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材料成分和热处理工艺对钢组织与性能的影响
一、实验目的
(正火,回火,淬火)的实际操作。
、热处理工艺、组织和性能之间的关系。
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二、实验原理
钢的淬火:钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。
钢的淬火有三个重要的影响因素:加热温度,保温时间,冷却速度。
加热温度:
亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30~50℃。高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内,故称为完全淬火。如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度,则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体,即为不完全(或亚临界)淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上30~50℃,这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火,淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。
淬火保温:
淬火保温时间由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言,保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火,其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。加热与保温是影响淬火质量的重要环节,奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在5~8级。
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(60#,150#,240#,400#,600#,800#);
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、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等。
实验步骤:要求根据所学的热处理知识,制定合理的满足所需纤维组织要求的热处理工艺,并利用洛氏硬度计测试热处理工艺后的洛氏硬度,制备金相试样并利用金相显微镜观察显微组织。我们组所选的钢为40CrNi。
第一步:淬火处理。将样品加热到860℃,而加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关,一般可按照经验公式来估算。样品直径14mm,T=KAD 式中T—保温时间(min);K—装炉系数(~);A—保温系数(~,~);D—零件有效厚度。为保证好的加热特性可选择保温时间为30min左右。
第二步:冷却处理。我们组选择的是油冷。将样品放在机油中上下晃动,直至冷却至室温。常用的几种淬火冷却介质冷却能力见下表。
硬度测定:试样冷却至室温后,将其在砂纸上打磨,先用60#砂纸,逐次加大砂纸型号,直至800#,每换一次砂纸就将试样旋转90度。打磨完后放在洛氏硬度计下测试,共测4次,去后三个平均值即为洛氏硬度值。如下:
测试次数
1
2
3
4
平均值
硬度值/HRC
显微组织观察与记录:
样品制备:将上次在洛氏硬度计测量过的样品在磨光机上抛光,是样品表面达到如镜子般光亮。然后用4%***酒精侵蚀剂侵蚀至光亮镜面变成白灰色,侵蚀适宜时间后用无水酒精擦净,再用自来水冲洗干净。
显微镜下观察并拍照记录:
制备好的样品放在金相显微镜下观察,并用数码照相系统进行拍照记录。如下:
五、实验结果分析
40CrNi钢860℃,相组织主要是马氏体,从图中可以看出侵蚀的不是很好,马氏体组织不是很明显,侵蚀不足。而且有少许划痕。,接近理论值,符合要求。
淬火温度对钢组织和性能的影响:
淬火加热温度的选择:
对于亚共析钢采用Ac3+30~50°,对于共析钢和过共析钢采用Ac1+20~40°。
对于亚共析钢如果淬火温度高了,奥氏体晶粒就会粗大,淬火后严重影响和降低塑性和韧性,如果淬火温度低了,奥氏体化就会不完全,淬火后会有铁素体,导致淬火硬度不够,强度降低。如图
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对于共析钢和过共析钢,淬火温度高了,同样奥氏体晶粒就会粗大,同时碳化物溶入奥氏体过多,淬火后容易变形开裂,同时严重降低硬度和强度,如果温度低了,碳化物溶入奥氏体过少,大部分碳化物保留下来,淬火后也容易变形开裂,奥氏体化后奥氏体含碳量过低,导致淬不上火,导致淬火后马氏体硬度不够,强度降低。
淬火介质的影响:
。可见:水的冷却能力最好,但是冷却速度太快,容易导致工件淬裂。而油的冷却能力在低温区合适,但是在高温区冷却能力很低。在实际的生产中,根据钢种来选择淬火介质。比如碳钢的临界冷却速度大,可采用冷却能力较强的淬火介质水等;合金钢的临界冷却速度小,可采用比较缓和的淬火介质如油。
六、结论
淬火温度和介质都会对钢的组织和性能产生深刻的影响。根据不同的钢种的要求,选择不同的热处理方法,加热温度,冷却方式,选取合适的冷却介质。
七、参考文献
《金属材料学》北京科技大学吴成建陈国良强文江编冶金工业出版2008年
《金属学》宋维锡主编(第二版)冶金工业出版社2013年