變質耐磨錳鋼

高錳鋼被廣泛用作沖擊磨料磨條件下的耐磨件，在耐磨金屬材料中仍占有重要的位置。本書通過對耐磨錳鋼化學成分、生產工藝、使用條件等因素與耐磨性關系的系統研究，以實現材料成分、生產工藝和使用工況的綜合優化。另外，還將進一步系統研究優化后的材料的組織結構、力學性能、動態變形行為和動態磨料磨損行為，并探討其加工硬化和耐磨機理，以為該類合金的研制、生產和使用提供實驗和理論依據。

冶金、礦山、建材、煤炭、鐵路、電力、化工、農機、軍工等各個工業領域中都會用到大量的耐磨材料，而且每年都有大量工件因材料磨損而失效。僅冶金、電力、建材、煤炭、農機五個領域的不完全統計，我國每年因磨損消耗的鋼材達百萬噸以上，耗資相當于50億元以上，易磨損件壽命低已成為我國經濟發展中的一個重要問題。
目前國內外在沖擊磨料磨損工況中所使用的金屬耐磨材料主要有三大體系：①奧氏體錳鋼；②低合金高強度耐磨鋼；③高鉻鑄鐵(鋼)及其它白口鑄鐵。高鉻鑄鐵的硬度很高，其耐磨性在各類金屬耐磨材料中居于首位，然而，其脆性很大，因此只能用于低沖擊條件下的磨料磨損。低合金高強度耐磨鋼的硬度較高，韌性優于高鉻白口鑄鐵，但卻遠低于高錳鋼，在沖擊負荷不大的條件下代替高錳鋼制作抗磨件能有較好的效果，但在強烈沖擊工況下使用仍不夠安全可靠，因此只能用于中低沖擊條件下的磨料磨損。高錳鋼具有異常高的加工硬化能力和奧氏體固有的高韌度兩個重要特征，在奧氏體狀態下的硬度只有170～230HB，但經強烈沖擊變形后表面層硬度可達500～800HB，而在硬化層的內側仍是韌度很高的奧氏體組織，這樣硬化層具有很高的硬度，硬化層的內側又有好的韌性，從而使高錳鋼不僅具有很高的安全可靠性，而且具有較強的抗磨料磨損能力。因此，高錳鋼被廣泛用作沖擊磨料磨損條件下的耐磨件。
高錳鋼因其奧氏體的穩定性較高，在非強烈沖擊工況條件下，其加工硬化能力得不到充分有效的發揮，因而耐磨性并不理想。為此，近年來發展了奧氏體穩定性較低的介穩奧氏體錳鋼，但介穩奧氏體錳鋼的韌性較差，尤其是大截面鑄件，淬火后易出現裂紋，使其生產和應用受到極大的限制。
從高錳鋼問世百余年來，雖然人們不斷研制和使用一些新的材料，但高錳鋼在耐磨金屬材料中仍占有重要的位置，仍在發揮它的作用。主要工業國家都有自己的高錳鋼牌號和標準。多年來，關于這一古老鋼種的研究工作已做過不少，但是關于鋼的化學成分、組織和性能的研究工作仍在繼續，生產工藝也在不斷改進。尤其是關于高錳鋼加工硬化的理論研究工作隨著實驗技術的進步也在不斷地深化。
筆者從1985年開始涉足高錳鋼的相關研究工作。先后完成了碩士研究論文《合金化和熱處理對高錳鋼組織和性能的影響》和博士研究論文《變質系列錳鋼耐磨機理的研究》；完成機械工業部教育司科技基金項目“系列奧氏體錳鋼及其微觀結構”，山東省教委項目“高錳鋼的合金化和彌散處理工藝的研究”，山東省教委項目“變質潔凈耐磨鋼”，博士基金項目“奧氏體錳鋼的價電子結構及TEM原位拉伸變形的動態觀察”等研究課題。取得的主要研究成果有：國家科技進步二等獎“耐磨奧氏體錳鋼化學成分和熱加工工藝優化”，國家技術發明四等獎“處理奧氏體錳鋼的SR變質劑及其處理工藝”，山東省科技進步一等獎“高強韌性多元微合金耐磨錳鋼及其節能熱處理工藝”，教育部科技進步一等獎“耐磨奧氏體錳鋼化學成分和熱加工工藝優化”，國家教委科技進步三等獎“高強韌度微合金化和變質耐磨鋼及其節能熱處理”，山東省自然科學優秀成果二等獎“Fe-Mn-C合金加工硬化的價電子結構模型”，國家機械工業局科技進步二等獎“系列奧氏體錳鋼及其微觀結構”等20余項。獲得發明專利2項，發表相關論文50余篇。以上研究成果為本書寫作奠定了基礎。
本書試圖通過對錳鋼化學成分、生產工藝、使用條件等因素與耐磨性關系的系統研究，實現材料成分、生產工藝和使用工況的綜合優化。另外，還將進一步系統研究優化后的材料的組織結構、力學性能、動態變形行為和動態磨料磨損行為，并探討其加工硬化和耐磨機理，為該類合金的研制、生產和使用提供實驗和理論依據。本書可供從事奧氏體耐磨錳鋼研究、生產和使用的單位和人員參考。
本書參考了一些同行的研究論文和著作，在此表示感謝！感謝山東工業大學王世清教授、哈爾濱工業大學雷廷權院士給予的悉心指導。感謝在本書出版過程中提供支持和幫助的各位老師和朋友！
由于時間和精力有限，書中不妥之處在所難免，懇請各位不吝賜教。

編著者
2022年12月

本書在分析現有國內外關于奧氏體錳鋼研究成果的基礎上，總結了作者在本研究領域多年的研究成果。全書共8章,內容涵蓋高錳鋼簡介、高錳鋼的研究概述、變質錳鋼的組織與性能研究、變質錳鋼的動態變形行為研究、變質錳鋼的磨料磨損行為研究、變質錳鋼磨損過程的動態研究，以及變質錳鋼宏觀特性的微觀機制研究，最后對變質耐磨錳鋼的研究進行了匯總與展望。
本書可供從事金屬材料研究、生產和使用的單位和人員參考，也可供從事金屬材料選用、機械加工等相關研究及技術人員參考。

第1章高錳鋼簡介1
1.1化學成分與力學性能1
1.2熔煉工藝2
1.2.1電弧爐熔煉工藝2
1.2.2堿性感應電爐煉鋼工藝5
1.3鑄造工藝7
1.4熱處理工藝8
1.5鑄件的切割9
1.6鑄件的焊補10
1.7鑄件的切削加工與壓力整形11

第2章高錳鋼的研究概述12
2.1化學成分的研究13
2.1.1改變碳、錳含量13
2.1.2再合金化14
2.1.3變質處理17
2.2生產工藝的研究19
2.2.1冶煉工藝19
2.2.2鑄造工藝20
2.2.3熱處理工藝21
2.2.4表面預先硬化處理24
2.2.5高錳鋼的粉末成型25
2.3磨損條件的研究25
2.4變形行為的研究26
2.4.1加工硬化能力26
2.4.2加工硬化機制26
2.4.3拉伸曲線的鋸齒現象30
2.5形變誘發馬氏體相變的研究31
2.5.1形變誘發馬氏體現象31
2.5.2形變誘發馬氏體相變熱力學31
2.5.3形變誘發馬氏體相變動力學32
2.5.4形變誘發馬氏體的形核33
2.6磨損機理的研究34
2.7本章小結36

第3章變質錳鋼的組織與性能研究38
3.1實驗材料與方法38
3.1.1實驗材料38
3.1.2試樣制備39
3.1.3力學性能實驗40
3.1.4熱分析實驗40
3.1.5金相分析41
3.1.6電鏡分析41
3.2變質錳鋼的鑄態組織41
3.2.1鑄態組織細化41
3.2.2碳化物?；?1
3.2.3夾雜物球化47
3.2.4奧氏體晶粒細化49
3.2.5晶內成分均勻化51
3.3變質錳鋼的熱處理組織52
3.4變質錳鋼的力學性能55
3.4.1變質對錳鋼力學性能的影響55
3.4.2熱處理對變質錳鋼力學性能的影響57
3.5本章小結58

第4章變質錳鋼的動態變形行為研究60
4.1實驗材料與方法60
4.1.1實驗材料與試樣制備60
4.1.2動態壓縮和拉伸變形實驗60
4.1.3聲發射實驗60
4.1.4磁稱實驗61
4.1.5薄膜原位動態拉伸實驗62
4.1.6金相與物相分析62
4.2動態壓縮變形63
4.2.1錳含量對壓縮變形的影響63
4.2.2碳含量對壓縮變形的影響65
4.2.3壓縮變形時加工硬化參數H的計算68
4.3動態拉伸變形69
4.3.1拉伸變形的應力-應變曲線69
4.3.2拉伸變形過程中的組織與硬度變化70
4.3.3拉伸變形時加工硬化指數的計算73
4.4形變誘發馬氏體相變驅動力的計算74
4.5薄膜原位動態拉伸過程的TEM觀察75
4.5.1形變誘發馬氏體的形核與長大75
4.5.2位錯組態的動態變化76
4.5.3碳化物質點與位錯的交互作用78
4.5.4裂紋擴展及其周圍的微觀結構變化79
4.6本章小結80

第5章變質錳鋼的磨料磨損行為研究81
5.1實驗材料與方法81
5.1.1實驗材料與試樣制備81
5.1.2耐磨性實驗81
5.1.3硬度實驗與組織結構分析82
5.2錳及碳含量對變質錳鋼耐磨性的影響83
5.3變質對錳鋼耐磨性的影響85
5.4熔煉方法對錳鋼耐磨性的影響86
5.5熱處理對變質錳鋼耐磨性的影響87
5.6磨損沖擊功對變質錳鋼耐磨性的影響89
5.7變質錳鋼的工業應用效果91
5.8本章小結92

第6章變質錳鋼磨損過程的動態研究94
6.1實驗材料與方法94
6.1.1實驗材料與試樣制備94
6.1.2耐磨性實驗94
6.1.3組織結構分析與硬度實驗94
6.2磨損表面形貌的動態變化95
6.3磨損表層硬度的動態變化97
6.4磨損表層組織結構的動態變化98
6.5磨損條件對變質錳鋼耐磨性的影響104
6.6本章小結106

第7章變質錳鋼宏觀特性的微觀機制研究108
7.1實驗材料與方法108
7.2固體與分子經驗電子理論簡介109
7.3錳鋼奧氏體的微觀結構111
7.3.1錳鋼奧氏體中C-Mn原子的偏聚111
7.3.2錳鋼奧氏體中C-Mn原子偏聚區的成分115
7.3.3錳鋼奧氏體的結構116
7.4錳鋼宏觀特性的微觀機制117
7.4.1高錳鋼的加工硬化機制117
7.4.2變質錳鋼的加工硬化機制119
7.4.3奧氏體的穩定性122
7.4.4沖擊韌性123
7.4.5抗沖擊耐磨性123
7.5本章小結123

第8章變質錳鋼的研究成果與未來展望125
8.1變質錳鋼的研究結果125
8.2變質錳鋼的綜合優化127
8.3提高錳鋼耐磨性的途徑與方法128
8.4未來研究展望129

參考文獻131