無碳化物貝氏體鋼摩擦磨損性能研究進展

熊 鵬，趙雷杰通信作者，張 孜，王艷輝，岳 赟，郝曉歌

(1.河北工程大學機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056000；2.河南科技大學高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽 471023)

0 引言

磨損是機械設備零部件三大失效形式之一。礦山、運輸、冶金等行業使用的耐磨設備在使用過程中需要具有較高的耐磨性，以保證機器的正常運行。隨著我國制造業高速發展，因摩擦磨損造成的經濟損失逐年上升，有數據表明，僅2018年，我國因機械磨損造成的損失就超過4萬億元[1]。因此，開發新一代先進高強耐磨鋼鐵材料迫在眉睫，但摩擦磨損屬于一種非常復雜的失效形式，受兩個摩擦接觸面的材料屬性、相互作用方式、工作環境溫度等諸多因素的影響[2]。

近年來，英國科學家Bhadeshia等[3-4]開發了一種具有納米微結構的無碳化物貝氏體鋼，該貝氏體組織的板條厚度為30～80 nm，殘余奧氏體(RA)主要呈薄膜狀與貝氏體鐵素體板條(BF)平行分布。因其具有優異的綜合力學性能而有望替代高錳鋼、高鉻鑄鐵和高速鋼等傳統耐磨鋼鐵材料，應用于礦山機械、重載設備及鐵路軌道等領域。研究學者[5-8]就無碳化物貝氏體鋼在不同摩擦磨損條件下的應用展開了廣泛研究，一致發現無碳化物貝氏體鋼表現出良好的耐磨性能。

本文從制備工藝設計、顯微組織成分、化學元素及摩擦磨損-疲勞交互機理等影響無碳化物貝氏體鋼摩擦磨損性能的方面進行綜述，對其研究現狀和發展前景進行總結，以期為提高無碳化物貝氏體鋼摩擦磨損性能研究提供理論參考。

1 制備工藝設計對貝氏體鋼摩擦磨損性能的影響

最常見的貝氏體鋼生產工藝是利用Ms點以上等溫轉變或連續冷卻獲得貝氏體鋼，而對于等溫轉變制備貝氏體鋼最重要的物理參數便是等溫溫度和等溫時間了。Wei等[9]研究了一種低碳鋼在低于和高于Ms點的等溫淬火后的組織和磨損性能，發現在低于Ms點的等溫淬火中的預成形馬氏體使得貝氏體轉變加快，獲得了更細的貝氏體板條，而耐磨性的提升受硬度和沖擊韌性的的影響。

對于在較高溫度下等溫淬火的試樣，較厚的貝氏體板條明顯降低沖擊韌性，導致質量損失增加，在較長的轉變時間內，沖擊韌性略有提高，但硬度降低。因此，質量損失在更長的等溫時間內增加，在低于Ms點溫度下處理的樣品表現出最佳的磨損性能。對于在Ms點以下制備貝氏體鋼能夠提升力學性能，Moghaddam等[10]對比了不同等溫溫度下的納米結構無碳化物貝氏體鋼的滑動磨損行為，在230℃和320℃等溫淬火的樣品中，230℃下的等溫轉變溫度可以獲得更精細的微觀結構。微觀結構越細，微組分之間的界面數量越多，因此位錯運動的障礙也越多，更高的位錯阻力為塑性變形層提供了更好的支撐。研究認為，塑性變形層的性質、機械穩定性和厚度以及底層基體對塑性變形的抗力是決定材料耐磨性的主要影響因數。

現階段，基于熱處理工藝改善貝氏體鋼的耐磨性能的思路主要是獲得更細小的貝氏體組織，以此在磨損過程中為表層提供更強的抗塑性變形能力。高溫軋制變形、激光重熔、電弧增材制造和深冷處理等[11-13]工藝相比于傳統的等溫淬火工藝均能進一步細化組織，提高強韌性及耐磨性，但以上工藝制備復雜、成本較高。

2 顯微組織成分對貝氏體鋼摩擦磨損性能的影響

金屬材料的磨損行為在很大程度上取決于其微觀結構。材料的微觀結構決定了磨損性能，如硬度、加工硬化能力、粘合強度等。因此，通過控制無碳化物貝氏體鋼的微觀結構來優化磨損性能是非常重要的。Rezende等[14]研究了車輪鋼貝氏體和珠光體組織的磨損行為，通過實驗結果可知，貝氏體組織比珠光體組織具有更高的初始和最終硬度，從而降低了質量損失。貝氏體微觀結構在體積上吸收了更多的塑性變形，減少了摩擦接觸面的加工硬化層。Liu等[15]研究了殘余奧氏體穩定性對沖擊磨損耐磨性的影響，實驗證明，殘余奧氏體的高機械穩定性提高了貝氏體鋼的耐磨性。然而，當殘余奧氏體穩定性足以抑制殘余奧氏體向馬氏體的轉變時，耐磨性惡化。

蘇斌等[16]研究了無碳化物貝氏體車輪鋼在高溫環境下服役的力學性能與殘余奧氏體穩定性的關系，發現測試溫度在300℃時，熱力耦合作用下的殘余奧氏體穩定性最低，貝氏體車輪鋼在高應變下保持高的加工硬化率，在此時具有最好的強度與塑性匹配。Shah等[17]研究了3種具有不同微觀結構但硬度相似的鐵合金的三體磨料磨損行為，雖然合金的硬度相似，但由于微觀結構中磨損機制的不同，磨損率卻截然不同。由于奧氏體應變誘導轉變為馬氏體，所以具有細貝氏體板條的無碳化物貝氏體鋼具有更好的耐磨性。

雖然無碳化物貝氏體鋼的優異耐磨性相比于其他鋼種已經得到廣泛證明，但依然無法解決碳元素在貝氏體鋼中分配不均勻導致產生塊狀殘余奧氏體的問題。在處于較高的應力應變狀態下，薄膜狀殘余奧氏體在TRIP效應作用下會轉變為馬氏體，從而鈍化裂紋尖端，避免裂紋向基體深處快速延伸，而塊狀殘余奧氏體在磨損初期受到小應變影響就會轉變為高強脆性馬氏體，形成局部應力突增，反而促進微裂紋的擴展，從而加速摩擦磨損疲勞。

3 化學成分對貝氏體鋼摩擦磨損性能的影響

合理調整鋼鐵材料的化學成分，是提高金屬材料強韌性必不可少的方法。C是鋼鐵材料中最基本的合金元素，雖然增加C含量可顯著提高鋼的高強度和高硬度以及增加了殘余奧氏體的含量，但材料的塑性韌性大大降低，且轉變時間過長，嚴重影響工業化應用[3]。Gola等[18]對含碳量為0.3C和0.4C的無碳化物貝氏體鋼進行了磨粒磨損實驗測試，經過磨損后，表面淺層組織結構發生了不同程度的塑性變形，并且變形方向沿著磨損方向排列，而隨著距材料表層深度的增大，組織結構變形程度也逐步降低，并且由于0.3C貝氏體鋼的硬度遠小于0.4C貝氏體鋼硬度，在同樣的應力水平下，硬度越低，材料的塑性變形越大。

陳顏堂等[19]研究了2種Si含量分別為0.34%和1.45%的貝氏體鋼的沖擊磨損性能。研究結果表明：Si含量為1.45%的貝氏體鋼具有較強的加工硬化性能，經過沖擊磨損試驗后，表面較粗糙，因此其抗沖擊磨損性能明顯低于Si含量為0.34%的貝氏體鋼。Al同樣能夠抑制碳化物析出并增加貝氏體轉變驅動力，進而促進貝氏體轉變。Wang等[20]總結了不同Al含量貝氏體鋼耐磨性的影響，在干滑動磨損機制下，Al促進了磨損過程中氧化膜的形成，提高了耐磨性，在高溫下，磨損表面被氧化膜覆蓋，樣品表現出磨粒磨損和粘著磨損機制，然而在低溫下，磨損表面很難生成氧化膜，導致嚴重磨損。

其他諸如Mn、Ni、Cr、Mo等合金元素對于貝氏體鋼性能的研究已有多次報道[21]。當前多種微合金元素(如V、Nb、Ti)復合作用機制對無碳化物貝氏體鋼性能的研究還并未深入，通過微量元素的合理添加能夠充分挖掘無碳化物貝氏體鋼的性能潛力，對該鋼的應用推廣具有重要意義。

4 摩擦磨損-疲勞交互作用下對貝氏體鋼摩擦磨損性能的影響

鋼鐵材料在摩擦磨損過程中常常伴隨著疲勞損傷，摩擦磨損導致磨損-疲勞的失效行為與單一磨損失效或疲勞失效有所不同。它與摩擦磨損導致的表面材料流失、塑性變形和結構演變等都有關聯，且在不同疲勞應力下的表現還有所差異[22]。

許多疲勞都是由裂紋的萌生和擴展而產生的。Kumar等[23]等對不同形態的貝氏體組織疲勞裂紋擴展行為進行了研究。結果表明，貝氏體鐵素體和殘余奧氏體形態最粗，殘余奧氏體含量最高的試樣裂紋擴展閾值最大；在不同的等溫條件下，當裂紋尖端張開位移達到相應的貝氏體板條厚度時，試樣達到了閾值；在裂紋擴展第二階段，板條厚度最大、奧氏體含量最高的試樣裂紋擴展速度略慢于其他試樣，這可以歸因于相變誘導的可塑性。Gao等[24]闡明不同形貌的殘余奧氏體在亞表面疲勞裂紋萌生過程中的重要作用，小裂紋尖端前方的片間膜狀殘余奧氏體轉變為馬氏體，阻止了小裂紋的擴展，改變了主動滑移體系；然而，位于原奧氏體晶界處的塊狀殘余奧氏體由于在殘余奧氏體中更容易激活移，導致了沿晶疲勞裂紋。有實驗證據表明，控制裂紋擴展的參數與貝氏體塊體之間的晶體取向與相鄰貝氏體板條滑移面之間的傾斜/扭轉勢能角有關[25]。

摩擦磨損-疲勞的交互完整系統包括了滾動、滑動、微動等多種磨擦形式，不過由于當前預測摩擦磨損-疲勞壽命的重點，主要在于疲勞中小裂紋在磨擦層內的形成和延伸等階段，因此導致失效的疲勞小裂紋必須是先受接觸面和表面塑性變形的影響。研究在摩擦磨損-疲勞交互作用下的斷裂形成和延伸規律和行為機制，是解決預測摩擦磨損-疲勞壽命的重要工具[26]。

5 總結與展望

無碳化物貝氏體鋼是鋼鐵耐磨材料發展中最具前景的材料之一。與傳統的耐磨鋼鐵材料(高錳鋼、高鉻鑄鐵、高釩高速鋼)相比，無碳化物貝氏體鋼合金元素設計成本低廉、制備工藝簡單，其提高耐磨性的途徑主要是：獲得高強韌性的基體組織，細化亞結構。因此，開展無碳化物貝氏體的摩擦磨損機理研究，對于豐富摩擦學理論和拓展耐磨金屬材料領域具有重要意義。

1)現階段長時間的制備周期是制約無碳化物貝氏體鋼工業應用所面臨的主要困難，需要開發新型復合工藝來縮短制備周期及獲得更加穩定細小的基體組織。

2)目前合金成分還須不斷優化，進一步研究添加元素、輔助添加相對無碳化物貝氏體鋼抗磨的影響作用，獲得成分-組織結構-摩擦磨損機理的對應關系。

3)基于摩擦磨損性能、力學性能和其他性能的需求，調控無碳化物貝氏體中關鍵組織結構的形態、分布和界面關系，解決傳統金屬材料中摩擦學性能與其他性能難以平衡的問題。

4)研究無碳化物貝氏體鋼在不同工況條件下的磨損機制具有重大實際意義，為解決苛刻工況下傳統合金磨損嚴重的難題指明了方向。