化学成分对材料性能和组织的影响分析

（一） 合金元素的选用原则

从合金元素的作用性质看，锰是最合适的替代元素。这是因为：①锰是较便宜的合金；②我国有丰富的锰资源；③锰能有效地降低奥氏体向珠光体转变的温度，扩大奥氏体区，增加奥氏体的稳定性和淬透性，并能显著地降低Ms点。锰的最大缺点是容易在晶粒边界呈正偏析和形成碳化物，从而降低材质的塑性与韧度。但是，对于所研究的抗磨材料来说，并不要求具有等温淬火球墨铸铁那样高的韧度。因此，充分发挥合金元素锰的有利作用，努力抑制或减小锰造成的危害，将会得到满足要求的组织和性能。

合金元素硅可以有效地抑制锰形成碳化物的倾向。在共晶凝固阶段，硅的加入可以使共晶点显著左移，从而使石墨化倾向增大，使石墨球析出增多，石墨球细化；在贝氏体形成阶段，由于硅抑制了碳形成碳化物的趋势，而相对地使奥氏体中碳含量增多，从而有效地稳定奥氏体。另外，硅在贝氏体中的固溶也会使强度和硬度有所提高。

硼的加入将有利于贝氏体转变。由于硼强烈推迟先共析转变，而对中温转变区的影响则很小，从而使贝氏体相变区相对左移，因而有利于在连续冷却的条件下获得贝氏体组织。

为此，合金元素锰、硅和硼的合理配比，能够获得以贝氏体组织为主，有一定量奥氏体的基体组织，达到抗磨材料所要求的性能指标。

（二） 锰对基体组织和性能的影响

在成分筛选阶段可以看到，随着锰含量的不同，对球墨铸铁的组织和性能的影响表现出较强的规律性。图12-1为随锰量变化铸态试样硬度的变化规律。硬度的这种变化规律，与组织的变化有很好的对应关系。随着锰量的增多，表现为硬度的提高。这是由于锰首先使铁素体含量减少，珠光体的含量增加；而后，随锰的增加，球光体含量也不断减少，而贝氏体量增加所致。当锰量继续增加时，贝氏体量增加的同时，奥氏体含量也不断增加，且贝氏体增加幅度较小，尺寸趋于粗大，而奥氏体增加幅度较大，由此使硬度值有所下降（见图12-1中凹谷）。但当锰进一步提高时，形成部分晶间碳化物，而使硬度稍有回升，出现第二个峰值。锰量的再提高，致使大部分锰溶于奥氏体中，对奥氏体的稳定性起了主要作用，从而使组织中有大量奥氏体存在，小部分形成碳化物。这样，奥氏体含量增多，硬度值也随之下降。但当硅含量为3．1%时，硬度值则表现出图12-2所示规律，此时没有第二峰的出现。此即由于硅含量较高，较好地抑制了碳化物的形成，使碳化物数量减少，而残余奥氏体随锰量的增加而不断增加，导致硬度下降。

图12-1　硅为2.8%时含锰量对铸态试样硬度的影响

图12-2　硅为3.1%时硬度值随含锰量的变化

图12-3是球墨铸铁正火状态下，基体组织随含锰量的变化情况。锰为1．34%时，组织中大都为珠光体，并有少量的牛眼状铁素体和奥氏体；当锰增至1．95%时，组织中大都为贝氏体，有部分奥氏体和极少量珠光体，表现出锰对共析转变有很好的抑制作用；在锰达到2．45%时，基体中基本上看不到珠光体的存在，而奥氏体含量较前有所增加，且有部分马氏体出现；锰为3．05%和3．60%时，奥氏体含量依次增加，贝氏体组织相对减少，并且在大块奥氏体中间有碳化物产生。这是由于晶间锰的浓度较大，即增加了晶间奥氏体的稳定性，同时，由于此处硅的浓度相对减少，难于抑制碳化物的形成。

图12-3　随含锰量变化的金相组织　300×

（a）1．34%Mn；（b）1．95%Mn；（c）2．45%Mn；（d）3．05%Mn；（e）3．60%Mn

另外，在对组织的观察中发现，随着锰量的增加，奥氏体含量不断增加。虽然含锰量增高有形成碳化物的趋势，但锰却不能在奥氏体中达到饱和。也就是说，随着锰含量的提高，锰在奥氏体中的溶解量也是递增的。图12-4为X射线衍射测得的残余奥氏体含量随锰含量的变化。

图12-5为锰对抗拉强度的影响，图12-6为锰对冲击韧度和硬度的影响。抗拉强度随含锰量的增加而下降，特别在锰大于2．5%以后下降幅度较大，锰含量在1．5%～2．5%区间时，强度值较大 （1000MPa以上）。冲击韧度随含锰量增加而呈下降趋势，在锰为2．0%～3．0%时，变化较平缓，冲击值保持在13J/cm2 左右。硬度值也是在锰为2．0%～3．0%时取得最大值，在50HRC以上。对照基体组织表明含锰量在2．0%～3．0%时，组织中以贝氏体组织为主，有一定量的奥氏体，而此时所表现出的综合机械性能也是最佳。

图12-4　含锰量对残余奥氏体量的影响

图12-5　抗拉强度随含锰量的变化(www.xing528.com)

图12-6　冲击韧度和硬度随含锰量的变化

对拉伸试样断口在扫描电镜下进行观察，结果见图12-7。图12-7 （a）、（b）均有较多的浅韧窝存在。这表明，贝氏体组织本身除具有较高的强度外，还具有一定的韧度，加之贝氏体片层间交替排列奥氏体的存在，使断口出现一些韧性撕裂带，并且二次裂纹也很少。图12-7 （c）由于主要基体为珠光体组织，因此断口大都呈现解理或准解理花样，产生的二次裂纹也较多。图12-7 （d）、（e）则由于锰量偏高，晶界处奥氏体含量较多，强度较低，而且，由于晶间碳化物的产生，使断口呈现较多的二次裂纹。

（三） 硅对基体组织和性能的影响

从图12-8中可看出，在含硅量为2．8%时，锰在2．0%时即出现了碳化物；当硅为3．1%，锰在3．0%才有少量碳化物出现；当硅提高到3．4%时，锰在3．5%以后才有部分碳化物析出。由此表现出，在锰为3．0%～4．0%时，硅越高，硬度值越低。

图12-9为测得的硅对残余奥氏体量的影响规律。当硅低于3．1%时，硅的增加使奥氏体的含量增加；但当硅高于3．1%后，随硅的增加，奥氏体含量不断下降。

图12-10为硅对基体组织的影响。硅为2．52%时，有大块碳化物产生，且针状组织较粗大；硅为3．4%时，碳化物得到较好抑制，针状组织细密；当硅升至4．5%和4．86%时，有牛眼状铁素体产生，且产生大量珠光体。

图12-7　扫描电镜下的拉伸试样断口形貌

（a）σb=1030MPa，2．32%Mn；（b）σb=911MPa，2．88%Mn；（c）σb=874MPa，1．34%Mn；（d）σb=776MPa，3．05%Mn；（e）σb=714MPa，3．60%Mn

（四） 硅锰比值 （Si/Mn） 对性能的影响规律

图12-8　不同含硅量对锰作用规律的影响

图12-9　含硅量对残余奥氏体含量的影响

考察Si/Mn比值对抗拉强度、冲击韧度和硬度值的影响，结果示于图12-11、图12-12和图12-13。数据回归方程为式（12-1）～式 （12-3）：

抗拉强度随Si/Mn比的增加而增加，在Si/Mn比为1．6～1．8时达最大值，且都在1000MPa以上，之后随Si/Mn比的增加而下降。冲击韧度表现出同样的规律，当Si/Mn比大于1．3时，冲击值都在15J/cm2 以上。硬度值随Si/Mn比的变化同样出现一峰值，Si/Mn比在1．2～1．5时，硬度值为50HRC以上，大于1．5时，随Si/Mn比的增大而降低。

（五） 硼对组织和性能的影响

图12-14为不含硼与含硼基体组织的扫描电镜照片。可以看出，含硼的组织中贝氏体针较不含硼的要细小而且增多。

图12-15为硬度和冲击韧度随含硼量不同的变化规律。硬度随硼的增加而不断上升，而冲击韧度则随硼的增加而下降。