M42高速钢耐磨和冲击疲劳性能研究

作     者：刘钰 

作者单位：河北科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏孺

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：高速钢 碳化物 耐磨性 冲击疲劳 残余应力 

摘      要：M42作为高性能高速钢,具有高硬度、高耐磨性和较好的抗冲击疲劳性能,被广泛应用于切削刀具和冲头材料。其服役失效形式通常为磨损和疲劳的破坏断裂,然而在M42高速钢服役性能与微观组织和残余应力的关联性研究上缺乏详细报道。本文以M42高速钢为研究对象,重点研究残余应力、微观组织演变对其磨损性能和冲击疲劳性能的影响规律,揭示性能损伤和组织损伤机制。对比分析了中国河冶(HYM42)和日本不二越(NM42)M42高速钢的微观组织和磨损性能。研究发现,HYM42和NM42的回火态组织由回火马氏体基体和大量分布在基体的碳化物组成。NM42高速钢的耐磨性要高于HYM42高速钢,HYM42钢和NM42钢的磨损机制均为黏着磨损、磨料磨损和轻微氧化磨损。尽管两种钢的磨损表面粗糙度相当,但NM42钢的磨损变形划痕分布更均匀,而纵剖面形貌观察发现HYM42钢的塑性变形层较深。硬度更低,碳化物含量较少,是HYM42钢摩擦磨损性能不如NM42的原因。采用正交实验法建立了M42高速钢的磨损机制图,并结合磨损表面形貌分析了M42高速钢的磨损损伤机制。根据磨损率差异,磨损图分为三个区域:轻微磨损、中度磨损和剧烈磨损。随接触应力和滑动速度的增加,高速钢的损伤机制经历了三重演变:犁削+极少量碳化物剥落造成的微孔洞→轻微分层剥落+较多碳化物断裂和剥落造成的微孔洞→较严重分层剥落+大量碳化物断裂和剥落造成的微孔洞,碳化物断裂和剥落是M42高速钢磨损服役损伤的主导因素。建立了以三维形貌特征参数(R、R)、碳化物开裂或剥落面积比(Acarbide)作为综合评价耐磨性(w’)的指标,结合灰色关联度法和熵值法确定了耐磨性和磨损损伤的服役评价体系:w’=0.4565 R+0.4317 R+0.1118 Acarbide,并发现w’大于0.9222时磨损损伤较严重。采用冲击疲劳实验机研究了HYM42和NM42高速钢的冲击疲劳性能。结果表明,高速钢疲劳寿命与冲击能量之间的关系可分别定量表征为:lg E=3.84-0.69 lg N和lg E=3.37-0.64 lg N,随冲击能量增加,冲击疲劳寿命降低,相同冲击能量时,HYM42高速钢的疲劳寿命要优于NM42。裂纹形貌观察发现,疲劳裂纹主要萌生于试样表面或大尺寸碳化物(≥10μm)与基体之间的界面,同时会沿塑性流变层与基体之间的界面或原奥晶界发生扩展。此外,小尺寸碳化物(1-3μm)可阻碍裂纹扩展或改变裂纹扩展方向,有利于延缓裂纹扩展速率,对疲劳性能有利。采用日本理学Automate-ⅡX射线衍射仪研究了M42高速钢实际冲头热处理前后的残余应力分布规律。结果表明,M42高速钢实际冲头在挤压态下,冲头尖端横向残余应力为拉应力,冲头底部横向残余应力为压应力,最高能达到-600MPa;经热处理后,冲头的轴向残余应力大部分为压应力,冲头根部的横向残余应力由压应力转变成拉应力,根部残余拉应力为冲头使用过程中断裂的主要原因。