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广西科学研究与技术开发计划课题可行性报告一、课题申请理由(一)课题的必要性和紧迫性钢铁行业直接影响着国民经济的发展与运行，是一个国家工业发展的基础行业。随着经济的不断发展，我国已经成为一个钢铁大国。2010年我国粗钢产量达到了62665万吨，同比09年增长了9.26%，钢材产量已达到79627万吨，同比增长14.68%[1]。磨损是材料失效的主要形式之一，材料失效导致设备的损坏不仅会造成严重的经济损失，还有可能导致灾难性的后果[2,3]。资料显示，磨损造成了世界一次能源损失达三分之一，我国尽管说是个钢铁大国，但是消耗世界钢材量超过30%，仅磨料磨损每年消耗的金属耐磨材料就达到了三百多万吨[4]；仅摩擦磨损，美国每年就造成1000亿美元的损失，而我国也达到了国民生产总值的1.8%[5]。材料因磨损而失效，会导致生产成本的提高和维护费用的增加。提高材料的耐磨性能，可以提高生产效率、降低生产成本、节约资源和能源，具有重要的工程应用价值和经济意义。因此，我们有必要研究更好的高性能耐磨钢种。耐磨钢[6]是广泛应用于各种磨损工况的一类合金钢的总称，100余年来新的耐磨铸钢钢种层出不穷，其冶炼、铸造、热处理和机加工工艺不断改进，耐磨铸钢的综合力学性能、耐磨性能和使用寿命逐步提高，其应用领域也不断地得到拓展。目前广泛应用的耐磨材料主要有三大类：①高锰钢；②白口铸铁；③低合金钢。高锰钢是传统的耐磨材料，英国Hadfield在1882年9月发明了耐磨高锰钢[7]。高锰钢的奥氏体组织在强烈冲击或重力挤压的工况条件下，其奥氏体组织转变为层错孪晶强化的马氏体，使表面迅速硬化，硬度从HB170～225提高到HB500～800，而心部依然保持原有的硬度和韧性，因而广泛应用于冲击磨损的工件。我国在20世纪50～60年代几乎把高锰钢作为一种万能的耐磨材料使用[8]，但在实践过程中发现，高锰钢的起始硬度低，如果在使用中不能发生加工硬化，就无法发挥高锰钢潜在的耐磨能力，表现得非常的不耐磨。高锰钢的另一个缺点是屈服强度低(350MPa),在使用过程中极易发生塑变，造成工件的尺寸超差以及维修的不便[9-11],因此，在许多领域高锰钢已逐渐被其它耐磨材料所代替。白口铸铁的起源可以追溯到2500多年前人类进入铁器时代初期铸出的锛和铲[12]。白口铸铁中的碳以渗碳体形态存在的铸铁，其断面为灰白色。是一种良好抗磨材料，在磨料磨损条件下工作。目前，国内外对白口铸铁的研究主要分为普通白口铸铁、低合金白口铸铁、高合金白口铸铁等。普通白口铸铁的组织主要为渗碳体组织和珠光体与铁素体的基体组织，由于渗碳体的显微硬度较高（900-1100HV），提高了铸件的宏观硬度起到提高耐磨性的作用。在普通白口铸铁中添加合金元素促进了铸态组织中石墨的析出以及可以形成合金与碳的化合物，石墨可以作为润滑剂在铸件工作过程中降低摩擦系数减小磨损；合金碳化物的显微硬度相对渗碳体较高，提高了宏观硬度[13-15]。但是，它存在着合金元素含量多，生产成本高，以及高温热处理易变形和开裂的不足。低合金白口铸铁是在普通白口铸铁中添加少量合金元素，提高碳化物显微硬度，强化金属基体，从而提高耐磨性。但是低合金白口铸铁存在碳化物呈连续状分布，脆性大和使用中易剥落甚至断裂的不足[16]。高合金白口铸铁用得最广泛的是含铬量为12%～20%的高铬白口铸铁，但是价格过于昂贵，限制了它的使用量。相比于高锰钢和白口铸铁，低合金耐磨钢具有诸多优点：(1)合金含量较低，一般低合金钢为3％一5％。所加合金元素为国内资源丰富元素，如Cr、St、Mn、B、RE等，而少含或不含贵重稀缺元素Ni，Mo，易于推广应用，经济合算。(2)具有较高硬度，足够韧性的综合性能。在硬度大于50HRC的情况下，韧性值可达20-40J／cm2，可在较大范围内控制硬度和韧性的匹配关系，在各类磨料磨损工况均可获得较好的耐磨性。(3)具有良好淬透性，适当调整合金元素，可使不同尺寸工件淬透，也为空冷淬硬简化热处理工艺提供条件。(4)生产灵活易行。视工厂条件，可铸、可铬、也可轧制生产。(5)价格相对低廉，经济效益较高[17]。因此可见，低合金耐磨钢是很有发展前途的一类耐磨材料，生产成本低，具有良好的综合性能，即较好的耐磨性和良好的强韧性相匹配。开发新型低合金耐磨钢，不仅符合国家节能减排的指导精神，更具有现实意义。（二）课题的意义贝氏体组织具有高的强韧性和耐磨性,是一种很好的抗磨材料组织结构[18]。自从20世纪30年代贝氏体相变理论的先驱Danernport和E.C.Bain在研究奥氏体于马氏体形成温度和珠光体形成温度之间冷却转变时，发现奥氏体分解产生后来被命名为贝氏体的中温转变产物后，迄今为止，贝氏体相变理论的研究已有80多年历史，相关基础研究之所以持续长久：一是因为贝氏体相变理论自身的复杂性和其在固态相变理论研究领域的重要地位；二是因为贝氏体钢具有优良的性能及巨大的经济效益，得到工业界的广泛重视和应用[19]。在贝氏体相变理论的研究进程中，20世纪60年代Edwards提出下B-M复合组织的韧性优于全马氏体和全贝氏体组织以来，许多学者对这种复合组织及其力学性能进行了较为系统的研究。大量的试验研究表明，在高强度马氏体基体上分布一定体积分数的下贝氏体，可在保持较高强度前提下显著提高材料的塑性，以及冲击和断裂韧性，同时具有较高的抗磨损能力。因此，在低合金钢的熔炼过程中，可以通过寻求合适的合金钢的化学成分及组织设计和合适的热处理工艺来获得B-M复相组织，进而开发新的低合金耐磨金材料[20-23]。本课题组根据前期的研究成果和多年的研究经验，提出了用油淬带温淬火和油淬带温降温等温淬火（具有自主知识产权）[24]热处理工艺对以主加元素为Si、Cr、Mo、Cu的低合金钢进行热处理，进而获得以贝氏体为主的低合金贝氏体-马氏体（简称B-M）复相耐磨钢的方法，热处理过程如图1所示。油淬带温等温淬火工艺过程是：从奥氏体化温度快速冷却（油淬）到Ms点稍下，待低合金贝氏体钢样件表面温度为180-230℃时取出；放入在Ms点稍上的等温炉中等温1-3h，最后出炉空冷（方法1）。油淬带温降温等温淬火工艺过程是：从奥氏体化温度快速冷却（油淬）到Ms点，待低合金贝氏体钢工件表面温度为180-230℃时取出；放入下贝氏体转变温度区间在等温中进行降温等温，转变时间为3-8h（方法2）。所研制出的低合金耐磨钢具有优良的耐磨性、强韧性和一定耐蚀性，且成本低廉。通过热处理之后，材料硬度可达到55-57HRC，冲击韧性可达到70J/cm2，拉伸强度可达到1200-1300MPA。在低合金耐磨钢的热处理过程中，理论模拟计算始终发挥着重要的作用。在热处理过程中，涉及到的物理量有温度场、组织场、应力场等，而且这三场之间还存在着相互耦合的关系，对于这样复杂的热处理过程，在理论上很难对这三场的耦合关系进行求解[25]。在目前的技术条件下，能够进行的研究是经热处理之后，通过剖析的方法来研究特定区域的组织应力状态。这样的研究方法不仅要投入大量的人力物力资源，而且所得到的结果仅仅是某一具体工艺参数下的某一零件最后的状态而已，难以获得整个处理过程的变化规律[26]。对热处理过程的数值模拟，可以显示出热处理过程中温度、组织和应力的瞬时变化信息，借助这一技术，能够预测工艺结果，还可以对工艺参数、工艺方案进行优化，为热处理工艺的制定提供理论意义。申请者在已有的研究中发现，在低合金钢中，通过室温油分级等温淬火能够获得少量的马氏体组织，这些马氏体组织在随后的等温过程中能够成为贝氏体相变形核的源泉-激发贝氏体形核，促进贝氏体的细化。硅含量3.5%时,贝氏体基体细化,马氏体数量略有增加，但马氏体周边的贝氏体针更细小。硅含量为3.77%时,贝氏体片（针）沿马氏体相界激发形核向外生长，先形成的马氏体针一侧通过激发形核形成许多贝氏体（铁素体）侧片，且激发形核所形成的贝氏体（铁素体）侧片与马氏体之间可以观察到明显的平整相界面，激发形核的贝氏体（铁素体）片（针）与片状马氏体相界面垂直生长，且激发的贝氏体（铁素体）也越多越细小，细小，在光学显微镜下（1000倍）比现有国家标准一级贝氏体(500倍)还要细小，强度、硬度和韧性也有所提高。低合金钢油淬带温等温淬火结束后，在随炉降温等温过程和室温停留过程中，随着降温时间的延长，强度、硬度有所提高，对磨球类零件而言淬透性也有所增加。这种现象的出现，可能是奥氏体/铁素体推进的前沿界面上一些合金元素（如Cr、Mo、Mn）的聚集，减慢了铁素体界面的迁移，造成贝氏体相变的临时停滞，致使低合金贝氏体钢的强度、硬度有所降低；在随后的随炉降温等温过程，当温度降低至Ms点以下时，没有转变的奥氏体有可能继续转变为贝氏体（铁素体），使低合金贝氏体钢强度、硬度提高，韧性也有所提高，且这一现象有降温变温的特性，这一现象申请者初步认为是由于贝氏体中溶质类托曳效应引起的，对这一现象的研究对低合金贝氏体钢的降温等温过程的研究有重要理论意义，可大幅度提高低合金贝氏体钢的性能。广西十四大千亿元产业研发建设目标中，将金属材料关键技术研究和新产品开发列为重点研究目标的首位。本课题的研究内容具有重要的意义，具体有以下几方面：（1）本课题开发出的新型低合金B-M复相耐磨钢及其生产工艺，将在“柳州市友军机械配件铸造有限公司”进行挖掘机齿体、齿套和边齿体等耐磨件的生产和应用。投入生产后，每年可为公司新增产值1000万元，新增利税300万元，大幅提高公司利润空间。此外，产学联合的模式可以为提高中小企业的自主创新能力和企业产品高技术含量开拓新的途径。（2）本课题对贝氏体相变的研究，丰富和发展了贝氏体相变的学说,可以促进贝氏体组织在工程上也得到了越来越广泛的应用（3）本课题中所研究的马氏体激发贝氏体相变机制和当前国内外研究现状中钢中的贝氏体激发机制及马氏体激发机制有所不同，它可能是先形成的马氏体片按照边-面激发的机制激发贝氏体形核，而不是先形成的贝氏体激发新贝氏体形核，更不是马氏体片最邻近奥氏体的弹、塑性变形引起的应力最集中的马氏体片条尖部的激发形核与长大。它可能是介于二者之间的、过饱和度不同的、铁素体相之间的激发形核，是一种介于马氏体激发形核和贝氏体激发形核之间的立方晶格相之间的过渡型激发形核方式，因此，本项目提出的研究内容具有源头创新的特色，有着重要的理论和实际意义（4）本课题中所研究的贝氏体溶质类拖曳效应，可以造成贝氏体不完全转变。低合金贝氏体钢长时间随炉降温等温过程中其性能随时间也会发生变化，当温度降低至Ms点以下时，没有转变的奥氏体有可能继续转变为贝氏体（铁素体），也就是说在等温转变过程中，产生的溶质类托曳效应使奥氏体暂时停滞，在随炉降温等温过程降温等温时，由于相变驱动力的增加，使奥氏体继续向贝氏体的转变，进而转变更完全，也就是说贝氏体相变的溶质类托曳效应具有降温条件下继续产生奥氏体向贝氏体转变的特性，因此，深入研究和探讨贝氏体的类托曳效应等现象的形成机理，对获得高性能低合金贝氏体钢和实际生产应用具有理论意义。总之，本课题作为广西科学研究与技术开发计划重点申请项目，符合广西壮族自治区科学技术发展“十二五”规划中的重点研究方向，将促进广西的冶金、材料、机械、海洋船舶修造业的发展，大幅提升广西工业竞争能力和可持续发展能力。（三）研究现状1.贝氏体钢研究现状20世纪50年代,英国P.B.Pickering等人发明了Mo-B系空冷贝氏体钢[27],由于Mo对贝氏体转变推迟作用低于珠光体转变,且B可推迟铁素体转变,所以Mo和B的结合可使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。因此该贝氏体钢系的开发引起了当时人们的广泛关注,但因Mo的原料价格偏高,同时又由于Mo-B钢的贝氏体组织转变温度高,产品强度、韧性较差。20世纪70年代初清华大学方鸿生[28]在研究中发现,当Mn在一定含量时,使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上下C曲线分离,Mn与B的结合,使高温转变孕育期较中温转变增长,以此为理论依据成功地用普通元素即可进行合金化,发明了Mn-B系空冷贝氏体钢。