摘要：低合金耐磨钢是制造挖掘机、自卸车、推土机等设备零部件的主要材料之一,这些设备通常服役于矿山行业,常发生磨损失效,因此对材料耐磨性能要求极高。钢材的耐磨性能不仅与强度、硬度有关,还与塑韧性有关[1-4]。增加碳含量可以提高钢的强度与硬度,但同时也会恶化其韧性。通

低合金耐磨钢是制造挖掘机、自卸车、推土机等设备零部件的主要材料之一,这些设备通常服役于矿山行业,常发生磨损失效,因此对材料耐磨性能要求极高。钢材的耐磨性能不仅与强度、硬度有关,还与塑韧性有关[1-4]。增加碳含量可以提高钢的强度与硬度,但同时也会恶化其韧性。通过调整合金元素的种类与含量、优化轧制或热处理工艺参数来改变钢的微观结构,同步提高钢的强韧性,是目前常用的改善摩擦磨损性能的工艺[5-11]。KOSTRYZHEV等[12]研究发现：当马氏体耐磨钢中的钛碳质量比分别为0.314与0.905时,基体中会析出纳米尺寸的TiC,此时钢的强度、硬度与耐磨性能均较好；当钛碳质量比增加到1.641时,碳化物粗化,钢的强度、硬度降低。OJALA等[13]研究发现,添加硼、镍、钼元素后淬火耐磨钢的耐磨性能提高,未添加硼、钼元素时钢的淬硬性和耐磨性能较差。GHOSH等[14]采用直接淬火配分工艺制得了具有高强韧性的纳米尺寸板条马氏体-奥氏体结构钢。GHOSH等[15]还发现,高硅直接淬火配分钢具有较高的强度,屈服强度为1 025 MPa,抗拉强度达2 137 MPa,断后伸长率约为12%。在低合金耐磨钢生产加工过程中常用的热处理方法是在热轧后将其重新加热至奥氏体化温度后淬火、回火处理得到马氏体组织,该方法存在工艺流程长、能源消耗大、重新加热淬火过程易开裂等问题。采用热轧后直接在线淬火+回火工艺来调控马氏体组织,有利于控制钢的力学性能,同时也可以提高生产效率[16]。回火处理是提高钢力学性能的常见方法,淬火后进行回火处理可以增加钢的塑性,并且低温回火通常不会大幅度降低钢的硬度与强度[17]。NM450钢是矿山机械等领域使用较多的一种低合金耐磨钢[18-19],作者采用热轧后直接在线淬火+不同温度回火工艺对该钢进行热处理,研究了回火温度对其组织与性能的影响。研究成果可为低合金耐磨钢的工业化生产提供试验依据与理论支撑。

试验材料为中试工厂冶炼的NM450低合金钢,采用真空感应炉进行冶炼,在1 520 ℃浇注,铸坯厚度为150 mm,化学成分如表1所示。将铸坯加热至1 200 ℃保温2 h,经过7道次热轧,轧至厚度为5 mm,再进行在线淬火处理,淬火温度为900 ℃,最后在SX-10-13型箱式炉中进行回火处理,回火温度分别为200,250,300,350 ℃,保温时间为30 min,空冷。

表 1 试验钢的化学成分

Table 1. Chemical composition of test steel

在试验钢上切取尺寸为20 mm×30 mm×5 mm的金相试样,依次用180#,400#,600#,800#,1500#,2000#水磨砂纸机械打磨,抛光机抛光后,采用Nova 400 Nano SEM型扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织,用附带的能谱仪（EDS）进行析出相成分分析。通过研磨制取厚度为0.8 μm的试样,冲成直径为3 mm的圆片,用体积分数10%高氯酸乙酸溶液进行电解抛光后,采用JEM-F200型透射电子显微镜（TEM）观察微观形貌,低倍电压为30 kV,高倍电压为120 kV。

按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》,采用INTRON8801型拉伸试验机进行室温拉伸试验,板状拉伸试样总长度为120 mm,标距长度为52 mm,标距宽度为12.5 mm,拉伸速度为0.15 mm·min−1,测3个平行试样取平均值。采用HV-1000B型维氏硬度计测试硬度,载荷为150 N,保载时间为15 s,测3个点取平均值。采用ML-100型磨粒磨损试验机进行磨粒磨损试验,磨料为粒径1 μm的SiO2颗粒,试样尺寸为10 mm×10 mm×20 mm,采用往复式磨损方式,单次行程为150 mm,载荷为45 N,磨损时间为20 min。利用电子天平称取试验钢磨损前后的质量并计算磨损质量损失,测9个试样取平均值；采用SEM观察拉伸断口和磨损表面形貌。

由图1可见：淬火态试验钢的组织主要为板条马氏体+少量残余奥氏体+少量下贝氏体,未观察到珠光体的存在,这是由于试验钢中碳含量（质量分数,下同）为0.20%,低于0.25%,并且添加了能提高淬透性的硼、铬、钼等合金元素,钢的淬透性较高,珠光体转变推迟。不同温度回火后试验钢的组织均为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体。200 ℃低温回火后的回火马氏体形态仍为板条状,碳向位错区域偏聚,形成碳原子聚集区（GP区）；随着回火温度升高（300,350 ℃）,回火马氏体板条界面逐渐消失,马氏体中的碳以碳化物形式析出,碳化物数量增多,马氏体过饱和度降低,残余奥氏体转变为二次马氏体,残余奥氏体含量降低。

图 1 淬火态和不同温度回火态试验钢的SEM形貌

Figure 1. SEM morphology of quenched (a–b) and tempered (c–f) test steel at different tempering temperatures: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由图2可见：200 ℃回火后试验钢中的回火马氏体板条依然清晰,板条宽度为50~200 nm,马氏体板条间存在纳米尺寸的条状残余奥氏体,马氏体基体中存在高密度位错区域与低密度位错区域。在200 ℃回火时残余奥氏体未发生分解,并且由于回火温度较低,马氏体中过饱和碳向位错区域偏聚形成GP区。马氏体相变是在淬火过程中通过切变机制形成的,这一过程中马氏体基体内会形成高密度位错。当回火温度升高到250~300 ℃时,位错区域偏聚的碳含量增加,当其增加到一定程度后会析出与基体共格的过渡碳化物FexC；当回火温度继续升高到350 ℃时过渡碳化物FexC转变为Fe3C,马氏体过饱和度降低。在回火过程中位错运动,异号位错相遇而湮灭,导致位错密度降低。回火温度的升高会促进位错运动,从而降低位错密度。此外,回火温度升高也会促使亚稳相残余奥氏体向二次马氏体或下贝氏体组织转变。

图 2 不同温度回火后试验钢的TEM明场像和暗场像

Figure 2. TEM bright field images (a, c) and dark field images (b, d) of test steel tempered at different temperatures

由图3可见,350 ℃回火后试验钢基体中存在近似球形的析出相,尺寸约为100 nm,该析出相为以铌、钛、钼为主要成分的碳化物[20]。试验钢中的钼元素会与NbC、TiC相互作用形成（Nb,Ti,Mo）C碳化物,并能降低碳化物的粗化速率。（Nb,Ti,Mo）C碳化物尺寸较大,一般在热轧过程析出,直接淬火后保留在组织中,回火过程对其影响较小,因此其尺寸与数量不会随回火温度变化而变化[20]。

图 3 350 ℃回火后试验钢基体中析出相的TEM形貌和图(a)中方框区域的EDS谱

Figure 3. TEM morphology (a) and EDS spectrum of box area shown in Fig. (a) (b) of precipitation phase in test steel tempered at 350 ℃

由图4可见：随着回火温度的升高,试验钢的屈服强度、抗拉强度和硬度均下降,断后伸长率先下降后升高,当回火温度为300 ℃时最低；当回火温度从200 ℃升高到350 ℃时,试验钢的硬度从492 HV降到457 HV。

图 4 不同温度回火后试验钢的力学性能

Figure 4. Mechanical properties of test steel tempered at different temperatures

试验钢基体组织主要是马氏体,马氏体钢的强化机理主要有碳的过饱和固溶强化、位错强化、晶界强化与析出强化。当回火温度为200 ℃时,回火马氏体板条的宽度在50~200 nm,其板条界面能够阻碍塑性变形过程中的位错运动,从而提高强度；板条马氏体基体中仍存在高密度位错,起到位错强化作用；马氏体过饱和度仍较高,较高浓度碳原子的存在起到较强固溶强化作用；基体中纳米尺寸的NbC、TiC起到析出强化作用[20]。因此,200 ℃回火后试验钢的强度和硬度仍很高。此外,由于200 ℃回火后试验钢基体中存在位错区域,位错运动可以缓和局部应力集中,延缓裂纹形核并消减已有裂纹尖端的应力峰,有利于材料的塑性,因此其塑性也较好。随着回火温度升高,位错运动增强,异号位错相遇而湮灭,试验钢的位错密度降低,位错强化作用减弱；过饱和马氏体中碳析出形成渗碳体,碳的固溶强化作用降低。因此,试验钢强度与硬度随回火温度升高而下降。当回火温度升至300 ℃时,试验钢基体中的残余奥氏体转变为二次马氏体或下贝氏体,二次马氏体的存在对钢的塑性不利；当回火温度升至350 ℃时,基体中的位错密度继续降低,过饱和碳析出,钢的塑性提高。

由图5可见,不同温度回火试验钢的拉伸断口中均存在大量韧窝,呈韧性断裂特征,韧窝大小不一。200 ℃回火后拉伸断口中主要存在小韧窝；当回火温度升至300 ℃时,小韧窝数量减少,大韧窝数量增加,并且断口中出现了撕裂棱；当回火温度升至350 ℃时,由于马氏体发生回复,位错密度降低,塑性变形能力增强,大韧窝数量增加。韧窝的形成与试验钢塑性变形过程的位错运动有关：在拉伸变形过程中,位错运动遇到析出相时会发生位错塞积,造成应力集中,当应力超过界面强度时会产生微孔,微孔聚集形成韧窝。

由图6可知,随着回火温度的升高,试验钢的磨损质量损失增大,说明其耐磨性能降低。由图7可见：当回火温度分别为200,250 ℃时,试验钢磨损表面均出现大量犁沟,说明在外加应力作用下,试验钢表面与磨料相互作用,发生了明显的塑性变形；当回火温度升高至300,350 ℃时,磨损表面除了存在大量犁沟,还出现大量磨屑与疲劳裂纹,说明试验钢的磨损机理包括塑性变形与疲劳磨损等。

图 6 不同温度回火后试验钢的磨损质量损失

Figure 6. Wear mass loss of test steel tempered at different temperatures

图 7 不同温度回火试验钢磨损表面的SEM形貌

Figure 7. SEM morphology of wear surface of tempered test stee at different temperatures

较低温度回火后试验钢的塑性较好,在低应力磨料磨损环境下,当磨粒与材料表面夹角较小时,外加应力会促使磨粒向前移动,使材料表面发生塑性变形,形成犁沟,犁沟两侧形成犁皱；在随后的往复磨损应力作用下,犁皱被碾平,甚至在材料表面和亚表面出现裂纹源,最终产生疲劳剥落形成磨屑：此时的磨损机制主要是塑性变形[21-23]。较高温度回火后,试验钢基体中残余奥氏体发生马氏体相变,新形成的马氏体具有较高的内应力,因此试验钢在往复磨损应力作用下产生疲劳开裂,发生局部剥落形成少量磨屑,其磨损机理主要为塑性变形和疲劳磨损。

（1）淬火态NM450低合金钢的组织为板条马氏体+少量残余奥氏体+少量下贝氏体,马氏体基体中存在高密度位错；不同温度回火后组织主要为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体。随着回火温度的升高,马氏体板条界面逐渐消失,位错密度降低,马氏体中的碳以渗碳体形式析出,基体中碳化物数量增多,残余奥氏体含量减少。

（2）随着回火温度的升高,试验钢的屈服强度、抗拉强度和硬度均下降,断后伸长率先降后升。不同温度回火试验钢的拉伸断口均存在大量韧窝,呈韧性断裂特征。随着回火温度的升高,位错强化与固溶强化作用减弱,导致试验钢的强度与硬度均降低。

（3）随着回火温度的升高,试验钢的磨损质量损失增大,耐磨性能下降。试验钢磨损表面在回火温度分别为200,250 ℃时均出现大量犁沟,磨损机制主要为塑性变形,在回火温度升高至300,350 ℃后磨损表面除了存在大量犁沟外,还出现大量磨屑与疲劳裂纹,磨损机制转为塑性变形与疲劳磨损。

来源：小肖科技讲堂