淬火与回火温度对低合金马氏体钢变体选择及磨粒磨损行为的调控机制研究

研究人员针对低合金马氏体钢在矿业、冶金等工业领域面临的磨粒磨损问题，通过设计850°C/925°C淬火结合150-350°C回火的四种热处理工艺，系统研究了马氏体变体选择与磨损性能的关联机制。研究发现CP1/CP2变体主导的微观结构可提升耐磨性，而淬火温度升高导致的奥氏体晶粒粗化和回火温度升高引起的变体分布均匀化均会降低耐磨性。该研究为耐磨钢的微观结构设计提供了理论指导。

　　

在矿山机械、冶金设备等重工业领域，磨粒磨损如同"隐形杀手"，每年造成巨额经济损失。传统耐磨钢虽通过淬火回火(Q&T)工艺获得高硬度，但相同硬度下磨损性能差异显著的现象长期困扰着工程师们。这背后隐藏着一个关键科学问题：马氏体钢中24种晶体学变体的选择规律如何影响其耐磨性能？

中国某高校材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究揭开了这一谜题。研究人员选用成分为0.3C-0.6Si-1.3Mn-1.5Cr-0.3Mo-0.3Ni-0.05Nb(wt.%)的低合金钢，设计了四组热处理方案：850°C/925°C淬火+150°C回火(Q850/Q925)，以及850°C淬火+200°C/350°C回火(QT200/QT350)。通过先进的电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)技术，首次系统揭示了变体选择与磨损行为的定量关系。

研究采用多尺度表征技术：X射线衍射(XRD)定量分析残余奥氏体含量；动态载荷磨粒磨损试验机(MLD-10)评估耐磨性；结合EBSD和MTEX工具箱解析24种马氏体变体的K-S取向关系；通过SEM/TEM观察磨损形貌和碳化物分布。

【3.1 淬火组织对磨损质量损失的影响】
Q850样品因NbC析出钉扎效应获得均匀细小的原奥氏体晶粒(PAG，约16μm)，而Q925样品晶粒尺寸差异显著(10-80μm)。TEM显示Q850马氏体板条宽度(0.2μm)仅为Q925(0.4μm)的一半，这导致Q925磨损损失增加20.26%。

【3.2 回火组织对磨损质量损失的影响】
200°C回火时Cr-rich合金渗碳体开始析出，350°C回火后板条界消失。QT350样品磨损损失比QT200高44.85%，证实马氏体结构对耐磨性起决定性作用。

【3.3 淬回火状态性能与马氏体变体分析】
EBSD分析发现：Q850/QT200以CP1/CP2变体为主，Q925转为CP2/CP4主导，QT350变体分布趋于均匀。CP1中V2-V5等变体对形成的亚块界具有良好热稳定性，能有效抵抗回火软化。

【3.4 磨粒磨损机制分析】
所有样品均呈现表面疲劳磨损伴随微切削的特征。Q850塑性变形层最薄(约15μm)，而QT350达30μm。磨损过程经历跑合期、稳态期和剧烈磨损期三阶段，QT350在3-4小时即进入剧烈磨损阶段。

【3.5 马氏体变体对耐磨性能的影响】
统计表明CP1变体比例每降低5%，磨损损失增加8-12%。CP1中低角度晶界(LAGB)变体对(V1-V8)的热稳定性优于CP2，这是Q850保持最优耐磨性的关键。

这项研究首次建立了马氏体变体选择-微观结构-耐磨性能的定量关系，揭示CP1变体通过形成稳定的亚结构提升耐磨性的新机制。发现淬火温度升高导致的CP1→CP2/CP4变体转变会降低15-20%耐磨性，而回火温度升高引起的变体均匀化会使耐磨性进一步恶化30-45%。这些结论为开发新一代高性能耐磨钢提供了微观设计准则，特别指出在成分设计时应优先促进CP1变体形成。工业上可通过控制淬火温度在850°C左右、回火温度不超过200°C来优化耐磨性能，这对延长矿山机械易损件寿命具有重要指导价值。