熔体原位合成TiC颗粒弥散强化奥氏体中锰钢的组织与性能研究

摘要

近十年来发展起来的熔体原位合成工艺是制备强化钢的一种重要方法，熔体原位合成强化钢具有制备工艺简单、成本低、易于实现工业化生产和实际应用等优势。本文以含锰9％的中锰钢为母合金，在中频炉中通过原位合成工艺制备了TiC颗粒弥散强化钢，并利用OM、SEM、XRD等多种现代分析手段，研究了强化钢的显微组织和TiC颗粒的形貌和分布，并测试了强化钢的常规力学性能和耐磨损性能。
　　 对强化钢的显微组织的研究表明，中锰钢母合金在铸态下的组织由奥氏体基体和M3C型碳化物组成，经水韧处理后中锰钢的组织变为单一的奥氏体组织。TiC颗粒的加入未明显改变中锰钢的基体相组成，TiC颗粒呈不规则块状形貌，颗粒尺寸在微米级。TiC体积分数较低时，颗粒在钢中均匀分布，与基体结合良好。然而TiC百分数达到6wt％时，出现了轻微的TiC颗粒团聚。
　　 对强化钢的力学性能测试结果表明，TiC颗粒的引入提高了中锰钢的硬度和强度，但韧性和塑性下降。
　　 对强化钢在油润滑和水润滑条件下的静载荷磨损性能测试结果表明，中锰钢中引入TiC后，耐磨性有了很大提高，且耐磨性随着TiC含量的增加而提高。从变化趋势来看，磨损量的增加值随磨损时间的增加而逐渐变缓。对于相同TiC含量的强化钢，耐磨性随载荷增大而降低。
　　 对强化钢的动载荷磨损性能测试结果表明，在冲击载荷为（1～2）J/cm2的冲击磨料磨损条件下，引入TiC颗粒后的强化钢耐磨性较母合金有较大提高。其中TiC含量为（2～4）％时，强化钢的耐磨性最好，但继续增加TiC含量（Alloy4），耐磨性反而渐渐下降。在相同磨损时间时下，随着冲击载荷增加，材料的耐磨损性能显著下降。冲击载荷为2J/c㎡时，试样的磨损量远远高于1J/cm2载荷下的磨损量。
　　 经冲击磨损后的强化钢发生了马氏体相变。经过相同条件的冲击磨损试验后，母合金和强化钢的硬度值在同一水平上。冲击载荷越大，硬度越大；冲击时间延长，硬度增大。从承冲表面往内部延伸，硬度逐渐下降；从承冲中心到边缘，硬度也逐渐下降。
　　 本文的研究结果说明，运用原位合成TiC强化技术，对提高中锰钢的耐磨损性能有显著的效果，在应用上有进一步拓展的前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 高锰钢的发展及应用

1.1.1 高锰钢的发展历史及研究现状

1.1.2 高锰钢的加工硬化机制

1.1.3 高锰钢在应用中存在的问题

1.2 中锰钢的发展和应用

1.2.1 中锰钢的发展

1.2.2 中锰钢应用中存在的问题及改进措施

1.3 熔体原位合成TiC颗粒弥散强化钢

1.3.1 增强体颗粒的选择

1.3.2 熔体原位合成TiC颗粒弥散强化钢的研究进展

1.4 本课题的研究意义及论文的主要内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 主要内容

参考文献

第二章 实验研究方法

2.1 工艺路线

2.2 强化中锰钢的成分设计与制备

2.2.1 强化中锰钢的化学成分设计

2.2.2 强化钢的熔炼及铸造

2.2.3 热处理工艺

2.3 力学性能测试

2.3.1 室温拉伸试验

2.3.2 冲击实验

2.3.3 硬度测试

2.4 耐磨性能测试

2.4.1 静载荷磨损

2.4.2 动载荷磨损

2.5 微观分析

2.5.1 光学金相分析

2.5.2 扫描电镜分析(SEM)

2.5.3 X射线衍射分析(XRD)

参考文献

第三章 TiC弥散强化中锰钢的组织与性能

3.1 成分设计

3.2 显微组织

3.2.1 TiC的形貌及分布

3.2.2 颗粒相的鉴别

3.2.3 显微组织

3.3 力学性能

3.3.1 硬度测试

3.3.2 冲击韧性测试

3.3.3 室温拉伸性能测试

3.4 讨论

3.4.1 显微组织

3.4.2 力学性能

3.5 本章小结

参考文献

第四章 TiC弥散强化中锰钢磨损性能和机理的研究

4.1 磨损试验方案

4.2 静载荷磨损试验结果与分析

4.2.1 油润滑条件下的静载荷磨损

4.2.2 水润滑条件下的静载荷磨损

4.3 冲击载荷磨粒磨损试验结果

4.3.1 冲击磨粒磨损试验原理

4.3.2 冲击磨粒磨损试验结果

4.3.3 冲击磨损后的表面硬度

4.3.4 冲击磨损后的表面形貌

4.4 强化中锰钢磨损行为的讨论

4.4.1 静载荷下的磨损

4.4.2 冲击载荷磨损性能分析

4.5 本章小结

参考文献

第五章 主要结论

致谢

作者在学期间发表的论文和取得的学术成果