CN101832899A - 评价强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评价强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性的试验方法，包括如下步骤：(1)利用单摆划痕试验机进行单摆冲击划痕试验；(2)计算划痕形成过程中所消耗的能量E；(3)计算试样表面划痕的体积V；(4)计算比耗能e＝E/V，并根据相同试验参数条件下比能耗e的大小，来判断奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下初期耐磨性的高低。单摆冲击划痕试验具有模拟磨粒磨损的微犁削和微切削作用以及用单颗磨粒以一定的冲击力划过材料表面时所具有的冲击能量加载的特点，而与奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下的工况条件较为相似，因而，在单摆冲击划痕试验下所获得的比能耗e可表征材料在强冲击载荷下的初期耐磨性。

Description

评价强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性的试验方法

技术领域

本发明涉及金属材料耐磨性的评价方法，尤其涉及一种强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性的试验方法。

背景技术

奥氏体高锰钢作为耐磨材料，在抵抗强冲击、高应力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面，其耐磨性是其他材料所无法比拟的。奥氏体高锰钢的使用组织为水韧处理(即固溶处理)后的单相奥氏体组织或奥氏体加少量碳化物组织，在冲击载荷作用下，其表层能够迅速产生加工硬化，其硬度急剧升高，保证了其具有良好的耐磨性能；而内部仍为奥氏体，保持着其良好的韧性。奥氏体高锰钢最大的两个特点，一是外来冲击载荷越大，其自身表层耐磨性越高；二是随表面硬化层磨耗掉时，在外加载荷作用下新的加工硬化层又会连续不断地形成。因此，奥氏体高锰钢不但具有良好耐磨性，而且还能承受较强的冲击载荷而不破裂，保证了使用中的安全可靠。

但由于奥氏体高锰钢的原始硬度低，在冲击载荷初次作用下，虽然，其表层能够迅速得到加工硬化，而将减少后续使用过程中的磨损量。但同时由于其表层外形尺寸变化较大，而使摩擦副之间的接触精度降低，导致其初期磨损量较大。为了克服传统奥氏体高锰钢所表现出来的弱点或降低他们的影响，长期以来许多研究工作者在下列几方面做了大量的工作，以求通过提高硬度和加工硬化能力来达到提高奥氏体高锰钢耐磨性的目的。(1)奥氏体高锰钢的合金化；(2)奥氏体高锰钢的变质处理；(3)奥氏体高锰钢的表面形变强化；(4)奥氏体高锰钢的分散镶铸强化；(5)奥氏体高锰钢的沉淀强化。这些方法对于提高奥氏体高锰钢的耐磨性来说都是卓有成效的。

上述提高奥氏体高锰钢初期耐磨性的方法是希望通过提高奥氏体高锰钢硬度的方法来达到的。但这些方法对能否提高冲击载荷工况条件下奥氏体高锰钢初期耐磨性能还有待进行进一步的试验来验证。因为，目前所采用的评价材料耐磨性能的试验方法多为销盘式或往复式等常规静态的磨损试验方法，属于评价非冲击载荷或低冲击载荷作用下材料耐磨性高低的一种方法。通过这种评价方法可以知道，在非冲击载荷或低冲击载荷作用下，一般是材料的硬度越高，失重量越少，则材料的耐磨性就越高。而对于强度高的材料，虽然在载荷作用下，其外形尺寸变化小，而可以减少摩擦副之间接触精度的下降程度，有利于提高材料的初期耐磨性。但由于在一般情况下，材料的强度越高，其塑性、韧性将越低，因而强度高的材料将在强冲击载荷作用下，其表层很容易产生剥落，而增加了材料的初期失重量。由此可见，用现有常规静态磨损试验方法来从载荷初次作用下的外形尺寸的变化和初期失重量的变化的角度来综合评定奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下的初期耐磨性能是较为困难的。并且到目前为止，也还未见有关报道可以用某一力学性能指标来较为准确地表征奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下初期耐磨性的高低。因此，通过寻找一种新的试验方法，能够用某一具体的性能指标来比较准确地评价奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下的初期耐磨性是具有较强实际意义的。

20世纪70年代末，瑞典Upp sala University的O.Vingsbo等人将Charpy V型的单摆冲击试验机改装成单摆划痕试验机，并用单摆划痕试验机对一些常用的耐磨材料如低碳钢、铸铁及高速钢等磨料磨损行为进行了研究。如：梁亚南、李诗卓、李曙在1996年1月第16卷第1期的《摩擦学学报》杂志上发表《单摆冲击划痕法及其在磨粒磨损和冲蚀磨损研究中的应用》的文章，在比较了单摆冲击划痕法、滑动磨粒磨损和喷砂冲蚀3种试验方法对纯铜、铝合金、纯铁、低碳钢、不锈钢、铸铁、纯钛、镍钛合金和高速钢等9种常见材料的耐磨性能的评价后发现，在单摆冲击划痕试验中，9种试验材料的比能耗e均随划痕体积V的增大而快速下降，直到划痕体积分别降到一定值后趋于稳定。不同的材料，其比能耗稳定值各不相同，且单摆冲击划痕试验下比能耗稳定值的大小与其它两种试验方法所获得的耐磨性能的高低具有良好的对应关系，因而，可以用比能耗的稳定值来评价材料的耐磨性。沙江波、朱和祥、黎祚坚、袁鸽成和曾国勋在1998年3月第13卷第1期《实验力学》杂志上发表的《应用单摆划痕法研究SiCp/Al合金的冲击磨损行为》的文章也报道了，用单摆划痕法来评价复合材料及基体材料的冲击磨损行为，由结果描绘出的e-V曲线见两种材料的比能耗e与V值有相同的变化规律，随划痕体积增大，e值下降。毕红运，姜晓霞与李诗卓在1999年5月第11卷第3期《腐蚀科学与防护技术》杂志上发表的《Cl^-致脆对不锈钢磨蚀的影响及其判据研究》文章报道了，利用单摆冲击划痕实验机，测定了不同Cl^-浓度条件下材料表面划痕的长度随冲击能耗的变化及其比能耗值，并根据材料表面比能耗的下降情况，来判断材料在腐蚀及腐蚀磨损作用变脆的原因以及程度。而相似的同年同期发表的《Ti6Al4V合金氢致脆性磨损机制》的文章报道了，用高精度单摆划痕装置测量了不同腐蚀电位下腐蚀和腐蚀磨损过程中的比能耗、材料流失量、摩擦系数和动态硬度等。Lamy B.等人研究的准脆性材料的塑脆转变、Lamy等人研究的复合材料的磨损性能、Kennedy F.E.等人研究的封严材料的可刮削性、Lamy B.等人研究的膜基体系的界面结合强度和表层材料力学性能评价等方面应用。张松，张春华，王茂才等在2002年10月第38卷第10期《金属学报》杂志上发表的《TiC/Ti复合材料激光熔覆层的冲击磨粒磨损性能》的文章中采用单摆划痕实验装置测试原位合成TiC/Ti复合材料涂层的冲击磨粒磨损性能。上述文章均是采用了单摆划痕试验来研究材料的耐磨性的，并且，都是根据比能耗e-划痕体积V关系曲线的高低来判断材料的耐磨性能，如果材料的曲线趋势高于其它材料，则说明此种材料的耐磨性优于相比较的材料。但它们不论是在所研究的材料上，还是在对耐磨性评价方法时的试验参数选择上，均不能用来评价奥氏体高锰钢的初期耐磨性能，并且这些文献评价的材料的耐磨性是材料在一段时间间隔后的磨损量。而对在最初的几次强冲击载荷作用下奥氏体高锰钢的初期磨损量如何，则没有涉及，并且也没有考虑在初次载荷作用下奥氏体高锰钢表层外形尺寸变化的因素对初期耐磨性的影响。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明旨在公开一种评价强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性的试验方法，采用单摆冲击划痕实验测量并计算出比能耗，根据相同试验参数条件下比能耗的大小对奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下的初期耐磨性能进行评价。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种评价强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性的试验方法，包括如下步骤：

(1)利用单摆划痕试验机进行单摆冲击划痕试验：

a.将奥氏体高锰钢试样平放于实验机的样品台上，使其上表面平行于水平面，并调节样品台的高度，使试样上表面刚好接触到摆锤顶端的划头；

b.将摆锤升起至具有初始摆角θ的位置，并将标有分度角表盘上的指针调至对应位置，所述指针为惰性指针；同时，根据需要，调节样品台的高度使试样的上表面上升一定的高度，即台升ΔH；其中，摆锤的初始摆角θ从40°～70°，试样的台升ΔH高度从40μm～140μm；

c.释放摆锤，使摆锤在重力作用下沿其轴线摆动，在摆锤摆动的过程中，其前端的划头要划过试样的上表面并上摆至最大θ′角；同时，指针被摆杆带动转至对应位置；

(2)计算划痕形成过程中所消耗的能量E：根据试验机上角度指示盘所指示的划痕形成过程中摆锤摆动前后的摆角差，以及公式E＝MgL_c(cosθ-cosθ′)，计算摆锤的能量损耗E；其中M为摆锤的质量，g为重力加速度，L_c为摆杆的长度，即摆锤摆动轴线的中心到摆锤重心的距离，θ、θ′分别为划痕前、后摆锤的摆角，摩擦阻力和空气阻力的作用忽略不计；

(3)计算试样表面划痕的体积V：用读数显微镜和表面形貌仪分别测出划痕长度L及其最大横截面处的宽度B，并由

计算出划痕体积V；其中，根据图4可知，

(4)计算比耗能e＝E/V，并根据相同试验参数条件下比能耗e的大小，来判断奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下初期耐磨性的高低。

与现有技术相比，单摆冲击划痕法具有模拟磨粒磨损的微犁削和微切削作用以及用单颗磨粒以一定的冲击力划过材料表面时所具有的冲击能量加载的特点，而与奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下的工况条件较为相似；单摆冲击划痕试验条件下，比能耗e表征了划头以一定冲击力切削材料表层的难易程度，从而在反映了材料抗冲击磨损的能力，不同材料的比能耗e不同，显示出它们具有不同的抗磨性。所以，可以采取比能耗e表征在单摆冲击划痕条件下材料的抗磨性。

附图说明

图1为单摆划痕试验机的结构简图；

图2为摆锤升起的初始位置状态图；

图3为摆锤释放，划头划过试样表面后并到达最高位置时的状态图；

图4为单摆冲击划痕最大横截面积计算示意图。

图中，1、分度角表盘  2、指针  3、摆杆  4、摆锤  5、试样  6、样品台  7、划头。

具体实施方式

本发明的具体实施是在中国科学院沈阳金属研究所的单摆划痕试验机上进行的。其单摆划痕试验机的摆锤重量为300g，摆杆长度为375mm，摆锤顶端划头为圆锥角为90°的圆锥体，其材料为牌号为YG6的硬质合金。将ZGMn13奥氏体高锰钢试样分作4组，每组分别进行如下处理：仅作水韧处理和经水韧处理后，分别于400℃保温1小时、500℃保温1小时、600℃保温1小时以及600℃保温4小时进行时效处理，测得的平均硬度分别为：317HV、345HV、325HV、395HV、527HV。

进而进行评价强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性试验，其过程如下：实施例一：

经不同工艺时效处理后的高锰钢试样，在初始摆角θ为50°，台升ΔH为60μm的条件下进行了单摆冲击划痕试验。其试验结果见表1：

表1

可见，奥氏体高锰钢试样，经600℃时效保温1小时处理后，其比能耗值最大。

实施例二：

经不同工艺时效处理后的高锰钢试样，在初始摆角θ为50°，台升ΔH为100μm的条件下进行了单摆冲击划痕试验。其试验结果见表2：

表2

可见，奥氏体高锰钢试样，经600℃时效保温1小时处理后，其比能耗值最大。

实施例三：

经不同工艺时效处理后的高锰钢试样，在初始摆角θ为60°，台升ΔH为40μm的条件下进行了单摆冲击划痕试验。其试验结果见表3：

表3

可见，奥氏体高锰钢试样，经600℃时效保温1小时处理后，其比能耗值最大。

实施例四：

经不同工艺时效处理后的高锰钢试样，在初始摆角θ为60°，台升ΔH为100μm的条件下进行了单摆冲击划痕试验。其试验结果见表4：

表4

可见，奥氏体高锰钢试样，经600℃时效保温1小时处理后，比能耗值最大。

从上述实施例中可以看出，在初始摆角θ为50°、60°，台升ΔH分别为40μm、60μm、100μm的情况下，不论是哪一种冲击划痕试验条件下的冲击划痕试验，其试验结果均显示，在相同的冲击划痕冲击试验条件(即相同的初始摆角θ和台升ΔH)下，在不同工艺时效处理后的奥氏体高锰钢试样中，经600℃时效保温1小时处理后试样的比能耗e值均较大。因而表明，奥氏体高锰钢试样经600℃温度左右的时效处理后将具有较高的初期耐磨性能。但此时，奥氏体高锰钢试样的硬度既不是最高，也不是最低，而是处于所试验试样的硬度值之间。因而说明，单摆冲击划痕试验中比能耗的大小将由奥氏体高锰钢的硬度和塑性来综合决定。

与采用单摆冲击划痕试验，通过用比能耗稳定值的大小或比能耗-划痕体积曲线的高低来评价高硬度材料耐磨性高低的方法相比，本发明采用单摆冲击划痕试验，通过相同冲击试验条件(具体的某一确定的初始摆角θ和台升ΔH)下所获得的比能耗的大小来评价具有高形变强化能力的奥氏体高锰钢在强冲击载荷下的初期耐磨性高低的方法，不仅其评价方法简单易行，而且也更容易在现场生产中实现对奥氏体高锰钢甚至其它耐磨材料在强冲击载荷下的初期耐磨性的评价。

Claims (1)

1.一种评价强冲击载荷下奥氏体高锰钢初期耐磨性的试验方法，包括如下步骤：

(1)利用单摆划痕试验机进行单摆冲击划痕试验：

a.将奥氏体高锰钢试样平放于试验机的样品台上，使其上表面平行于水平面，并调节样品台的高度，使试样上表面刚好接触到摆锤顶端的划头；

b.将摆锤升起至具有初始摆角θ的位置，并将标有分度角表盘上的指针调至对应位置，所述指针为惰性指针；同时，根据需要，调节样品台的高度使试样的上表面上升一定的高度，即台升ΔH；其中，摆锤的初始摆角θ从40°～70°，试样的台升ΔH高度从40μm～140μm；

c.释放摆锤，使摆锤在重力作用下沿其轴线摆动，在摆锤摆动的过程中，其前端的划头要划过试样的上表面并上摆至最大θ′角；同时，指针被摆杆带动转至对应位置；

(2)计算划痕形成过程中所消耗的能量E：根据试验机上角度指示盘所指示的划痕形成过程中摆锤摆动前后的摆角差，以及公式E＝MgL_c(cosθ-cosθ′)，计算摆锤的能量损耗E；其中M为摆锤的质量，g为重力加速度，L_c为摆杆的长度，即摆锤摆动轴线的中心到摆锤重心的距离，θ、θ′分别为划痕前、后摆锤的摆角，摩擦阻力和空气阻力的作用忽略不计；

(3)计算试样表面划痕的体积V：用读数显微镜和表面形貌仪分别测出划痕长度L及其最大横截面处的宽度B，由公式最大横截面处的面积

及公式

计算出划痕体积V；

(4)计算比耗能e＝E/V，并根据相同试验参数条件下比能耗e的大小，来判断奥氏体高锰钢在强冲击载荷作用下初期耐磨性的高低。

Images