粉磨破碎機械裝備核心耐磨零部件在服役時往往遭受到嚴重的磨損損傷，因而需要頻繁更換，一方面造成了大量的材料消耗，增加成本，另一方面會導致設備的停機檢修而嚴重影響作業效率，嚴重的甚至危害作業人員的人身安全。低合金耐磨鋼憑借其卓越的耐磨性能、經濟高效的成本優勢以及良好的加工性能，已經在交通、建筑、機械制造、礦山開采、電力能源以及化工等多個行業中得到了廣泛而深入的應用。然而，低合金耐磨鋼的強硬度和塑韌性通常互相制約，強度和硬度的增加一般會導致韌性和塑性的降低。調整關鍵元素，使得耐磨鋼強硬度和塑韌性達到理想匹配，是實際工況下耐磨鋼改性的關鍵途徑之一。

     Cr元素被認為是耐磨鋼中最重要的合金元素之一，其添加有助于碳化物的形成和淬透性的提高，并有望使其強度、硬度、韌性、耐磨性得到協同提高，有效的改善低合金耐磨鋼硬度和韌性的匹配。Xia等研究發現，在低合金耐磨鋼中添加0.51%Cr可以縮小奧氏體轉變區，促進馬氏體相變的發生，從而在提高強度和硬度方面更顯著。Javaheri等的研究結果表明，一種Cr含量為0.92％ 的中碳低合金馬氏體鋼在磨蝕條件下表面能夠形成加強層（White layer）而具有較好的耐磨蝕性。何強等的研究結果表明，Cr含量提升至5％時，合金鋼中易于形成碳化物，這一特性雖然顯著增強了鋼的硬度，但同時也明顯降低了其韌性，從而在一定程度上限制了合金鋼在多種應用場景中的廣泛使用。當前，國內外主流耐磨低合金鋼（如Hardox系列和NM系列）主要以Cr含量小于1.5％ 的鋼為主，而GB/T26651-2011《耐磨鋼鑄件》中則主要以Cr含量小于2.0％ 或者大于4.0% 的鋼為主。因而Cr 添加量在2.0%～4.0%之間的耐磨鋼是否能夠在保證韌性的前提下進一步發揮出更高的強硬度仍有待研究。

    耐磨鋼中與Cr 元素發揮作用息息相關的是碳元素含量。唐鵬等深入探討了碳質量分數分別為0.3%和0.4%的兩種淬火-配分（Q-P）馬氏體鋼的沖擊磨料磨損特性，結果表明，隨著碳含量從0.3%提升至0.4%，馬氏體鋼的抗沖擊磨料磨損性能出現了顯著下降（約7%）。關志強等［研究發現，當碳含量為0.38%時低合金耐磨鑄鋼具有較好的強韌性匹配。Wang等研究發現，當碳含量為0.46%時Cr-Si-Mn低合金鑄鋼在硬度、沖擊性能和耐沖擊磨損性能方面的綜合性能最好。可見碳含量是調控Cr系耐磨鋼組織與力學性能的關鍵因素。

      本文設計了一種Cr含量為3.3%的新型耐磨合金鋼，重點研究碳含量對該鋼組織和力學性能的影響，尋求使低鉻合金鋼達到更好的強韌性匹配的成分，以便為用于粉磨破碎裝備關鍵零部件的具有良好硬韌性匹配的耐沖擊磨損合金鋼提供支撐。

試驗所用低鉻合金鋼通過中頻感應爐進行精確熔煉，最終鑄造成25kg的鑄錠，具體化學成分如表1所示，并根據其碳含量的不同分別標記為0.27C、0.31C、0.36C及0.48C。為了獲得理想的馬氏體組織，對鑄態合金鋼試樣進行1000℃保溫3h后的空冷淬火處理，得到最終的淬火態試樣。

 利用線切割技術，從淬火態試樣上切割出尺寸為10mm×10mm×10mm的金相試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm的無缺口室溫沖擊試樣，以及標距段為10mm的板狀拉伸試樣。金相試樣經180~1500目砂紙逐級打磨和拋光后，采用苦味酸?鹽酸?酒精溶液（1g苦味酸＋100mL酒精＋5mL鹽酸）浸蝕10s，然后用Leica DMI3000M金相顯微鏡（OM）進行顯微組織觀察，并使用Nano m=Measurer軟件計算晶粒尺寸，用Gemini SEM300 掃描電鏡（SEM）觀察其組織并進行能譜分析（EDS）和電子背散射衍射（EBSD）測試，測試加速電壓為25kV掃描步長為0.18μm，EBSD試樣經打磨和拋光后再用高氯酸?冰醋酸（體積比1:9）電解液電解拋光210s，之后迅速置于酒精中超聲波清洗5~10min。采用HR-150型洛氏硬度計對低鉻合金鋼進行硬度測試，取5處不同位置測量結果的平均值。在室溫條件下采用JB-500擺錘式沖擊試驗機進行沖擊試驗，采用LF 5105型動態萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為1mm/min，每種試樣均進行兩次重復測試，取平均值為最終結果。

不同碳含量的低鉻合金鋼淬火后的光學顯微組織如圖1所示。從圖1可以看出，合金鋼淬火后的組織主要為馬氏體，原奧氏體晶界清晰，晶粒分明。進一步分析發現，隨著合金鋼中碳含量的逐步提升，平均晶粒尺寸有明顯減小。圖2為晶粒尺寸的定量測試結果，當碳含量為0.27%時，平均晶粒尺寸為82.46μm，而當碳含量增加到0.48%時，平均晶粒尺寸減小到53.61μm，晶粒得到細化，但細化效果在碳含量達到0.36%以上時不明顯。此外，從圖1還可以看出，當碳含量為0.27%時，馬氏體主要呈現出平行束狀的組織特征，且以板條馬氏體為主。然而，當碳含量升至0.31% 時，以平行束狀為主的馬氏體開始增多并呈交錯排列的形態，表明馬氏體主要以片狀馬氏體存在。

     不同碳含量的低鉻合金鋼淬火后的SEM顯微組織如圖3所示。與圖1和圖2的結果類似，合金鋼中碳含量的增加使得晶粒細化。這一趨勢不僅體現在晶粒尺寸的逐漸減小上，還伴隨著馬氏體板條長度的縮短，表明馬氏體也發生了細化。因此，碳含量的增加對于細化合金鋼的晶粒尺寸和馬氏體結構都具有積極作用。當碳含量增大到0.48%時，低鉻合金鋼中出現一些析出物，主要呈現出近球形，尺寸基本在幾十到上百納米級別。對比析出物及基體的能譜結果可以看出，析出物中主要存在Cr、Mo和C等元素的富集，表明其主要為Cr與Mo的碳化物。當碳含量增加時，組織內細小彌散的碳化物增多，顯著增強晶界與相界的釘扎作用，因此，晶粒以及馬氏體板條都得到細化。此外，從SEM 結果還可以觀察到，隨著碳含量的提高，合金鋼中出現了馬氏體/奧氏體島，表明出現了更多的殘留奧氏體，這主要與10000℃保溫時有更多的碳固溶入基體有關。碳是奧氏體穩定化元素，碳含量的提高會使奧氏體的穩定性顯著提升，從而在淬火后形成更多的殘留奧氏體。

     為了進一步明確碳含量對低鉻合金鋼微觀組織的影響，通過EBSD測試表征其顯微組織，如圖4所示。可以看出，不同碳含量的低鉻合金鋼晶粒取向及馬氏體取向相對均勻，無明顯傾擇優取向，表明碳含量對該低鉻合金鋼的晶粒取向沒有明顯影響。當碳含量為0.27%時，低鉻合金鋼的晶粒尺寸最大，馬氏體塊和馬氏體板條相對較大。隨著碳含量的增加，馬氏體板條尺寸逐漸變細。另外，在碳含量為0.27%和0.31%時，晶界之間存在少量大尺寸馬氏體板條，而在碳含量為0.36%和0.48%時未發現這種大尺寸馬氏體板條。

圖5為不同碳含量的低鉻合金鋼淬火后的硬度。可以看出，隨著碳含量的增大，低鉻合金鋼的硬度呈拋物線式的上升規律。當碳含量為0.27%時，低鉻合金鋼的硬度僅有42.2HRC，隨著碳含量增加，硬度快速升高，但上升幅度逐漸趨緩。當碳含量為0.48%時，低鉻合金鋼的硬度達到57.3HRC，相比于含碳量為0.27%時增加了35.7%。由微觀結構分析可知，當碳含量增加時，低鉻合金鋼中的馬氏體形態發生了明顯的轉變，即由板條狀逐漸轉變為片狀，而具有亞結構為孿晶的片狀馬氏體對硬度的提升作用更明顯。同時，碳含量的增加導致更多碳固溶入基體以及組織細化也是合金鋼硬度提升的主要原因。不過，隨著碳含量增加，低鉻合金鋼中出現了馬氏體/奧氏體，對硬度的提升有不利影響，使合金鋼硬度增幅變緩。

 圖6為不同碳含量的低鉻合金鋼淬火后的沖擊性能。可以看出，隨著碳含量的增加，沖擊吸收能量快速下降，與硬度的變化相反。碳含量為0.27%時的室溫沖擊吸收能量達到392J，而碳含量為0.48%時的沖擊吸收能量僅有27J，降幅達到93.1%。影響鋼鐵材料沖擊性能的因素較多，如基體相、晶粒大小、偏析缺陷、析出物等。從顯微組織分析結果可以推斷，對低鉻合金鋼室溫沖擊性能影響最大的是大量脆性的片狀馬氏體的出現。此外，硬脆碳化物的析出也有可能導致沖擊性能降低。

圖7不同碳含量的低鉻合金鋼淬火后的沖擊斷口形貌。由圖7（a ～d）可以看出，宏觀斷口可分為3個不同的區域：纖維區（A1、B1、C1和D1），放射區（A2、B2、C2 和D2）和剪切唇區（A3、B3、C3和D3），這些區域的相對面積是評估韌性的重要指標。對比宏觀斷口形貌可知，隨著碳含量的增大，剪切唇區的相對面積減小，放射區的相對面積增大，斷裂表面的塑性變形特征減弱，材料的沖擊性能降低，脆性增加。碳含量為0.27%～0.36%時合金鋼在斷裂時有明顯的塑性變形，為韌性斷裂特征，斷口凹凸不平，表明在斷裂過程中，裂紋擴展路徑更為曲折，韌性較高。而碳含量為0.48%時的斷口平齊，塑性變形不明顯，呈現出韌-脆混合斷裂特征，韌性相對較低。圖7（e～h）為放射區內的微觀斷口形貌，可以看出，斷口微觀形貌均以韌窩為主。對比可知，碳含量為0.27%時斷口上存在較多的韌窩，韌窩尺寸明顯較碳含量為0.31%和0.36%的更大，表明其塑性變形更大，韌性斷裂特征顯著，沖擊吸收能量更高。碳含量為0.48%時，韌窩數量明顯減少，出現解理斷裂特征。不過，微區內也可見一定數量的尺寸稍大的韌窩，這可能是因為組織中存在殘留奧氏體，在沖擊過程中以韌性方式斷裂，且由于殘留奧氏體一般分布于馬氏體或原奧氏體晶粒的界面處，能夠有效阻止馬氏體解理斷裂裂紋的快速發展。

 表2為不同碳含量的低鉻合金鋼淬火后的室溫拉伸測試結果。可以看出，碳含量的變化對低鉻合金鋼的強度和塑性均有一定的影響。隨碳含量的逐漸升高，低鉻合金鋼的屈服強度和抗拉強度均呈先上升后下降的變化趨勢。含碳量為0.36%時的強度達到最大值，抗拉強度為2138MPa，屈服強度為1038MPa，相比于含碳量為0.27%時分別增加了23.9%和25.4%，增幅接近。但是當碳含量增加到0.48%時，抗拉強度和屈服強度分別下降到2000MPa和1128MPa。隨著碳含量的升高，伸長率也呈現出先上升后下降的變化規律，碳含量為0.31%和0.36%時的伸長率較高，達到15%以上，但是當碳含量繼續增大到0.48%時，伸長率下降明顯，僅有6%，降幅達到60%。

 鋼的強度受多種因素的影響，包括基體組織、固溶元素、晶粒或微結構尺寸、析出相等。從顯微組織分析結果可知，隨著低鉻合金鋼中碳含量的增加，淬火后的馬氏體中的碳含量也相應增多、馬氏體形態發生變化，晶粒以及馬氏體板條發生了細化，導致強度上升。但當碳含量增大到0.48%后，由于碳含量的增多引起奧氏體穩定性增大，導致淬火后出現殘留奧氏體，使得鋼的強度有所下降。而鉻的碳化物析出增多且組織分布變得不均勻也使伸長率下降明顯。這些碳化物的區域更容易成為裂紋源，進而加速了低鉻合金鋼的失效與斷裂過程，最終導致其整體性能的降低。

1） 不同碳含量的含3.3%Cr合金鋼經1000℃淬火后合的組織以板條馬氏體為主。隨著碳含量從0.27%增加到0.48%，原奧氏體晶粒尺寸減小，馬氏體逐漸細化并轉變為片狀馬氏體，而且組織中出現了明顯的馬氏體/奧氏體島。當碳含量增加到0.48%時，有Cr與Mo的碳化物析出。

2）當碳含量從0.27%增加到0.48%時，低鉻合金鋼的硬度由42.2HRC升高到57.3HRC。主要原因是隨著碳含量的增加，基體馬氏體組織由板條狀逐漸轉變為片狀，對硬度的提升作用更明顯。同時，析出碳化物增多也導致合金鋼硬度升高。

3）當碳含量從0.27%增加到0.48%時，低鉻合金鋼的沖擊吸收能量由392J下降到27J，這是因為有較大脆性的片狀馬氏體出現，且有硬脆的碳化物析出，從而導致其沖擊性能降低。從斷口上也能觀察到，隨著碳含量升高，斷口剪切唇區域面積減少，放射區面積增大，且放射區內韌窩數量減少，與沖擊性能的變化對應。

4） 隨著碳含量的增加，低鉻合金鋼的強度先上升后下降。當碳含量為0.36%時強度達到最大值，抗拉強度為2138MPa，屈服強度為1308MPa，同時伸長率達到15%，具有較好的強韌性匹配。而碳含量進一步增加到0.48%時，強度有所降低，且伸長率下降明顯，這與組織中較多的片狀馬氏體以及殘留奧氏體和鉻的碳化物增多有關系。