研究多种钢材韧性和硬度在特定环境下进行测试

在显微镜下研究各种钢材的材料性能

2019年10月至2020年10月，我们利用电子显微镜等设备测试了各种钢材在特定环境下的韧性和硬度，帮助玩家选择最适合自己的钢材。 这是一个巨大的工作量，因为在显微镜下找到一种钢材是比较简单的，但之前没有做过几十种钢材的比较，我们为此付出了很大的代价。 从上图可以看出，碳含量和碳化物含量对刀具的韧性和锋利保持性乃至切削能力都有影响。

粉末钢

粉末钢有利于保持碳化物细小且分布均匀，但提高热处理温度会影响碳化物，使碳化钒显着增加。

Z-凝灰岩 (1925°F) = 3% 碳化物体积

3V (1925°F) = 5% 碳化物体积

4V (1975°F) = 8% 碳化物体积

10V (1800°F) = 16% 碳化物体积

15V (1900°F) = 23% 碳化物体积

Rex 121 (1925°F) = 32% 碳化物体积

您可以看到，随着碳化物的增加，碳变得更大且“更块”。 更多的碳意味着更低的韧性，但更高的耐磨性。

Maxamet (1975°F) – 碳化物体积 22%

制造方法的效果

您可以通过另一篇文章了解粉末钢的制造原理。 粉末钢可以有效减少和最大限度地减少碳化物的存在。 从传统金属与粉末钢的比较可以看出：

传统铸锭 CruWear (1975°F)

Z-Wear/CPM-CruWear (1975°F) – 10% 碳化物体积

还有一种“喷涂”技术，它比粉末钢便宜，但在生产过程中会导致碳化物出现。 通过查看传统的D2、SPRAYFORM PSF27和CPM D2，可以看到这三种生产工艺的比较。

传统 D2 (1900°F)

PSF27 (1925°F) – Sprayform D2

CPM D2 (1900°F) – 粉末冶金 D2 – 碳化物体积 13%

并非所有传统钢材都具有相同的组织结构。 与M2高速钢相比，具有更细腻的分布点。

传统生产的 M2 (2100°F)

低碳不锈钢

一般来说，平衡后减少碳化铬含量，以降低碳化物含量，提高韧性。

AEB-L (1975°F)

LC200N/Cronidur 30/Z-Finit (1905°F)

硝基-V (1950°F)

14C28N (1950°F)

中碳不锈钢效果图

X50Cr15MoV/1.4116 (1925°F) – 区域 1

X50Cr15MoV/1.4116 (1925°F) – 区域 2

粉末不锈钢

粉末钢含碳量较高且分布均匀

Niolox (1975°F) – 区域 1

Niolox (1975°F) – 区域 2

S35VN (1975°F) – 15% 碳化物体积

CPM-154 (1950°F) – 碳化物体积 16.5%

B75P (1975°F) – 粉末冶金 BG-42

Vanax (1975°F) – 18% 氮化物和碳化物体积

Elmax (1975°F) – 19% 碳化物体积

XHP (1950°F) – 碳化物体积 21%

S90V (2050°F) – 碳化物体积 21%

20CV (2140°F) – 碳化物体积 22%

您可以看到不同成分甚至相似成分的碳化物会产生不同的性能，将 Vanax 与 B75P 或 Elmax 进行比较，您会发现 Vanax 的颗粒明显更小。 这可能是由于所使用的工艺所致，Vanax 首先被雾化，然后粉末被氮化，然后在比雾化发生温度更低的温度下形成氮化钒。 较低的温度可能有助于形成较小的碳化物。 这在雾化后渗碳的钢中也可见到。 与 S35VN、Elmax 或 S90V 相比，CPM-154 和 B75P 的碳化物相对较大且非常球形。 与碳化物体积相似的S90V相比，XHP还具有相对较大的碳化物。 XHP、CPM-154和B75P均主要由碳化铬组成，而Elmax、S35VN、S90V和20CV则由碳化铬和碳化钒组成。 而且，与 10V 的碳化钒相比，这些不锈钢粉末冶金钢中的碳化物都更小。 所以我认为粉末冶金钢中碳化钒一般比碳化铬小。 在从未发布的 3V 修改版中，他们用铌代替钒进行合金化，发现碳化物比钒形式更细。 铌是比钒“更强”的碳化物，而钒是比铬更强的碳化物。 似乎更强的碳化物形成体会导致粉末冶金钢中的碳化物更小。 这有点违反直觉，因为在铸锭中，更强的碳化物形成物会导致碳化物在更高的温度下形成并变得更大。 将来我将不得不更多地研究这个“为什么”。

常规不锈钢

我将仅举几个具有高碳化物含量的传统不锈钢的好例子。 添加 440C 和 154CM 将是不错的选择，尽管它们的显微照片可以在其他地方找到。 我有 BD1N，它是 440B 的氮改性版本，还有 N690，它是 440C 的钴改性版本。

BD1N（1950°F）

N690 (1940°F)

不同厂家的钢材

Bohler 和 Uddeholm 经常宣传他们的“第三代”粉末冶金技术，声称更高的清洁度和更细的碳化物。 幸运的是，我比较了几种成分相同但由 Bohler、Uddeholm 或 Crucible 生产的钢。 一个是 CPM 4V 与 Vanadis 4 Extra)，另一个是 CPM 20CV 与 M390。 在这两种情况下，就碳化物尺寸而言，没有明显的赢家。

坩埚 CPM 20CV (2140°F)

博勒 M390 (2140°F)

坩埚 CPM 4V (1975°F)

乌德霍尔姆·瓦纳迪斯 4 Extra (1975°F)

我们在相同的热处理条件下测试了 M390 和 20CV 的韧性，差异可能在于测试的分散性：M390 为 8.8 ft-lbs，20CV 为 8.2 ft-lbs。 我们对 4V 和 Vanadis 4 Extra 进行了更多比较，迄今为止所做的唯一可比较的测试是两者在相同热处理条件下的横向韧性测试，结果约为 64 Rc。 横向韧性比较是一个很好的比较，因为在某些情况下 (Uddeholm) 声称具有优异的横向韧性，而 (Crucible) 则声称由于更细的碳化物而在横向上具有优异的韧性（参见 S30V 数据表）。 4V 的韧性为 11.9 英尺磅，Vanadis 4 Extra 的韧性为 9 英尺磅。 不过，Vanadis 4 Extra 的硬度要高 0.6 Rc。 然而，基于这些有限的比较，不同制造商之间的韧性似乎并没有太大差异。 我们将看看进一步的 Vanadis 4 Extra 和 4V 韧性测试是否会改变任何情况。

另一项比较是 Crucible 10V、Bohler K390 和 Uddeholm Vanadis 8 之间的比较。每种材料都具有不同的成分以实现相同的目标 - 碳化钒体积百分比为 15-18%。 Bohler 和 Uddeholm 声称他们的版本比旧的 10V 有所改进。 我没有测试它们的韧性来比较，但碳化物的尺寸比较相似：

坩埚 10V (1800°F)

乌德霍姆瓦纳迪斯 8 (1900°F)

博勒 K390 (1975°F)

低碳钢

用于锻造的低合金钢通常碳化物较少，高韧性钢5160、15N20、L6和8670几乎没有碳化物：

5160（1525°F）

8670（1525°F）

L6（1550°F）

15N20 (1475°F)

常见的高碳钢1095、52100、O1等都含有一定的碳化物，仍低于6%左右。 一般来说，碳化物非常细，尽管 O1 的碳化物最大，其次是 52100，最后是 1095。这让我感到惊讶，因为通常报道 52100 的碳化物最多，而 ThermoCalc 预测 52100 中的碳化物数量是 O1 的两倍多。 然而，最小的碳化物不能通过显微镜很好地分辨，因此如果不使用扫描电子显微镜很难确定碳化物的体积。

1095 (1475°F)

52100（1500°F）

O1（1475°F）

硬度和韧性比较

现在我们可以将韧性测量值与碳化物结构进行比较。 碳化物较大且较多导致韧性较差。 但少量的细小碳化物并不能保证高韧性。 无论如何，在淬火中过热然后进入回火脆性范围的钢都会具有较差的韧性。 但即使采用“最佳”热处理，仍有更微妙的因素导致不同程度的韧性。 我们并不总是知道不同的合金元素和钢的加工如何相互作用以给出我们正在测量的最终性能。 溶液中的高碳会导致脆性的“板状马氏体”，从而降低韧性。 添加镍可以提高韧性，特别是在低温下。 硅在回火过程中抑制碳化物的形成，以避免回火马氏体脆化。 因此，钢的碳化物体积可以被认为是可能的韧性的“上限”。 碳化物含量为 30% 的钢永远不会像经过良好热处理的 8670 或 Z-Tuff 一样坚韧，但碳化物含量为 0% 的钢可能同样脆。 理想情况下，我们希望钢在给定量的碳化物下具有最佳的韧性和耐磨性组合。 有些钢似乎超过了其碳化物的体积，这可能是对于该碳化物含量具有接近最大韧性的钢的一个例子。 尽管碳化物非常小，但某些钢在韧性测试中似乎表现不佳。 我将在这里讨论一些例子：

在下图中，我将碳化物体积与硬度在 58-62 Rc 之间的韧性相关联，但 Rex 121 的硬度为 67 Rc。 显然，碳化物体积和韧性之间存在相关性，但由于上述原因，存在相当大的分散性。 特别是1095和O1跌破趋势线。 一般来说，粉末冶金钢对于一定量的碳化物表现出更好的韧性，但当碳化物含量较高时差异最大。 在碳化物含量较低的情况下，非粉末冶金钢可以具有相似或更好的韧性，具体取决于成分。

边缘保留

我还有大量关于碳化物对切削刃保持力影响的文章：第 1 部分和第 2 部分。碳化物的类型对于切削刃保持力更为重要，而对于韧性而言，最重要的是碳化物的尺寸和体积。 在这两篇文章中，我都有表格通过实验报告了来自不同来源（主要是数据表、专利和期刊文章）的各种刀具钢中碳化物的类型和数量。 确切的数字可能与文章中报道的不完全一致，因为我自己通过显微照片测量了碳化物的面积。 碳化钒和碳化铌是最硬的，它们对刀刃保持力的贡献最大。 接下来按照硬度递减的顺序是碳化铬，然后是高速钢中的钼/钨，最后是碳化铁（低合金钢中）。 因此，我们预计含有碳化铁的低合金钢的耐磨性会大大降低，因此会保留切削刃。 阅读这两篇文章以了解有关它们的所有信息。

未来

将来我想添加更多的钢材。 我特别想做440C、154CM、ZDP-189、S30V、S60V、S110V、S125V、CPM-M4、A2、19C27、Blue Super、Blue #1、1.2519和1.2442。 我还可以在其他地方获得实践经验并花时间抛光和蚀刻。 我还想使用相同的抛光样品通过扫描电子显微镜 (SEM) 观察它们。 SEM 可以使用“反向散射”模式来区分碳化物类型（在显微镜下较亮或较暗）。 基体中铬和钼的大致成分也可以通过能量色散 X 射线光谱 (EDS) 进行测量。

概括

刀具钢的碳化物结构由钢的成分和生产方法控制。 微观结构对钢的最终性能有很大影响，尽管也有例外，碳化物的类型和尺寸不会产生我们期望的韧性。 碳化物含量可以被认为是设定潜在韧性的“上限”。 粉末冶金会产生更小的碳化物，尽管碳化物越多，颗粒就越大。 我没有发现 Crucible、Uddeholm 和 Buller 之间的碳化物尺寸存在巨大差异。 粉末冶金钢的成分对碳化物尺寸的影响比制造商大得多。 制造商之间有限的韧性测试比较也没有显示出它们之间的显着差异。 不锈钢粉末冶金钢通常含有大量碳化物，这就是为什么碳化物比一些非不锈钢粉末冶金钢（例如 Z-Tuff、3V 或 4V/V4E）更大且韧性较差的原因。 低合金钢通常含有少量非常细小的碳化物，这解释了它们的耐磨性相对较低。 中碳钢 8670、L6 和 5160 具有可与其他钢相媲美的高韧性，而 1095 和 O1 在碳化物较小的情况下仅具有“OK”韧性。 有些钢，例如 Niolox 和 X50Cr15MoV，只含有适量的碳化物，但一些较大碳化物的存在会降低整体韧性。 中碳钢 8670、L6 和 5160 具有高韧性，并且具有可比性，而 1095 和 O1 仅在碳化物较小的情况下给出“OK”韧性。 有些钢，例如 Niolox 和 X50Cr15MoV，只含有适量的碳化物，但一些较大碳化物的存在会降低整体韧性。 中碳钢 8670、L6 和 5160 具有高韧性，并且具有可比性，而 1095 和 O1 仅在碳化物较小的情况下给出“OK”韧性。 有些钢，例如 Niolox 和 X50Cr15MoV，只含有适量的碳化物，但一些较大碳化物的存在会降低整体韧性。

附加显微照片

154 厘米 – 1950°F

440°C – 1900°F

A2 – 1750°F

Caldie – 1850°F（3% 碳化物体积）

S30V – 2000°F（17% 碳化物体积）

VG10 – 1975°F

ZDP-189 – 1850°F（31% 碳化物体积）

超级金 2 – 2000°F（碳化物体积 16.5%）

CPM-M4 – 2050°F（8.5% 碳化物体积）

S60V – 2050°F（17% 碳化物体积）

S110V – 2050°F（27% 碳化物体积）

19C27 – 1950°F

S45VN – 2000°F

V-Toku 2 – 1475°F

超级蓝色 – 1475°F

蓝色超级 – 区域 2

A8 模组 – 1900°F

420HC

SPY27 – 2050°F

Vancron – 1975°F – 碳氮化物体积 16%