高应力滚滑动磨损条件下高速钢中碳化物微细结构、基体储能效应与裂纹行为机理

研究内容：采用铸造法制备主要陶瓷相分别为VC、M6C、M2C型碳化物的高速钢，在滚滑比为3-10%范围内，利用自制的高应力滚-滑动磨损试验机系统地测试高速钢的磨损性能。在此基础上，着重研究：（1）高应力滚-滑动磨损条件下，碳化物内部微细结构与裂纹行为的关系；（2）高应力滚-滑动磨损条件下，碳化物与基体协同作用的储能效应机理及对裂纹行为的控制作用。建立高应力滚-滑动磨损条件下高速钢中疲劳磨损裂纹萌生及扩展模型，提出控制疲劳裂纹的方法。.研究意义：项目研究将揭示高应力滚-滑动磨损条件下含高硬度陶瓷相的高速钢失效的微观机理，其研究成果将可以有效地指导轧辊用高速钢的碳化物与基体的协调设计，同时对于完善含高硬度陶瓷相材料的滚-滑动磨损理论也具有意义。

高速钢代表了先进轧辊材料的发表趋势，高速钢中的碳化物决定轧辊的磨损性能。项目研究了高速钢中碳化物的微细结构、界面晶体学特征，高应力作用下高速钢的能量吸收及磨损行为，揭示了显微组织与性能的关系，取得如下成果。.通过合金元素的合理设计，制备了主要碳分物分别为VC、M6C、M2C的高速钢（V10、W10、Mo10），阐明了碳化物的形态、微细结构及界面晶体学特征。V10高速钢中主要形成团块状初生VC型结构，VC颗粒内部存在大量弥散分布的几纳米到几十纳米的MC型碳化物粒子，可起到增加颗粒的作用强化VC。VC（200）晶面与奥氏体（111）晶面共格。W10高速钢中主要为鱼骨状共晶M6C型碳化物。M6C与基体间存在晶体学关系，铸态组织中，M6C (111) //α-Fe(110)，回火后，M6C (111) //M(020)。Mo10高速钢中主要形成共晶片状M2C型碳化物，属密排六方晶格结构，M2C(21-1)晶面与α-Fe（110）晶面共格。.发明了金属吸收能量的表征方法，可以精确计算出应力作用过程中金属吸收的能量；揭示了应力作用下高速钢吸收能量的规律。吸收的能量值随应力增加呈二次曲线状增大，多次循环压缩后吸收的能量值逐渐衰减。高速钢中残余奥氏体向马氏体转变过程吸收大量能量，可以有效的减缓裂纹的萌生与扩展。V10高速钢中的团块态VC吸收能量过程中不易碎裂，基体与VC存在共格关系，裂纹不易在界面处萌生与扩展。高速钢中的M6C、M2C及高速铸铁中的M7C3形态差，吸收大量的能量后易于碎裂。.研究了高应力滚滑动接触条件下，滑动率与显微组织对高速钢磨损行为的影响，揭示了磨损过程中的组织演变及失效机理。高速钢的耐磨性取决于显微组织，磨损失效模式主要取决于滑动率。随着滑动率增加，磨损失效模式逐渐从疲劳磨损变化到滑动磨损。磨损失效行为受到显微组织与滑动率交互作用的影响。磨损的过程中残余奥氏体吸收足够的能量后可诱发马氏体相变。M6C吸收能量的能力强于M2C，W10高速钢的耐磨性优于Mo10高速钢。VC硬度高，形态好，且具有纳米级颗粒增加的亚结构，在应力反复作用下VC具有良好的能量耗散性能，不易碎裂产生裂纹，V10高速钢的耐磨性显著优于高铬铸铁。轧辊用高速钢的设计应综合考虑组织中碳化物的硬度、形态、亚结构、界面特征、能量吸收与耗散能力及残余奥氏体。