铁素体、珠光体和马氏体 [ 3 ]。由于马氏体有很高的强度、硬度，而残余奥氏体具有良好的塑性，能承受一定程度的塑性变形，可阻止碳化物在磨粒磨损时剥落，因此能够提高试样的耐磨性能 [ 20 ]。当试样淬火后回火使得奥氏体分解，并且随着回火温度的提高，试样的碳化物减少，试样硬度降低，且同时影响试样的耐磨性能，使得试样耐磨性降低。