熊 鹏，赵雷杰通信作者，张 孜，王艳辉，岳 赟，郝晓歌

(1.河北工程大学机械与装备工程学院，河北 邯郸 056000；2.河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471023)

0 引言

磨损是机械设备零部件三大失效形式之一。矿山、运输、冶金等行业使用的耐磨设备在使用过程中需要具有较高的耐磨性，以保证机器的正常运行。随着我国制造业高速发展，因摩擦磨损造成的经济损失逐年上升，有数据表明，仅2018年，我国因机械磨损造成的损失就超过4万亿元[1]。因此，开发新一代先进高强耐磨钢铁材料迫在眉睫，但摩擦磨损属于一种非常复杂的失效形式，受两个摩擦接触面的材料属性、相互作用方式、工作环境温度等诸多因素的影响[2]。

近年来，英国科学家Bhadeshia等[3-4]开发了一种具有纳米微结构的无碳化物贝氏体钢，该贝氏体组织的板条厚度为30～80 nm，残余奥氏体(RA)主要呈薄膜状与贝氏体铁素体板条(BF)平行分布。因其具有优异的综合力学性能而有望替代高锰钢、高铬铸铁和高速钢等传统耐磨钢铁材料，应用于矿山机械、重载设备及铁路轨道等领域。研究学者[5-8]就无碳化物贝氏体钢在不同摩擦磨损条件下的应用展开了广泛研究，一致发现无碳化物贝氏体钢表现出良好的耐磨性能。

本文从制备工艺设计、显微组织成分、化学元素及摩擦磨损-疲劳交互机理等影响无碳化物贝氏体钢摩擦磨损性能的方面进行综述，对其研究现状和发展前景进行总结，以期为提高无碳化物贝氏体钢摩擦磨损性能研究提供理论参考。

1 制备工艺设计对贝氏体钢摩擦磨损性能的影响

最常见的贝氏体钢生产工艺是利用Ms点以上等温转变或连续冷却获得贝氏体钢，而对于等温转变制备贝氏体钢最重要的物理参数便是等温温度和等温时间了。Wei等[9]研究了一种低碳钢在低于和高于Ms点的等温淬火后的组织和磨损性能，发现在低于Ms点的等温淬火中的预成形马氏体使得贝氏体转变加快，获得了更细的贝氏体板条，而耐磨性的提升受硬度和冲击韧性的的影响。

对于在较高温度下等温淬火的试样，较厚的贝氏体板条明显降低冲击韧性，导致质量损失增加，在较长的转变时间内，冲击韧性略有提高，但硬度降低。因此，质量损失在更长的等温时间内增加，在低于Ms点温度下处理的样品表现出最佳的磨损性能。对于在Ms点以下制备贝氏体钢能够提升力学性能，Moghaddam等[10]对比了不同等温温度下的纳米结构无碳化物贝氏体钢的滑动磨损行为，在230℃和320℃等温淬火的样品中，230℃下的等温转变温度可以获得更精细的微观结构。微观结构越细，微组分之间的界面数量越多，因此位错运动的障碍也越多，更高的位错阻力为塑性变形层提供了更好的支撑。研究认为，塑性变形层的性质、机械稳定性和厚度以及底层基体对塑性变形的抗力是决定材料耐磨性的主要影响因数。

现阶段，基于热处理工艺改善贝氏体钢的耐磨性能的思路主要是获得更细小的贝氏体组织，以此在磨损过程中为表层提供更强的抗塑性变形能力。高温轧制变形、激光重熔、电弧增材制造和深冷处理等[11-13]工艺相比于传统的等温淬火工艺均能进一步细化组织，提高强韧性及耐磨性，但以上工艺制备复杂、成本较高。

2 显微组织成分对贝氏体钢摩擦磨损性能的影响

金属材料的磨损行为在很大程度上取决于其微观结构。材料的微观结构决定了磨损性能，如硬度、加工硬化能力、粘合强度等。因此，通过控制无碳化物贝氏体钢的微观结构来优化磨损性能是非常重要的。Rezende等[14]研究了车轮钢贝氏体和珠光体组织的磨损行为，通过实验结果可知，贝氏体组织比珠光体组织具有更高的初始和最终硬度，从而降低了质量损失。贝氏体微观结构在体积上吸收了更多的塑性变形，减少了摩擦接触面的加工硬化层。Liu等[15]研究了残余奥氏体稳定性对冲击磨损耐磨性的影响，实验证明，残余奥氏体的高机械稳定性提高了贝氏体钢的耐磨性。然而，当残余奥氏体稳定性足以抑制残余奥氏体向马氏体的转变时，耐磨性恶化。

苏斌等[16]研究了无碳化物贝氏体车轮钢在高温环境下服役的力学性能与残余奥氏体稳定性的关系，发现测试温度在300℃时，热力耦合作用下的残余奥氏体稳定性最低，贝氏体车轮钢在高应变下保持高的加工硬化率，在此时具有最好的强度与塑性匹配。Shah等[17]研究了3种具有不同微观结构但硬度相似的铁合金的三体磨料磨损行为，虽然合金的硬度相似，但由于微观结构中磨损机制的不同，磨损率却截然不同。由于奥氏体应变诱导转变为马氏体，所以具有细贝氏体板条的无碳化物贝氏体钢具有更好的耐磨性。

虽然无碳化物贝氏体钢的优异耐磨性相比于其他钢种已经得到广泛证明，但依然无法解决碳元素在贝氏体钢中分配不均匀导致产生块状残余奥氏体的问题。在处于较高的应力应变状态下，薄膜状残余奥氏体在TRIP效应作用下会转变为马氏体，从而钝化裂纹尖端，避免裂纹向基体深处快速延伸，而块状残余奥氏体在磨损初期受到小应变影响就会转变为高强脆性马氏体，形成局部应力突增，反而促进微裂纹的扩展，从而加速摩擦磨损疲劳。

3 化学成分对贝氏体钢摩擦磨损性能的影响

合理调整钢铁材料的化学成分，是提高金属材料强韧性必不可少的方法。C是钢铁材料中最基本的合金元素，虽然增加C含量可显著提高钢的高强度和高硬度以及增加了残余奥氏体的含量，但材料的塑性韧性大大降低，且转变时间过长，严重影响工业化应用[3]。Gola等[18]对含碳量为0.3C和0.4C的无碳化物贝氏体钢进行了磨粒磨损实验测试，经过磨损后，表面浅层组织结构发生了不同程度的塑性变形，并且变形方向沿着磨损方向排列，而随着距材料表层深度的增大，组织结构变形程度也逐步降低，并且由于0.3C贝氏体钢的硬度远小于0.4C贝氏体钢硬度，在同样的应力水平下，硬度越低，材料的塑性变形越大。

陈颜堂等[19]研究了2种Si含量分别为0.34%和1.45%的贝氏体钢的冲击磨损性能。研究结果表明：Si含量为1.45%的贝氏体钢具有较强的加工硬化性能，经过冲击磨损试验后，表面较粗糙，因此其抗冲击磨损性能明显低于Si含量为0.34%的贝氏体钢。Al同样能够抑制碳化物析出并增加贝氏体转变驱动力，进而促进贝氏体转变。Wang等[20]总结了不同Al含量贝氏体钢耐磨性的影响，在干滑动磨损机制下，Al促进了磨损过程中氧化膜的形成，提高了耐磨性，在高温下，磨损表面被氧化膜覆盖，样品表现出磨粒磨损和粘着磨损机制，然而在低温下，磨损表面很难生成氧化膜，导致严重磨损。

其他诸如Mn、Ni、Cr、Mo等合金元素对于贝氏体钢性能的研究已有多次报道[21]。当前多种微合金元素(如V、Nb、Ti)复合作用机制对无碳化物贝氏体钢性能的研究还并未深入，通过微量元素的合理添加能够充分挖掘无碳化物贝氏体钢的性能潜力，对该钢的应用推广具有重要意义。

4 摩擦磨损-疲劳交互作用下对贝氏体钢摩擦磨损性能的影响

钢铁材料在摩擦磨损过程中常常伴随着疲劳损伤，摩擦磨损导致磨损-疲劳的失效行为与单一磨损失效或疲劳失效有所不同。它与摩擦磨损导致的表面材料流失、塑性变形和结构演变等都有关联，且在不同疲劳应力下的表现还有所差异[22]。

许多疲劳都是由裂纹的萌生和扩展而产生的。Kumar等[23]等对不同形态的贝氏体组织疲劳裂纹扩展行为进行了研究。结果表明，贝氏体铁素体和残余奥氏体形态最粗，残余奥氏体含量最高的试样裂纹扩展阈值最大；在不同的等温条件下，当裂纹尖端张开位移达到相应的贝氏体板条厚度时，试样达到了阈值；在裂纹扩展第二阶段，板条厚度最大、奥氏体含量最高的试样裂纹扩展速度略慢于其他试样，这可以归因于相变诱导的可塑性。Gao等[24]阐明不同形貌的残余奥氏体在亚表面疲劳裂纹萌生过程中的重要作用，小裂纹尖端前方的片间膜状残余奥氏体转变为马氏体，阻止了小裂纹的扩展，改变了主动滑移体系；然而，位于原奥氏体晶界处的块状残余奥氏体由于在残余奥氏体中更容易激活移，导致了沿晶疲劳裂纹。有实验证据表明，控制裂纹扩展的参数与贝氏体块体之间的晶体取向与相邻贝氏体板条滑移面之间的倾斜/扭转势能角有关[25]。

摩擦磨损-疲劳的交互完整系统包括了滚动、滑动、微动等多种磨擦形式，不过由于当前预测摩擦磨损-疲劳寿命的重点，主要在于疲劳中小裂纹在磨擦层内的形成和延伸等阶段，因此导致失效的疲劳小裂纹必须是先受接触面和表面塑性变形的影响。研究在摩擦磨损-疲劳交互作用下的断裂形成和延伸规律和行为机制，是解决预测摩擦磨损-疲劳寿命的重要工具[26]。

5 总结与展望

无碳化物贝氏体钢是钢铁耐磨材料发展中最具前景的材料之一。与传统的耐磨钢铁材料(高锰钢、高铬铸铁、高钒高速钢)相比，无碳化物贝氏体钢合金元素设计成本低廉、制备工艺简单，其提高耐磨性的途径主要是：获得高强韧性的基体组织，细化亚结构。因此，开展无碳化物贝氏体的摩擦磨损机理研究，对于丰富摩擦学理论和拓展耐磨金属材料领域具有重要意义。

1)现阶段长时间的制备周期是制约无碳化物贝氏体钢工业应用所面临的主要困难，需要开发新型复合工艺来缩短制备周期及获得更加稳定细小的基体组织。

2)目前合金成分还须不断优化，进一步研究添加元素、辅助添加相对无碳化物贝氏体钢抗磨的影响作用，获得成分-组织结构-摩擦磨损机理的对应关系。

3)基于摩擦磨损性能、力学性能和其他性能的需求，调控无碳化物贝氏体中关键组织结构的形态、分布和界面关系，解决传统金属材料中摩擦学性能与其他性能难以平衡的问题。

4)研究无碳化物贝氏体钢在不同工况条件下的磨损机制具有重大实际意义，为解决苛刻工况下传统合金磨损严重的难题指明了方向。