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基体和硬相性能对含粗硬相耐磨金属材料划痕和复合行为的影响
F. Pouml;hl , A. Mohr, W. Theisen
摘要：现代耐磨材料，例如冷加工工具钢，由嵌入较软金属基体中的较大量的硬相组成。因此，磨损行为由机械复合性能控制，机械复合性能取决于单相性能(例如硬相类型和基体条件)、体积含量、形态和分布。为了开发具有合适摩擦学性能的材料，为了更好地理解磨
损过程，必须精确地了解这些影响因素及其复杂的相互作用。本文通过实验和数值研究了含粗硬相的热作工具钢基体、硬相性能和体积含量对划痕行为和力学性能的影响。采用火花等离子体凝固( SPC )技术制备了由热加工工具钢基体和不同埋置硬质相组成的显微组织。通过随后的热处理(硬和软基体条件)控制基体条件。为了分析纳米压痕的单相性质，进行了划痕试验和原子力显微镜研究。数值模拟(有限元法)表明，也可以根据测量的单相特性来预测复合材料的力学性能。研究结果揭示了单相和复合性质之间的相互作用及其对划痕行为的影响。
1.介绍：在许多应用中，部件例如破碎机、挤出机或斜槽面临明显的磨损，导致与维护、生产率或故障相关的成本。由于磨料磨损的过程高度依赖于特定的摩擦学系统并且涉及复杂的表面相互作用。在这种情况下，了解材料在磨料磨损条件下的局部变形行为，对于理解和开发具有优异摩擦学性能的新材料至关重要。
现代耐磨材料通常由嵌入较软金属基质中的较大量的硬相组成。因此，宏观复合磨损行为由单相相互作用控制，主要由单相性质决定。然而，通常不可能将诸如硬度或屈服应力的单个机械参数与耐磨性相关联。在受控实验条件下系统分析磨料磨损行为的一个机会是使用划痕试验。虽然磨损强烈依赖于摩擦学系统，但划痕试验结果可以与磨料磨损行为相关联，并可用于分析多相材料在磨料磨损条件下的局部变形行为。刮伤的材料和相通常以磨损的活性微观机制为特征。ZUM GAHR引入的fab参数允许分析微犁削和微切削两种微观机制，并给出了划痕行为的重要信息。
本文分析了热加工工具钢基体( X40CrMoV 5 - 1，两种不同强度条件下)中不同硬相( NbC、WC和VC )对划痕行为的影响。首先，利用纳米压痕法对单相材料的力学性能进行表征。其次，通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对各相的抗划伤性进行了测试和分析。根据ZUM GAHR引入的fab参数，对其作用机理进行了量化，并与单个机械性能相关。在单相划痕行为的基础上，扩展了fab参数，以描述具有粗嵌入硬相的微结构的体积划痕长度损失。从微观结构影响(硬相类型、基体条件和体积分数)的角度讨论了这种方法的应用和机会。此外，还利用数值模拟方法预测了含粗硬相的多相耐磨材料的复合性能。
2.材料和方法
2.1 .材料和加工
研究了不同埋置硬质相的金属钢基体的显微组织。作为基体，使用马氏体可硬化热加工工具钢X40CrMov 5 - 1和硬质相NbC、WC和VC。采用火花等离子体凝固( SPC )技术制备了不同埋置硬质相的多相组织。这是通过将x40crmov 5 - 1和相应硬相类型的粉末与随后的SPC工艺混合来实现的。在SPC过程中，混合粉末被压缩并在毫秒内烧结成两相微结构。处理时间短，避免了基体与硬质相之间的扩散反应。SPC处理后的x40crmov 5 - 1由于快速加热和随后的淬火，组织由马氏体和残余奥氏体组成。该条件在下文中称为X40 ( SPC )，并且表示高强度矩阵条件。为了研究基体强度试样在600℃回火2小时的效果，下文中将其称为X40 (回火)并代表低强度基体条件。结果表明，基体X40 ( SPC )和X40 (回火)以及嵌入的粗碳化物NbC、WC和VC形成了显微组织。
2.2 .压痕试验
为了测量单相的局部机械性能，使用了配备有Berkovich金刚石尖端的公司纳米机械型iMicro的纳米压痕模块。硬相的最大施加负载为20mn，基体的最大施加负载为1000 mN。加载和卸载速率相当于应变速率0.2 % / s。在最大负载下，建立了1s的停留时间。它使用动态测试方法，允许测定硬度和杨氏模量作为压痕深度的函数。根据OLIVER法和PHARR法计算了压痕硬度h1和杨氏模量E。为了比较的目的，压痕硬度Hi根据等式转换为维氏硬度值。虽然对于小于6微米的压痕深度不推荐使用。为了比较的目的，压痕硬度Hi根据等式转换为维氏硬度值。虽然不建议压痕深度低于6微米。此外，还计算了弹性压入功Wel与总压入功Wtot之比。
2.3 .划痕试验
划痕试验使用CSM型NST公司的划痕试验装置进行，该装置配备有球形圆锥形金刚石刀头(半径r 10 mu;m )。施加的法向力与100 mN保持恒定，划痕速度为500 mu;m / min。在划痕试验之前，以3mn的法向负载进行预扫描以考虑样品表面的潜在倾斜。
图1 荷载-位移曲线( P - h曲线)的示意图，带有图示
塑料的(Wpl），弹性的(Wel），和总压痕能量(W tot)（Wtot = Wpl Wel) .
2.4 .扫描电子显微镜和原子力显微镜
为了分析划痕行为，用扫描电子显微镜( SEM，Tescan Mira3型)和原子力显微镜( AFM，Bruker型纳米)研究了划痕槽。AFM在接触模式下工作，扫描速度为10–40 mu;m / min。用ImagePlus软件( 2.9版)对划痕进行数据评估和三维可视化。AFM图像能够确定fab参数，fab参数通常用于描述微磨损机制的相对分数微切削和微犁。参数，由等式给出。对于给定的划痕横截面，将沟槽沟槽( Av )的面积与沟槽( A1和A2 )旁边的犁过的材料的面积相关联(见图2 )。
假定具有体积一致性的纯塑性变形，零值对应于所有材料被推到侧面的理想微犁削，而值1对应于所有材料被削去的理想微切削。介于0和1之间的值表示两种机制的组合。为了确定fab参数，平均相应相的至少五个划痕轮廓。
2.5 .有限元法建模
采用数值模拟方法预测了粗硬相多相耐磨材料的宏观力学性能。为此，建立了模拟单轴变形行为的有限元模型，计算单轴应力
图1。载荷-位移曲线( P - h曲线)示意图，表示塑性( Wpl )、弹性( Wel )和总压痕能( Wtot = Wpl Wel )。
应变曲线。采用商用有限元软件ABAQUS ( 9.11版)进行了数值模拟。弹性遵循胡克定律，而J2冯米塞斯流动理论用于模拟塑性。材料行为遵循各向同性硬化的路德维克幂律( Eq .( 3 ) )。它由三个独立的参数描述:强度系数K、应变硬化指数n和杨氏模量e。
图2痕槽(横截面)示意图，包括f的区域A1、A2和Avab参数，在祖格哈尔之后。
通过压痕试验和反分析确定了X40CrMov 5 - 1和碳化物数值模拟的材料参数。在碳化物的情况下，考虑了通过纳米压痕测量的杨氏模量，并且假设塑性变形行为是理想的塑性而没有应变硬化( n 0 )。采用[ 8，9 ]中描述的有限元模型，计算了不同屈服应力下理想塑性杨氏模量的加载曲线。然后，通过调整屈服应力，减小了数值计算和实验测量的载荷曲线之间的偏差。图3示出了碳化物的模拟和测量的负载曲线，用于最小化偏差和发现的屈服应力。在低负荷下，数值确定的曲线显示系统偏差。它们被转移到较低的力，这相当于通过模拟低估了强度。造成这种现象的主要原因是实验中使用的压头的ISE和尖端圆角。在实验中，两者都导致测量强度随着压痕深度的减小而增加。有限元模拟没有考虑这种影响。但是，在较高的压痕深度处，这种效应是饱和的，这使得对于较高的压痕深度，模拟和实验之间有很好的一致性。在金属材料以及硬质相(例如碳化物)的情况下，ISE是已知的现象，例如在[ 10–12 ]中描述的。测定的所有碳化物的材料参数总结在表1中。在X40CrMov 5 - 1矩阵的情况下，假定典型的应变硬化指数为n 0.1。在杨氏模量为210 GPa和n 0.1的情况下，类似于碳化物测定屈服应力(图3 )。计算的材料参数也在表1中给出。
模型的几何形状、网格和边界条件示于图4中。该区域由具有直径d = 20 mu;m的嵌入球形硬相的基体组成。该区域在x方向上以恒定位移移位，并由沿y - z平面的固定轴承和沿z方向的边缘处的浮动轴承支撑(见图4 )。用x方向反力计算单轴真实应力，用x方向位移计算真实单轴应变。
图3用于基体和碳化物材料参数反演的实验测量和数值计算载荷曲线。
表1 压痕加载数值模拟得到的力学参数曲线和逆分析
格由C3D10和C3D20R元素组成，总数约为。70，000，这取决于包括域的尺寸l的硬相的相应体积含量(见图4 )。
为了探讨划痕槽下残余应力对fab参数的影响，建立了划痕模型。在模拟过程中，首先将刚性球锥压头(尖端直径d = 20 mu;m )以恒定位移垂直推入单相材料中。其次，压头水平移动(刮擦)通过材料。材料行为也遵循具有各向同性硬化的路德维克幂律( Eq .( 3 ) )。分析的模型材料的材料参数为: K = 433兆帕，n 0.1，E 130兆帕。该模拟捕捉到了理想的微耕机，因为没有考虑到损坏和质量损失。有关FEM模型的详细信息，请参阅[ 13，14 ]。
3 .结果
图5显示了x40crmov 5 - 1钢在两种研究条件下的显微组织。由于快速淬火，as SPC条件是由马氏体和在前奥氏体晶界处的残余奥氏体组成的硬化条件。退火后的组织由强度较低的回火马氏体组成。图6表示作为压痕深度的函数的压痕硬度。对于所有研究的材料和相，在低压痕载荷下硬度趋于增加。对于压痕深度大于约。100 nm这种效应是饱和的，并且硬度基本保持恒定。硬度增加的原因主要归因于众所周知的ISE，其也可发生在硬相的情况下。为此，在每种材料和相上分别对至少五次测量的100 nm至200 nm的机械参数进行平均。导出的机械参数总结在表2中。作为硬质相基体的x40crmov 5 - 1在两种热处理条件下硬度最低。as SPC马氏体显微组织的转换维氏硬度值为866 HV，回火状态为710 HV。硬质相服从硬度值，介于约2000高压和2800高压。VC的硬度最高，其次是碳化钨和丁腈橡胶。与硬相相比，两种基体条件的杨氏模量和弹性与总压痕功之比Wel均较低。图7示出了不同硬相和x40crmov 5 - 1基质中的划痕。
图4用于基体和碳化物材料参数反演的实验测量和数值计算载荷曲线。
图5 (a )用于计算由硬相组成的多相微结构的复合性能的有限元模型的几何形状和边界条件嵌入较软的钢基体中。硬质相直径为20 mu;m，长方体边长l为44mu;m， 和35 mu;m，体积含量分别为10 %和20 %，
( b )有限元模型的网格，以及( c )基体中硬相的立方中心排列。
图6x40crmov 5 - 1组织在( a )为SPC和( b )回火条件下的SEM图像。
表2
纳米压痕法测定力学性能，计算参平均为至少五次测量的100纳米至200纳米。
在x40crmov 5 - 1基体中可以观察到最深的划痕槽，而马氏体as SPC条件与回火条件相比具有稍低的划痕深度和宽度(也参见图10 )。所有硬相导致划痕深度和宽度的减小。划痕槽的过渡(基体碳化物)相对平滑，在与碳化物接触之后深度和宽度即将减小。在所有碳化物的情况下，可以观察到过渡区域处的孤立裂纹(见图8 )。图9示出了基质和不同硬相中划痕的形貌轮廓图(通过AFM测量)。3d可视化在图10中给出。观察到两种基质都充分支持粗硬相和划痕碳化物的行为不受基体的影响。因此，对于两种基体条件，仅代表性地示出嵌入X40 (作为SPC )中的碳化物的划痕。从图中可以看出，X40CrMov 5 - 1的两种情况下的划痕深度都相对较深，边缘处堆积较大。回火状态具有较高的划痕深度，相对于较深的划痕深度，堆积物略有减少(也参见图11 )。所有碳化物导致划痕深度和宽度的明显减小以及堆积的减少。图11示出了垂直于划痕方向的高度轮廓。在碳化物的情况下，VC具有最低的划痕深度，其次是NbC和WC。根据方程式。( 2 )用高度剖面计算fab参数。图12示出作为硬度的函数的fab参数和划痕槽区域Av。fab参数通常随着硬度的增加而增加，而划痕槽面积Av随着硬度的增加而减小。尽管WC的硬度比VC低约300 HV，但其fab参数略高于VC。此外，碳化物WC还具有比NbC更高的划痕槽面积，尽管其硬度比NbC高约400 HV。第四章在测量fab参数和沟槽面积Av的基础上，对硬相的有效性和体积含量的影响进行了简化分析。
为了预测复合材料(嵌入粗硬相的基体)的宏观力学性能，进行了有限元模拟。图13示出嵌入两个基体中的球形硬相( d20 mu;m )的体积含量对宏观应力应变行为的影响。正如可以看到的，所有嵌入的硬相随着应力-应变曲线移动到塑性区中的较高应力而导致强度增加。硬相体积含量越高，强度增加越大。韧性，屈服应力没有增加。只有在大约0.5 %的塑性应变下，强度增加才变得显著。图14a )证明屈服应力几乎不受碳化物添加的影响。令人惊讶的是，强度的增加几乎与碳化物类型无关。对于给定的体积含量，所有碳化物的增加基本相同。与来自图14的屈服应力相反，显然化合物杨氏模量取决于体积含量和碳化物类型。嵌入碳化物的杨氏模量越高，其体积含量越高，复合杨氏模量越高。
4 .讨论
划痕行为分析的基础是ZUM GAHR [ 1 ]引入的fab参数。零值对应于没有任何质量损失的理想微耕机。所有材料被推到侧面，导致在划痕旁边堆积。堆积
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