论文总字数：25801字

摘 要

高速钢具有高硬度、高耐磨性、良好的红硬性等优点，被广泛应用于制造各种切削刀具等。碳化物是钢中极其重要的组织组成部分，其对高速钢的性能起着关键作用，碳化物的种类、形态、分布情况等都会影响高速钢的各项性能。现有研究多从碳化物形貌、分布的均匀性等单方面从静态分析其对高速钢的影响，鲜有系统、动态的研究。针对以上问题，本文对D2、Cr8与W18高速钢分别进行原位拉伸、压缩与弯曲测试实验，通过实时追踪观察碳化物的断裂行为，研究不同形态碳化物的断裂机理及其相互对比。

通过归纳分析得知，不规则形状碳化物最先出现微裂纹，长条状碳化物次之，块状碳化物最不易开裂。碳化物分布越密集越容易产生裂纹，块状碳化物尺寸越大越容易产生裂纹，碳化物形状越规则越不易开裂。

裂纹最先从碳化物受力截面积的最小处产生。碳化物原先即存在的裂纹会成为裂纹扩展源，应力集中从原有裂纹处释放使得碳化物其他部分不易产生裂纹。但是不规则形状的碳化物不遵循此规律，因为其形状所造成的应力集中更严重。

碳化物在拉应力下的断裂在瞬间发生，贯穿整个碳化物。碳化物在压应力下的裂纹萌生于碳化物的某一侧，然后向相对的另一侧扩展，最终导致碳化物整体断裂。

材料受拉应力时，碳化物与基体界面容易萌生裂纹。材料受压应力时，碳化物裂纹处的基体变形会加速裂纹的扩展。

关键词：高速钢，碳化物，断裂行为，原位实验

Abstract

High speed steels are widely used as cutting tools for its high hardness, good wear resistance and excellent red-hardness. Carbides are the important part of the high speed rolls. The types, shapes and distribution of carbides will affect the performances of the high speed steels. It is studied that the separately effect of the types, shapes and distribution of carbides to the high speed steels in the static ways. In this paper, D2, Cr8 and W18 high speed steels respectively take the in-situ tensile, compression and bending test experiment. The fracture behavior of carbides with different forms are real-time tracking observed in order to study their fracture mechanism.

By the analysis of the in-situ experiment, the crack of carbides with irregular shape firstly appeared, carbides with strip shape secondly and the carbides with bulk shape is the most difficult to crack.

The crack first produced from the minimum of the force section of the carbide. The stress concentration of the crack will be relieved by the existing crack of carbides. However, the carbides with irregular shape don’t follow this law because of the more serious stress concentration caused by the irregular shape of the carbides.

In the tensile stress, the fracture of the carbides is happened at the instant. In the compression stress, the crack is initiated at one side of carbides and extends to the opposite side, resulting the fracture of the overall carbides.

In the tensile stress, the grain boundary of carbides and matrix is easy to crack. In the compression stress, the crack of carbides will be accelerated by the deformation of the matrix.

Key words: High speed steel, carbide, behavior of fracture, in-situ experiment

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1引言 1

1.2高速钢的发展与性能 1

1.2.1高速钢发展历史与现状 1

1.2.2高速钢发展趋势 2

1.2.3高速钢性能特点 3

1.3高速钢中主要碳化物 4

1.3.1 MC 4

1.3.2 M₂C 4

1.3.3 M₆C 5

1.3.4 M₇C₃ 5

1.4原位测试技术 5

1.5课题研究目的与研究内容 6

1.5.1课题研究背景与意义 6

1.5.2课题研究内容 7

第二章 研究路线及方法 8

2.1研究路线 8

2.2实验材料 8

2.2.1 D2 8

2.2.2 Cr8 9

2.2.3 W18 9

2.3实验设备 10

2.3.1 FEI Sirion400 10

2.3.2 Deben MICROTEST 10

2.4实验分析方法 11

2.4.1成分测试 11

2.4.2硬度性能测试 11

2.4.3碳化物分类统计 11

第三章 碳化物开裂行为原位拉伸研究 12

3.1长条状碳化物断裂行为 13

3.2块状碳化物断裂行为 14

3.3不规则形状碳化物断裂行为 16

3.4不同形态碳化物对比 17

3.5小结 18

第四章 碳化物开裂行为原位压缩研究 19

4.1长条状碳化物断裂行为 19

4.2块状碳化物断裂行为 20

4.3不规则形状碳化物断裂行为 23

4.4不同形态碳化物对比 24

4.5小结 26

第五章 碳化物开裂行为原位弯曲研究 28

5.1 D2原位三点弯曲实验 28

5.2 Cr8原位四点弯曲实验 29

5.3小结 33

第六章 结论 34

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪 论

1.1引言

材料是人类发展的物质基础。大千世界存在着数不胜数的金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料，他们推动着人类文明走过石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代、电子时代，直至今日的新时代。而在人类科技的发展中，钢铁扮演着十分重要的角色，从建筑、工业、军事等传统行业到电子、生物、航天航空等新兴产业，钢铁就像人类的血液一样静静流淌过全身。随着现代科技的进步，尤其是高分子、陶瓷和复合材料的高速发展，以致在许多领域开始吞噬钢铁产业，因此不少人认为钢铁行业正步入死亡。但由于铁元素蕴藏量丰富，钢铁技术装备成熟，可回收性强，价格低廉等优势，钢铁仍是目前世界上使用量最大、用途最广、使用最可靠的结构材料。在可以预见的将来，其主导地位也将难于撼动。

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