金屬材料工程畢業(yè)論文

1、<p>　　內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生</p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 目：化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼熱處理組織、硬度的影響</p><p><b>　　學(xué)生姓名：XXX</b></p><p>　　學(xué) 號(hào)：XXXXXXXXXX</p>&l

2、t;p>　　專 業(yè)：金屬材料工程</p><p>　　班 級(jí)：材料20XX-1班</p><p>　　指導(dǎo)教師：XXX 教授</p><p>　　化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼熱處理組織、硬度的影響</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　為了提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量及使用壽

3、命,幾乎所有重要的機(jī)械零件都需要進(jìn)行熱處理。合金化配合適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌蝻@著提高工件的性能，使鋼能夠滿足所需的力學(xué)、工藝及其他特殊性能。本文以化學(xué)成分不同的A3、A6兩種鋼為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行不同的熱處理之后，分析化學(xué)成分和熱處理工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織和硬度的影響規(guī)律，為提高實(shí)驗(yàn)鋼的使用性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。</p><p>　　本研究借助于金相顯微鏡和硬度測(cè)試儀，研究了實(shí)驗(yàn)鋼在不同退火溫度、淬火溫度、回火溫度下的組織和

4、硬度，分析了化學(xué)成分、加熱溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼退火組織及硬度、淬火組織及硬度、回火組織及硬度的影響。研究了實(shí)驗(yàn)鋼正火處理對(duì)組織及硬度的影響。結(jié)果表明：隨著退火溫度的升高，A3鋼中珠光體片間距逐漸增大，A6鋼中的珠光體形態(tài)由粒狀向片狀轉(zhuǎn)變；A6鋼在正火處理空冷時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；A3鋼的淬火組織由馬氏體和托氏體組成，A6鋼淬火組織由馬氏體和未溶碳化物組成；A6鋼中由于合金元素的作用，回火穩(wěn)定性提高；在所有相同的熱處理?xiàng)l件下，A6鋼的硬度均遠(yuǎn)大于A3

5、鋼的硬度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：熱處理；化學(xué)成分；組織；硬度</p><p>　　Effect of Chemical Composition on the Microstructure and Hardness of the Experimental Steels after Heat Treatment </p><p><b>　　Abstr

6、act</b></p><p>　　In order to improve the quality of mechanical products and service life, almost all the important mechanical parts are required for heat treatment. Alloying with appropriate heat treat

7、ment can significantly improve the performance of the workpiece, so that the steel can meet the required mechanical, processing and other special properties. In this paper, A3, A6 two steels of different chemical composi

8、tions are used as the research objects, after different heat treatments on the experimental stee</p><p>　　In this study, by means of metallographic microscope and hardness tester, the experiment researches t

9、he hardness of the steel at different annealing temperature, quenching temperature and tempering temperature.In addition,it analyses the influence of chemical composition and heating temperature on the microstructure and

10、 hardness after annealing,quenching,tempering.The paper studied the influence on Microstructure and hardness of the experimental steel after normalizing treatment. The results sho</p><p>　　Keywords: heat tre

11、atment; Chemical composition; microstructure; hardness</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目錄III<

12、/b></p><p>　　第一章 文獻(xiàn)綜述1</p><p>　　1.1 實(shí)驗(yàn)鋼A3鋼、A6鋼的概述1</p><p>　　1.2 合金元素在鋼中的作用2</p><p>　　1.2.1 鋼中主要的合金元素及其分類2</p><p>　　1.2.2 合金元素在鋼中的存在形式及分布2</p>

13、<p>　　1.2.3 合金元素與鐵的相互作用2</p><p>　　1.2.4 合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體組織轉(zhuǎn)變的影響3</p><p>　　1.2.5 合金元素對(duì)鋼的過(guò)冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響4</p><p>　　1.2.6 合金元素對(duì)淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響5</p><p>　　1.2.7 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)度的影

14、響5</p><p>　　1.3 熱處理技術(shù)的發(fā)展及展望6</p><p>　　1.4 本文選題意義及研究?jī)?nèi)容8</p><p>　　第二章 實(shí)驗(yàn)材料及方法10</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料10</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備10</p><p>　　2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

15、10</p><p>　　2.3.1 熱處理前的試樣制取10</p><p>　　2.3.2 試樣熱處理保溫時(shí)間的確定11</p><p>　　2.3.3 退火實(shí)驗(yàn)11</p><p>　　2.3.4 正火實(shí)驗(yàn)12</p><p>　　2.3.5 淬火實(shí)驗(yàn)13</p><p>　　2.

16、3.6 回火實(shí)驗(yàn)14</p><p>　　2.3.7 金相試樣的制備15</p><p>　　2.3.8 金相組織觀察16</p><p>　　2.3.9 硬度測(cè)定16</p><p>　　第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析17</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)鋼退火組織及硬度分析17</p><p

17、>　　3.1.1 實(shí)驗(yàn)鋼退火組織分析17</p><p>　　3.1.2 退火組織的硬度分析20</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)鋼正火組織及硬度分析21</p><p>　　3.2.1 化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼正火組織的影響21</p><p>　　3.2.2 化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼正火硬度的影響21</p><p&g

18、t;　　3.2.3 正火與退火工藝對(duì)A3鋼組織及硬度的影響22</p><p>　　3.3 實(shí)驗(yàn)鋼淬火組織及硬度分析22</p><p>　　3.3.1 實(shí)驗(yàn)鋼淬火組織分析22</p><p>　　3.3.2 實(shí)驗(yàn)鋼淬火組織的硬度分析26</p><p>　　3.4 實(shí)驗(yàn)鋼回火組織及硬度分析27</p><p&g

19、t;　　3.4.1 實(shí)驗(yàn)鋼回火組織分析27</p><p>　　3.4.2 實(shí)驗(yàn)鋼回火的硬度分析30</p><p><b>　　結(jié) 論32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　致 謝35</b></p>

20、<p><b>　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　1.1 實(shí)驗(yàn)鋼A3鋼、A6鋼的概述</p><p>　　A3鋼以前又被稱作Q235，是一種普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。Q是屈的拼音的大寫首字母，代表屈服極限，后面的數(shù)字則是指這種鋼的屈服值。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的含碳量，性能和P、S和其他殘余元素含量可以在較大范圍內(nèi)變化。在包括中國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家根據(jù)不同的交貨條件又可

21、以將普通碳素鋼分為三類：第一類為保證力學(xué)性能的鋼甲類鋼（A類鋼），本文所用的實(shí)驗(yàn)鋼A3鋼即為此類鋼；第二類為保證化學(xué)成分的鋼乙類鋼（B類鋼）；第三類為同時(shí)保證力學(xué)性能和化學(xué)成分的鋼特類鋼(C類鋼）。特種類鋼常用于各種重要的結(jié)構(gòu)件的制造。由于含碳量在0.20%左右的A3鋼價(jià)格便宜，含碳量適中，綜合性能良好，使其成為我國(guó)當(dāng)前生產(chǎn)和使用最多的鋼種。A3鋼在建筑及工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用，常用來(lái)制造鋼筋、建造廠房的鋼結(jié)構(gòu)房架，并在道路、橋梁、船

22、舶、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，同時(shí)也大量用于制造對(duì)性能要求一般的機(jī)械零件[1]。</p><p>　　A6鋼是美國(guó)合金工具鋼標(biāo)準(zhǔn)(ASTM A681—1999)中冷作工模具鋼系列A2-A10中的一個(gè)鋼號(hào)。由于其良好的淬透性、較小的淬火變形傾向及較高的淬火硬度，良好的耐磨性和韌性，而被廣泛用于制造沖裁模、成型模、軋輥、沖頭、滾絲模及剪刀片等工模具[2]。由于模具鋼在工作時(shí)，所加工的材料會(huì)產(chǎn)生很大的變形抗力，模具與

23、被加工材料的接觸部分將承受巨大大的壓力、彎曲力以及摩擦力。因此，冷作模具常常有以下幾種失效形式：斷裂失效、過(guò)載失效和磨損失效。</p><p>　　考慮到冷作模具鋼所處的工作環(huán)境，冷作模具鋼必須具備以下幾種特性：高硬度、高耐磨性以保證工模具的壽命；高強(qiáng)度和良好的韌性搭配以及一定的熱硬性，確保工模具在工作時(shí)刃部不發(fā)生崩裂及塌陷；良好的熱處理工藝性，淬透的情況下保證較小的變形及較低開裂傾性[3]。</p>

24、<p>　　冷作工模具鋼因?yàn)槭抢鋺B(tài)成形，所以對(duì)鋼的紅硬性方面要求不高，對(duì)此很多國(guó)家都發(fā)展了一些適于做冷作模具用的鋼種。例如，發(fā)展了低合金、耐磨性高、淬透性好、淬冷變形小的低合金空淬微變形鋼。美國(guó)研制的A4鋼，以及本文研究中所用到的另一種實(shí)驗(yàn)鋼A6鋼、由日本發(fā)展的G04鋼，還有我國(guó)自行研制的Gr2Mn2SiWMoV鋼和8Cr2MnMoWVS鋼等均屬于這類鋼，同時(shí)我國(guó)研制的8Cr2MnMoWVS由于加入了適量的S元素，使鋼還具

25、備了優(yōu)良的切削性[4]。這類鋼的總體特點(diǎn)是合金元素的含量低于5%，屬于低合金鋼、良好的淬硬性以及淬透性，直徑100mm以下的棒狀材料能夠直接空冷淬成馬氏體組織，在Ac3以上淬火，硬度一般能達(dá)到60HRC以上、較小的淬火變形及較低的淬裂傾向、良好的熱處理工藝性能及良好的機(jī)械加工性能等，由于其具有這些優(yōu)良的特性，使其在精密復(fù)雜模具的制造中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.2 合金元素在鋼中的作用</p

26、><p>　　1.2.1 鋼中主要的合金元素及其分類</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)中為了保證鋼材能夠獲得所要求的組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)和機(jī)械性能，往往需要向鋼中加入某些特定的化學(xué)元素，稱為合金元素。往鋼中添加合金元素主要是為了使鋼能獲得更加優(yōu)良的使用性能及工藝性能。其中使用性能包括鋼材的力學(xué)性能、耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性等。工藝性能包括鋼的熱處理性能、焊接性能、鑄造及鍛造性能、切削加工性能等。按

27、元素的性質(zhì)可以將合金元素分為金屬元素和非金屬元素兩類。工業(yè)上常用作合金元素的金屬元素有Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Ni、Co、Al、Cu、RE；常用的非金屬元素有C、N、Si、B、P等。按照是否能與碳結(jié)合形成碳化物，合金元素又可以分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩類。能形成碳化物的元素都是過(guò)渡族金屬，Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe與C、N的親和力以及形成的相應(yīng)的碳化物、氮化物的穩(wěn)定性遞減。而非

28、碳化物形成元素都是元素元素周期表中都處于Fe的右側(cè)的，如Al、Si、Ni、Cu、Co、N、P、S等[5]。</p><p>　　1.2.2 合金元素在鋼中的存在形式及分布</p><p>　　不同的合金元素可以以不同的形式存在于鋼中，但主要包括以下幾種：溶于Fe的四面體或八面體間隙時(shí)形成鐵基間隙固溶體，取代Fe原子時(shí)形成鐵基置換固溶體；某些元素與碳原子氮原子結(jié)合形成合金滲碳體、特殊碳化物或

29、氮化物；形成金屬間化合物；形成各種非金屬相及非晶體相；部分合金元素可以以游離態(tài)存在，例如碳；有些合金元素能與晶體缺陷發(fā)生作用，在晶體缺陷處聚集。</p><p>　　合金元素的分布還與鋼的加工工藝狀態(tài)有關(guān)。如，變形條件會(huì)影響合金元素的存在狀態(tài)和析出條件；熱處理的加熱溫度、加熱時(shí)間會(huì)對(duì)合金元素的溶解有影響；熱處理冷卻速度則會(huì)對(duì)過(guò)飽和固溶體中合金元素的析出程度的影響比較大[5]。</p><p&g

30、t;　　1.2.3 合金元素與鐵的相互作用</p><p>　　根據(jù)合金元素對(duì)奧氏體及鐵素體轉(zhuǎn)變的影響，合金元素可以分為促進(jìn)γ-Fe相形成的奧氏體形成元素和促進(jìn)α-Fe相形成的鐵素體形成元素。</p><p>　　γ相穩(wěn)定化元素能夠促進(jìn)奧氏體的形成，使A3溫度下降，A4溫度升高，從而擴(kuò)大γ相區(qū)。其中Mn、Ni、Co等合金元素可以與γ-Fe相無(wú)限互溶，能無(wú)限擴(kuò)大γ相區(qū)，如果加入足量的這類合金

31、元素則可以使α相完全消失，從而使γ相保持到室溫。而C、N、Cu、Zn、Au等合金元素只能與γ-Fe形成有限固溶體，雖然也能使γ相區(qū)擴(kuò)大，但并不能讓?duì)孟鄥^(qū)完全開啟。</p><p>　　α相穩(wěn)定化元素能使鐵的A4溫度降低，A3溫度升高，促進(jìn)鐵素體的形成，縮小γ相區(qū)。其中強(qiáng)碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be、Si、Al等合金元素均可以與α-Fe相形成無(wú)限固溶體，但在γ-Fe相中的溶解度有限，當(dāng)鋼中合金元

32、素加入的足夠多時(shí)，將會(huì)使A3溫度與A4溫度重合，此時(shí)高溫δ相與低溫α相區(qū)連成一片，而γ相區(qū)呈封閉的環(huán)狀，此時(shí)α相區(qū)無(wú)限擴(kuò)大。而B、Nb、Zr、Ta等使A3升高，A4降低，但是只能使γ相區(qū)縮小不能使其完全封閉。</p><p>　　1.2.4 合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體組織轉(zhuǎn)變的影響</p><p>　　加入合金元素后，會(huì)影響到鋼的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度、S點(diǎn)的位置以及碳在奧氏體中的溶解度，話句話說(shuō)就

33、是改變了奧氏體形成所需的溫度條件及碳濃度條件；由于奧氏體的形成是一個(gè)擴(kuò)散及均勻化過(guò)程，合金元素原子不但自身很難擴(kuò)散，而且還會(huì)影響到Fe原子和C原子的擴(kuò)散過(guò)程，從而影響鋼奧氏體化。</p><p>　　鋼在加熱時(shí)奧氏體的形成過(guò)程分為四個(gè)步驟：奧氏體的形核；奧氏體的長(zhǎng)大；滲碳體的溶解；奧氏體成分均勻化。奧氏體的形成過(guò)程的每一步幾乎都與碳的擴(kuò)散密切相關(guān)。而合金元素又會(huì)影響到碳在鋼中的擴(kuò)散。如Co和Ni等非碳化物形成元素

34、不與碳結(jié)合生成碳化物，有利于碳溶入奧氏體中并擴(kuò)散均勻化，從而促進(jìn)鋼中奧氏體的形成。而由于Cr、Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素由于與碳的結(jié)合力比Fe與碳的結(jié)合力強(qiáng)，會(huì)優(yōu)先形成合金碳化物，這將使碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度大大減慢，從而使奧氏體的形成速度顯著降低。而通常只有提高加熱溫度，才能使合金元素與碳結(jié)合生成穩(wěn)定性高的合金碳化物分解并溶入奧氏體中，加熱溫度甚至需達(dá)到完全奧氏體化溫度幾百度攝氏度以上才能使鋼的奧氏體成分均勻化。然而隨著合金碳化物

35、的不斷分解并溶入鋼的基體中，由于合金元素緩慢的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致奧氏體成分的不均勻程度越來(lái)越高。此時(shí)就需要在較高的溫度下加熱并且延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使合金元素能夠充分?jǐn)U散開來(lái)，從而得到成分較均勻的奧氏體組織。但是對(duì)于某些合金工具鋼，由于其需要具有較多未溶碳化物來(lái)對(duì)基體進(jìn)行進(jìn)行強(qiáng)化，此時(shí)的加熱溫度不應(yīng)過(guò)高和保溫時(shí)間也不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，以減少碳化物的分解。</p><p>　　不同的合金元素的加入也會(huì)對(duì)鋼奧氏體晶粒的尺寸有不同程度的影

36、響。由于合金碳化物的粒子能顯著阻礙晶界擴(kuò)展，合金元素與碳結(jié)合形成的合金碳化物越穩(wěn)定，在加熱、保溫時(shí)越不易分解，對(duì)晶粒的細(xì)化作用越明顯。Ti、Nb、V等強(qiáng)碳化物形成元素及能在鋼中形成高熔點(diǎn)AlN、Al2O3細(xì)質(zhì)點(diǎn)的Al元素，均能大大減弱奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向，顯著細(xì)化晶粒；而W、Mo、Cr等與碳結(jié)合力中等的元素也能阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，但作用中等；Ni、Si、Co、Cu等非碳化物形成元素對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響很弱；而Mn、P、B則對(duì)奧氏體晶粒的

37、長(zhǎng)大有促進(jìn)作用。含有較多錳元素的鋼會(huì)有較強(qiáng)烈的過(guò)熱傾向，為防止其晶粒過(guò)于粗大，其加熱溫度不宜過(guò)高，且在保證性能的前提下盡量縮短保溫時(shí)間。</p><p>　　1.2.5 合金元素對(duì)鋼的過(guò)冷奧氏體分解轉(zhuǎn)變的影響</p><p>　　合金元素的加入會(huì)對(duì)過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生一定的影響。這種影響首先通過(guò)鋼的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度的改變表現(xiàn)出來(lái)。Mn、Ni、Co等奧氏體形成元素會(huì)使Ac3溫度降低，從而使鋼的

38、過(guò)冷度及轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力減小，而鐵素體形成元素作用與奧氏體形成元素的作用恰好相反，會(huì)提高Ac3增大過(guò)冷度及轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力。合金元素的加入可以顯著改變鋼的C曲線的位置或形狀。非碳化物形成元素Ni、Al、Si、Cu、Co能使鋼的C曲線位置發(fā)生改變。例如Ni、Si、Cu等能使C曲線向右移動(dòng)，而Al、Co等能使C曲線向左移動(dòng)。碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等的加入不僅可以使鋼的C曲線位置移動(dòng)，也可以改變C曲線的形狀，C曲線出現(xiàn)兩個(gè)鼻溫，甚至能在珠光體區(qū)

39、域和貝氏體區(qū)域中間出現(xiàn)一個(gè)極端穩(wěn)定過(guò)冷奧氏體的區(qū)間將兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)域完全分離開來(lái)。</p><p>　　除鈷外的幾乎所有的合金元素均能使C曲線向右移動(dòng)。C曲線向右移動(dòng)，意味著過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性增大，珠光體型轉(zhuǎn)變推遲，鋼的臨界冷卻速度降低，從而提高鋼的淬透性。工業(yè)上常被用來(lái)提高鋼淬透性的合金元素有Mo、Si、Cr、Mn、Ni、B六種。合金元素要想起到提高淬透性的作用，必須使其在淬火加熱時(shí)溶入奧氏體中，所以為了使鋼淬透，

40、合金鋼的淬火加熱溫度往往較高，保溫時(shí)間也較長(zhǎng)。如對(duì)于含較多Cr、W、V、Mo等強(qiáng)碳化物形成元素的鋼，如果淬火加熱溫度較低，保溫時(shí)間不長(zhǎng)，導(dǎo)致碳化物未溶解或少量溶解時(shí)，就不能起到提高淬透性的作用，此時(shí)未溶解的碳化物粒子能成為珠光體轉(zhuǎn)變的核心導(dǎo)致鋼發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。合金元素能推遲高溫珠光體型的轉(zhuǎn)變，同樣合金元素的對(duì)貝氏體型的轉(zhuǎn)變也有影響。在貝氏體轉(zhuǎn)變中，只有基體間隙中固溶的碳原子能進(jìn)行長(zhǎng)距離擴(kuò)散，而鐵及其中固溶的置換型原子都不能進(jìn)行長(zhǎng)距離擴(kuò)散

41、。中溫貝氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，合金元素能對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變的上限溫度Bs點(diǎn)產(chǎn)生影響。C、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti等元素都使Bs點(diǎn)降低，使得在高溫珠光體轉(zhuǎn)變和中溫貝氏體轉(zhuǎn)變之間出現(xiàn)一個(gè)過(guò)冷奧氏體的極度穩(wěn)定區(qū)域，使鋼的C曲線分離為兩條C型曲線。此外，合</p><p>　　馬氏體轉(zhuǎn)變屬于無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，碳及合金元素不發(fā)生擴(kuò)散，形核和長(zhǎng)大速度極快，馬氏體的轉(zhuǎn)變量主要取決于轉(zhuǎn)變溫度。合金元素通過(guò)影響Ms、Mf點(diǎn)溫度，從而對(duì)馬氏

42、體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響，并且合金元素對(duì)鋼中的殘留奧氏體含量及馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)有一定的影響。除Co、Al以外的幾乎所有合金元素均使Ms和Mf點(diǎn)的溫度下降。其中錳、鎳、碳、氮等奧氏體形成元素對(duì)降低Ms點(diǎn)，增大奧氏體穩(wěn)定溫度范圍作用顯著。在低合金鋼中，存在以下一般規(guī)律：Ms和Mf點(diǎn)隨著鋼中合金元素的增加而下降。也就是說(shuō)低合金鋼中隨合金元素量的增加，淬火冷卻至室溫后殘留奧氏體量逐漸增加。殘余奧氏體的量會(huì)對(duì)鋼的性能產(chǎn)生很大的影響，其過(guò)高時(shí)會(huì)降低鋼的硬度及

43、疲勞抗力。</p><p>　　1.2.6 合金元素對(duì)淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響</p><p>　　鋼淬火后的組織通常是不穩(wěn)定的組織，一般包含馬氏體和殘留奧氏體兩個(gè)亞穩(wěn)相，在回火過(guò)程中馬氏體和殘留奧氏體兩個(gè)亞穩(wěn)相將發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。合金元素可以提高鋼的回火穩(wěn)定性，即提高剛在回火處理時(shí)的軟化抗力，大大減慢回火過(guò)程中各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變速度，并提高各個(gè)階段的轉(zhuǎn)變溫度。合金元素的影響主要包括以下幾個(gè)方

44、面：合金元素對(duì)馬氏體分解的影響即過(guò)飽和固溶體中碳化物析出的影響；合金元素對(duì)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的影響；合金元素對(duì)碳化物形成、聚集、長(zhǎng)大的影響；合金元素對(duì)鐵素體回復(fù)再結(jié)晶的影響；合金元素對(duì)鋼回火脆性的影響。</p><p>　　1.2.7 合金元素對(duì)鋼強(qiáng)度的影響</p><p>　　金屬的強(qiáng)度一般是指金屬材料對(duì)塑性變形的抗力。而鋼的強(qiáng)化機(jī)制的基本原理是阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。據(jù)此，為了提高鋼鐵材料的強(qiáng)度，

45、常利用合金元素對(duì)鋼的如下四種強(qiáng)化方式：固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化（細(xì)晶強(qiáng)化）、第二相強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化。</p><p>　　通過(guò)對(duì)上述幾種強(qiáng)化方式的運(yùn)用，可以達(dá)到明顯提高鋼的強(qiáng)度的目的。合金元素的加入，形成置換固溶體和間隙固溶體，從而使基體的晶格發(fā)生畸變，造成一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)。其與位錯(cuò)自身的彈性應(yīng)力場(chǎng)相互作用，將顯著增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，達(dá)到強(qiáng)化鋼的目的。利用Al、Nb、V、Ti等合金元素與碳、氮結(jié)合形成難熔的第二相質(zhì)點(diǎn)，從

46、而阻礙奧氏體晶界移動(dòng)，細(xì)化鐵素體或馬氏體晶粒。通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)增加鋼中的晶界數(shù)量，可以達(dá)到強(qiáng)化的目的。合金化加淬火時(shí)效可以達(dá)到沉淀強(qiáng)化的效果，合金化可以為沉淀相的形成提供成分條件。向鋼中加入能降低層錯(cuò)能的合金元素后，通過(guò)變形能使位錯(cuò)密度顯著增大，從而顯著提高鋼的強(qiáng)度。</p><p>　　1.3 熱處理技術(shù)的發(fā)展及展望</p><p>　　熱處理的過(guò)程基本分為加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，通過(guò)對(duì)

47、材料不同的性能要求，制定不同的熱處理參數(shù)，如加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度，可以改變材料表面或內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu),以達(dá)到控制、改善材料的性能的目的。同其他學(xué)科一樣，金屬熱處理工藝學(xué)也是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而不斷發(fā)展的一門學(xué)科。在我國(guó)，熱處理工藝擁有悠久的發(fā)展歷史，據(jù)考證鐵器時(shí)代我國(guó)就已經(jīng)出現(xiàn)了熱處理。鑄鐵一出現(xiàn)人們就需面對(duì)如何提高鑄鐵韌性的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題就發(fā)展了鑄鐵的柔化處理工藝，如鑄鐵的石墨化退火及脫碳退火[8]。</p>

48、<p>　　公元前六世紀(jì)，鐵制品已得到相當(dāng)大的發(fā)展，并在兵器的制作上得到了廣泛的應(yīng)用。人們發(fā)現(xiàn)快冷時(shí)鐵的硬度會(huì)明顯升高，為了提高兵器等鐵制品的硬度，鋼的淬火工 藝隨之得到了快 速發(fā)展。后來(lái)人們又發(fā)現(xiàn)，不同的冷卻介質(zhì)對(duì)鋼的淬火質(zhì)量有一定的影響，例如三國(guó)時(shí)期陜西有位鐵匠給諸葛亮打造兵器時(shí)淬火使用的水就是從成都取來(lái)的。到了西漢，我國(guó)的熱處理技術(shù)就已經(jīng)得到了相當(dāng)大的發(fā)展，據(jù)考古出土的一些鐵制品就證明了那時(shí)的中國(guó)已經(jīng)有了進(jìn)行局部熱處理

49、的工藝。如西漢中期墓葬中出土的寶劍，就已經(jīng)應(yīng)用了滲碳工藝。其內(nèi)外層的含碳量有較大差別，呈現(xiàn)一定的濃度梯度，其表面含碳量在0.6%以上，而芯部?jī)H為0.15～0.4%。在國(guó)外，雖說(shuō)與我國(guó)相比熱處理技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間較晚，但在近三個(gè)世紀(jì)，熱處理技術(shù)隨著資本主義的發(fā)展而迅速發(fā)展，并迅速超過(guò)封建保守的中國(guó)。特別是19世紀(jì)以來(lái)顯微科學(xué)快速發(fā)展，光學(xué)顯微鏡得到了較大改進(jìn)，人類通過(guò)磨光、腐蝕能夠觀察鋼及鑄鐵的顯微組織。英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家在1863年通過(guò)

50、顯微鏡觀察，第一次向人們展示了鋼的六種不同的金相組織，并且驗(yàn)證了鋼在加熱和冷卻時(shí)，鋼的顯微組織會(huì)發(fā)生變化，鋼在較高溫度時(shí)獲得的相在快速冷卻時(shí)會(huì)變</p><p>　　二十世紀(jì)以來(lái)，隨著熱處理技術(shù)和其他新技術(shù)交匯融合發(fā)展，金屬熱處理工藝得到了前所未有的快速發(fā)展。例如爐內(nèi)碳勢(shì)的控制技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)初，利用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳的技術(shù)在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用；接著露點(diǎn)電位差計(jì)的出現(xiàn)，使人們可以控制爐內(nèi)氣氛的碳勢(shì)，以后又相

51、繼發(fā)明了用二氧化碳紅外儀、氧探頭等技術(shù)與儀器，使?fàn)t內(nèi)氣氛碳勢(shì)達(dá)到進(jìn)一步可控；60年代，隨著等離子場(chǎng)技術(shù)在熱處理中的應(yīng)用，出現(xiàn)了離子滲氮、滲碳的新工藝；而激光技術(shù)、電子束技術(shù)也被廣泛的用于鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理中。</p><p>　　現(xiàn)代機(jī)械制造及生產(chǎn)生活中，為保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和機(jī)械零件的使用壽命,幾乎所有的機(jī)械零件都需要熱處理后才能夠使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)床的制造中需要進(jìn)行熱處理的零件占到總體的60～70%；

52、汽車制造業(yè)中要進(jìn)行熱處理的零件更是占到了70一80%,而工模具制造業(yè)中的所以零件均必須進(jìn)行熱處理后才能使用。對(duì)于機(jī)械零件，如果材料的選擇適當(dāng)，再配合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?就能成倍地提高機(jī)械零件的使用壽命[10]，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約使用成本。</p><p>　　常用的熱處理工藝主要是四把火，即退火、正火、淬火和回火，同時(shí)固溶處理和時(shí)效處理及表面熱處理在工業(yè)生產(chǎn)中也都應(yīng)用廣泛。根據(jù)熱處理的過(guò)程中工件是否采取了防護(hù)措

53、施及所采用的防護(hù)方法，熱處理又可以分為無(wú)保護(hù)熱處理、保護(hù)氣氛熱處理、真空熱處理。隨著其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，熱處理設(shè)備的發(fā)展，熱處理手段和技術(shù)得到不斷完善，各種新技術(shù)在熱處理中的應(yīng)用，包括真空熱處理技術(shù)、等離子熱處理技術(shù)、激光熱處理技術(shù)等一大批新型熱處理新技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。</p><p>　　當(dāng)前在熱處理的基礎(chǔ)理論研究方面及一些新型熱處理工藝方面的研究,我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比沒(méi)有太大的差距。但是由于工業(yè)基礎(chǔ)較弱，與西

54、方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在熱處理設(shè)備制造以及實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)水平等方面存在著明顯的不足,至今未能完全扭轉(zhuǎn)熱處理工藝落后、熱處理設(shè)備差的狀況。21世紀(jì)的今天，要想讓我國(guó)熱處理技術(shù)迎頭趕上西方發(fā)達(dá)國(guó)家,我們應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外熱處理技術(shù)的現(xiàn)狀和水平有一個(gè)更全面的了解,掌握熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，彌補(bǔ)自身的不足，發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì),提高對(duì)先進(jìn)的熱處理新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備研制的投入力度,并將新技術(shù)用于傳統(tǒng)熱處理技術(shù)的改造,實(shí)現(xiàn)我國(guó)熱處理技術(shù)的“優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高

55、效、可持續(xù)發(fā)展”[11-12]。</p><p>　　1.4 本文選題意義及研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文以化學(xué)成分不同的A3、A6兩種鋼為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行不同的熱處理之后，分析化學(xué)成分和熱處理工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織和硬度的影響規(guī)律，為提高實(shí)驗(yàn)鋼的使用性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過(guò)本課題的研究，對(duì)金屬材料學(xué)、金屬熱處理、金屬固態(tài)相變等專業(yè)知識(shí)有一個(gè)更全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)自己的動(dòng)手能力，

56、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力以及科研能力，為即將面對(duì)的工作打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　本課題的內(nèi)容主要包括以下幾部分：</p><p>　　1、收集文獻(xiàn)資料：A3、A6鋼臨界點(diǎn)、CCT曲線和TTT曲線，為制定熱處理工藝和分析組織做準(zhǔn)備。</p><p>　　2、研究化學(xué)成分、退火溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼退火組織、硬度的影響：退火溫度Ac1—Ac3之間、稍高于Ac3、遠(yuǎn)高

57、于Ac3，對(duì)兩種鋼試樣進(jìn)行不同溫度退火處理，觀察組織，測(cè)定硬度，研究碳、合金元素和退火溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼退火組織、硬度的影響。</p><p>　　3、研究化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼正火組織、硬度的影響：制定實(shí)驗(yàn)鋼高于Ac3的正火工藝，對(duì)試樣進(jìn)行正火處理，觀察組織，測(cè)定硬度，研究碳、合金元素對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼正火組織、硬度的影響。并將實(shí)驗(yàn)鋼的正火組織、硬度分別與高于Ac3的退火實(shí)驗(yàn)鋼組織、硬度進(jìn)行比較，分析正火與退火工藝的影響。</

58、p><p>　　4、研究化學(xué)成分、淬火溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼淬火組織、硬度的影響：淬火加熱溫度在Ac1—Ac3之間、稍高于Ac3、遠(yuǎn)高于Ac3，進(jìn)行不同溫度加熱，直接淬水。觀察淬火組織形貌，分析淬火溫度、化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織影響。測(cè)定兩種鋼不同溫度加熱淬火后試樣的硬度，分別做兩種鋼淬火加熱溫度——硬度曲線；分析淬火溫度、化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼硬度的影響。</p><p>　　5、研究化學(xué)成分、回火溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼

59、回火組織、硬度的影響：實(shí)驗(yàn)鋼回火溫度為200℃、350℃、500℃、650℃（回火保溫時(shí)間為1小時(shí)），選取兩種實(shí)驗(yàn)鋼高于Ac3加熱淬火試樣，進(jìn)行回火實(shí)驗(yàn)。觀察回火后的組織形貌特征：分析回火溫度、化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼回火組織的影響。測(cè)定不同溫度回火后硬度：做出回火溫度——硬度曲線，分析回火溫度、化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼回火硬度影響。</p><p>　　第二章 實(shí)驗(yàn)材料及方法</p><p><b

60、>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　本文以化學(xué)成分不同的A3、A6兩種鋼為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行不同的熱處理之后，分析化學(xué)成分和熱處理工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織和硬度的影響規(guī)律，為提高實(shí)驗(yàn)鋼的使用性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。A3鋼與A6鋼的成分見表2.1。</p><p>　　表2.1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比，%）[13-14]</p><p>

61、　　通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知A3鋼的臨界溫度為：Ac1為729℃，Ac3為850℃[13]；A6鋼的臨界溫度為：Ac1s為710℃，Ac1f為760℃，Ac3為850℃[14]。</p><p><b>　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　自動(dòng)控溫電阻爐，型號(hào) SX12-BLL，功率 12KW；</p><p>　?。涞厥剑┥拜啓C(jī)、

62、臺(tái)式砂輪機(jī)；</p><p><b>　　砂輪打磨機(jī)；</b></p><p>　　P-2型金相試樣拋光機(jī)；</p><p><b>　　洛氏硬度計(jì)；</b></p><p>　　Axiovert25型蔡司金相顯微鏡</p><p><b>　　2.3 實(shí)驗(yàn)步驟&l

63、t;/b></p><p>　　2.3.1熱處理前的試樣制取</p><p>　　首先用切割機(jī)將拿到的較大試樣切割為尺寸基本一致的若干小試樣（1cm×1.5cm×2.0cm）。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，將切割完的試樣在高于Ac3的溫度900℃下進(jìn)行一次完全退火（隨爐加熱，到溫后保溫20min，再隨爐冷卻），使同一種實(shí)驗(yàn)鋼的不同試樣在接下來(lái)的熱處理前具有相同的組織

64、。然后將一個(gè)A3鋼、A6鋼編為一組，共設(shè)置13組分別編號(hào)為1、2、3、……、12、13。其中1-4組進(jìn)行不同溫度的退火處理，5組進(jìn)行正火處理，6-9組進(jìn)行不同溫度的淬火處理，10-13組進(jìn)行淬火加不同溫度的回火處理。</p><p>　　2.3.2 試樣熱處理保溫時(shí)間的確定</p><p>　　通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)知，傳統(tǒng)碳素鋼及低合金鋼的加熱時(shí)間的計(jì)算公式:τ=K*αD；式中τ是指加熱時(shí)間，

65、單位為分鐘；K為修正系數(shù)，反映了不同的裝爐狀況,K值的選取范圍一般在1.0~1.3之間；α表示加熱系數(shù),一般情況下在0.7~0.8min/mm之間；D表示的是工件的有效厚度，單位為mm。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐溫儀表指示的溫度達(dá)到設(shè)置的溫度后,1min時(shí)間足夠燒透3mm厚的工件。由于碳素鋼基本不含除碳以外的其他合金元素，加熱保溫時(shí)基本沒(méi)有合金碳化物,不需要長(zhǎng)時(shí)間的保溫使奧氏體成分均勻化；而合金結(jié)構(gòu)鋼中由于添加了一些合金元素,合金元素與碳結(jié)

66、合形成合金碳化物，合金碳化物的溶解及合金元素在鋼中的擴(kuò)散速度較慢，故在加熱保溫過(guò)程時(shí)需要更多的時(shí)間以保證奧氏體成分均勻化。而對(duì)于含有較多合金元素的高合金工具鋼鋼種,由于碳與合金元素結(jié)合生成的合金碳化物較多,需要更長(zhǎng)的保溫時(shí)間以保證奧氏體成分的均勻化。根據(jù)從實(shí)踐中總結(jié)出的369法則，根據(jù)碳及合金元素的含量不同，碳素鋼及低合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高合金工具鋼的加熱保溫時(shí)間只要分別達(dá)到傳統(tǒng)保溫時(shí)間的30%、60%、90%即可保證組織完全轉(zhuǎn)變[15

67、]。</p><p>　　在本文的研究中，所有的試樣的加熱方式均為隨爐加熱。根據(jù)以上加熱保溫時(shí)間的計(jì)算公式，根據(jù)試樣的尺寸厚度計(jì)算得知：A3鋼的保溫時(shí)間τ=K*αD=（1.0~1.3）×（0.7~0.8min/mm）×20mm×30%≈6min；A6鋼的保溫時(shí)間τ=K*αD=（1.0~1.3）×（0.7~0.8min/mm）×20mm×90%≈18min

68、，由此確定對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)的試樣熱處理保溫時(shí)間為20min，此時(shí)20min的保溫時(shí)間足夠兩種鋼的組織轉(zhuǎn)變。</p><p>　　2.3.3 退火實(shí)驗(yàn)</p><p>　　退火是基本的熱處理工序，是將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻，以達(dá)到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝，它能夠均勻化學(xué)成分、改善機(jī)械性能及工藝性能、消除或減少應(yīng)力，并為零件最終熱處理準(zhǔn)備合適的內(nèi)

69、部組織[9]。</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)鋼的臨界點(diǎn)選取退火溫度Ac1—Ac3之間的780℃、840℃、稍高于Ac3的900℃、遠(yuǎn)高于Ac3的960℃四個(gè)溫度作為實(shí)驗(yàn)鋼的退火溫度，分別對(duì)應(yīng)1-4組試樣進(jìn)行退火處理。退火工藝為，隨爐加熱，保溫20分鐘，然后關(guān)閉加熱爐電源隨爐冷卻至室溫，實(shí)驗(yàn)鋼的退火工藝曲線如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 實(shí)驗(yàn)鋼的退火工藝曲線</p>

70、;<p>　　2.3.4 正火實(shí)驗(yàn)</p><p>　　正火時(shí)工業(yè)上常用的熱處理工藝之一，它是將鋼材或鋼件加熱到Ac3以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。一般鋼鐵的正火處理與退火處理相似，但正火冷卻速度稍快，得到的組織較退火組織晶粒更細(xì)密。對(duì)于有些臨界冷卻速度很小的鋼，在空氣中冷卻就可以使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種處理不屬于正火性質(zhì)，而稱為空冷淬火。正火既可作為作為預(yù)

71、備熱處理工藝，為后續(xù)熱處理工藝提供適宜的組織狀態(tài)，也可以作為最終熱處理工藝，提供合適的機(jī)械性能。此外，正火處理也常用來(lái)消除某些處理缺陷，例如，消除粗大鐵素體塊和魏氏組織等[9]。</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)鋼的臨界點(diǎn)，選取實(shí)驗(yàn)鋼的Ac3+（30～50℃）的900℃作為兩種實(shí)驗(yàn)鋼的正火溫度。將第5組試樣隨爐加熱到900℃后保溫20分鐘，然后出爐空冷至室溫。實(shí)驗(yàn)鋼的正火處理工藝曲線如圖2.2所示：</p>

72、;<p>　　圖2.2 實(shí)驗(yàn)鋼的正火工藝曲線</p><p>　　2.3.5 淬火實(shí)驗(yàn)</p><p>　　淬火是熱處理工藝中最重要的工序，把鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1或Ac3以上，保溫并隨之以大于臨界冷卻速度（Vc）冷卻，一得到介穩(wěn)狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝方法稱為淬火。這是一種將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常

73、用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件。通過(guò)淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強(qiáng)度、韌性及疲勞強(qiáng)度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合機(jī)械性能）以滿足不同的使用要求。另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學(xué)性能，如淬火使永磁鋼增強(qiáng)其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等[9]。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)鋼的臨界

74、點(diǎn)，及方便整個(gè)實(shí)驗(yàn)之間的對(duì)比分析，選取淬火溫度Ac1—Ac3之間的780℃、840℃、稍高于Ac3的900℃、遠(yuǎn)高于Ac3的960℃四個(gè)溫度作為實(shí)驗(yàn)鋼的淬火溫度。然后將第6-9組試樣分別在780℃、840℃、900℃、960℃下進(jìn)行淬火處理。選取水作為淬冷介質(zhì)。將6-9組試樣分別隨爐加熱到相應(yīng)溫度，保溫20分鐘，然后出爐水淬，使其完全冷卻。實(shí)驗(yàn)鋼的淬火處理工藝曲線如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 實(shí)

75、驗(yàn)鋼的淬火工藝曲線</p><p>　　2.3.6 回火實(shí)驗(yàn)</p><p>　　回火是將淬火后的合金過(guò)飽和固溶體加熱到低于相變臨界點(diǎn)溫度（Ac1）以下某一溫度，保溫一段時(shí)間，亞穩(wěn)的馬氏體及殘留奧氏體發(fā)生某種程度的轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫的熱處理工藝方法。鋼經(jīng)過(guò)淬火得到的馬氏體組織一般不能直接使用，需要進(jìn)行回火處理。因?yàn)轳R氏體是在快速冷卻時(shí)得到的非平衡組織，在馬氏體狀態(tài)下，出于較高的能量狀態(tài)

76、回火的目的是減少或消除淬火應(yīng)力，使鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定狀態(tài)，提高韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足不同工件的性能要求。中碳和高碳鋼淬火后通常硬度很高，但很脆，一般需經(jīng)回火處理才能使用。鋼中的淬火馬氏體，是碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體，馬氏體組織在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，有向穩(wěn)定組織過(guò)渡的趨勢(shì)[16]。許多鋼淬火后還有一定量的殘留奧氏體，也是不穩(wěn)定的，回火過(guò)程中將發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此，回火過(guò)程本質(zhì)上是在一定溫度范圍內(nèi)加熱粹火

77、鋼，使鋼中的熱力學(xué)不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡的復(fù)雜轉(zhuǎn)變過(guò)程。</p><p>　　將第10-13組試樣先在Ac3+（30～50℃）的900℃進(jìn)行淬火（水淬）處理，然后選取在低溫200℃、中溫350℃、500℃、高溫650℃四個(gè)不同溫度下分別進(jìn)行回火處理。四組試樣隨均爐加熱，達(dá)到相應(yīng)溫度后保溫1小時(shí)，然后出爐空冷至室溫。實(shí)驗(yàn)鋼的回火工藝曲線如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 實(shí)

78、驗(yàn)鋼的回火工藝曲線</p><p>　　2.3.7 金相試樣的制備</p><p>　　金相試樣的制備流程為：取樣→磨光→拋光→侵蝕→觀察照相</p><p>　　磨光的目的是為了獲得一個(gè)平整光滑的表面。試樣的磨制過(guò)程中，首先選取試樣的一個(gè)較平的面，用砂輪機(jī)將這個(gè)面上的氧化層磨掉并盡量保持磨面的平整，然后將這個(gè)面倒角倒邊。然后進(jìn)行的是細(xì)磨，實(shí)驗(yàn)中共選取五種不同粒度的

79、金相砂紙（120、240、400、600、800），并根據(jù)砂紙磨粒的粒度大小由粗到細(xì)對(duì)試樣進(jìn)行磨制。磨前將砂紙?jiān)诓ＡО邃伷?，并保證砂紙與玻璃板之間無(wú)硬質(zhì)顆粒。試樣不能來(lái)回磨制而是單方向向前推磨，力度要適中且用力應(yīng)均勻，保證磨面的平整。當(dāng)磨面上舊劃痕消失時(shí)換下一號(hào)磨粒更細(xì)的砂紙，同時(shí)需要將試樣的磨面旋轉(zhuǎn)90°，以此類推，當(dāng)用到粒度為的800砂紙時(shí)，可以將玻璃板放在自來(lái)水中進(jìn)行磨制，這樣可以明顯減少劃痕數(shù)量。試樣細(xì)磨完成后，將試樣

80、沖洗后吹干，準(zhǔn)備拋光。</p><p>　　由于砂紙并不能去除磨面上的細(xì)微劃痕，而拋光通過(guò)加入更細(xì)微的磨粒，能消除這些劃痕，從而使試樣的磨面如鏡面般光亮無(wú)痕。拋光時(shí)，應(yīng)先將拋光布清洗干凈，平整的鋪在拋光盤上，試樣磨面均勻的輕壓在拋光盤上。并將試樣由中心逐漸向邊緣移動(dòng)。在拋光過(guò)程中要適時(shí)的向拋光布上噴灑金相拋光劑，拋光時(shí)濕度既不能過(guò)大也不能過(guò)小。濕度太大的話，會(huì)使拋光布磨削力降低，導(dǎo)致試樣中的硬質(zhì)相因磨損較小而呈現(xiàn)

81、出浮雕狀。而如果濕度太小，則因試樣與拋光布摩擦產(chǎn)生的熱會(huì)使試樣升溫，使試樣拋面上變得晦暗而不光亮。拋光壓力不宜太大，時(shí)間也不宜太長(zhǎng)，壓力過(guò)大或拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)均會(huì)使磨面上出現(xiàn)點(diǎn)狀小坑。直到拋光面變成光亮無(wú)痕的鏡面。如果拋光時(shí)，拋面上出現(xiàn)了點(diǎn)狀小坑，則應(yīng)將試樣用600號(hào)的砂紙重新磨制。</p><p>　　用清水將拋光面沖洗干凈，用吹風(fēng)機(jī)吹干后即可進(jìn)行腐蝕。然后用先前配制好的4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光面進(jìn)行腐蝕。腐蝕時(shí)應(yīng)

82、注意腐蝕的時(shí)間，時(shí)刻注意觀察腐蝕面的顏色變化，待腐蝕面由光亮變?yōu)榛野岛蠹纯赏Ｖ垢g，然后立刻用酒精將腐蝕面上腐蝕劑沖洗干凈，最后用吹風(fēng)機(jī)將腐蝕面吹干，腐蝕好的試樣就可以放在金相顯微鏡觀察組織并拍照了。</p><p>　　2.3.8 金相組織觀察</p><p>　　將腐蝕好的試樣放在蔡氏金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，試樣觀察面在載物臺(tái)上必須處于水平面上，否則鏡像會(huì)出現(xiàn)模糊的虛像。調(diào)整目鏡旋鈕及聚

83、光孔，直到電腦屏幕上出現(xiàn)清晰的圖像，如果發(fā)現(xiàn)屏幕上的圖像只有部分清晰，而另一部分為虛像時(shí)，應(yīng)首先檢查試樣在載物臺(tái)上是否放置水平。如果為水平放置，則說(shuō)明觀察面磨的不平，此時(shí)需將試樣重新磨制直到磨面水平然后再拋光、腐蝕和觀察。轉(zhuǎn)換不同倍數(shù)的物鏡，使試樣分別在100、200、500及1000倍的放大倍數(shù)下觀察金相組織并選取組織的不同位置進(jìn)行拍照，然后將照片按放大倍數(shù)標(biāo)上標(biāo)尺。</p><p>　　2.3.9 硬度測(cè)定&

84、lt;/p><p>　　觀察完試樣的組織后接下來(lái)應(yīng)測(cè)量試樣組織的硬度。本研究中所使用的硬度計(jì)為洛氏硬度計(jì)。洛氏硬度計(jì)HRC硬度的測(cè)試范圍為20-70HRC，適用于硬度較高的材料；而HRB的測(cè)試范圍為20-100HRB，只適用于硬度較低的材料。由于A3鋼中碳及合金元素的含量很低，退火、正火及回火處理后硬度很低，達(dá)不到20HRC，為了使測(cè)量數(shù)據(jù)的更加準(zhǔn)確，退火、正火及回火態(tài)的A3鋼的硬度使用HRB來(lái)進(jìn)行測(cè)定。</p

85、><p>　　第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)鋼退火組織及硬度分析</p><p>　　3.1.1 實(shí)驗(yàn)鋼退火組織分析</p><p>　　不同溫度下退火后實(shí)驗(yàn)鋼的組織形貌如下所示。</p><p>　　圖3.1 實(shí)驗(yàn)鋼780℃退火后的組織形貌</p><p>　　780℃退

86、火下A3鋼的組織為珠光體+鐵素體，A6鋼的組織為粒狀珠光體。</p><p>　　圖3.2 實(shí)驗(yàn)鋼840℃退火后的組織形貌</p><p>　　840℃退火下A3鋼的組織為珠光體+鐵素體，A6鋼的組織為粒。狀珠光體，珠光體顆粒較780℃退火時(shí)大且多。</p><p>　　圖3.3 實(shí)驗(yàn)鋼900℃退火后的組織形貌</p><p>　　900℃退

87、火下A3鋼的組織為珠光體+鐵素體，A6鋼的組織為（片狀+粒狀）珠光體。</p><p>　　圖3.4 實(shí)驗(yàn)鋼960℃退火后的組織形貌</p><p>　　960℃退火下A3鋼的組織為珠光體+鐵素體，A6鋼的組織為片狀珠光體+馬氏體。</p><p>　　由圖3.1-3.4對(duì)比分析知：相同溫度下退火，A3鋼與A6鋼退火組織形貌明顯不同。A3鋼退火組織為珠光體+鐵素體，

88、且隨著退火溫度的升高，珠光體含量逐漸增多，鐵素體含量降低。A6鋼在較低溫度下進(jìn)行退火時(shí)，組織為粒狀珠光體，隨著退火溫度的升高，組織由粒狀珠光體向片狀珠光體轉(zhuǎn)變，當(dāng)退火溫度達(dá)到明顯高于Ac3的960℃時(shí)，組織中出現(xiàn)了少量馬氏體。</p><p>　　珠光體是共析鐵素體與共析滲碳體（或碳化物）有機(jī)結(jié)合的整合組織。由于A6鋼中含有較高的碳,降低了奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大了奧氏體相區(qū),增加了奧氏體的穩(wěn)定性。退火處理冷卻過(guò)程中

89、發(fā)生共析轉(zhuǎn)變時(shí)能得到較多的共析鐵素體與共析滲碳體，所以相同溫度下退火，A6鋼較A3鋼能形成更多的珠光體組織。</p><p>　　合金元素錳、碳、鉻、鉬等均能提高過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,相同退火溫度下緩慢冷卻過(guò)程中A6鋼較A3鋼易出現(xiàn)貝氏體及馬氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)A6鋼在較低溫度下退火時(shí)（780℃、840℃），合金元素錳、鉻、鉬等與碳形成的碳化物不能完全溶入奧氏體中，使奧氏體成分不均勻。而不均勻的奧氏體緩慢冷卻過(guò)程中，合金碳

90、化物抑制了碳的擴(kuò)散，形成的共析滲碳體或碳化物會(huì)以顆粒狀存在于鐵素體基體上，且隨著溫度的升高（840℃），粒狀碳化物會(huì)增大。當(dāng)退火溫度高于Ac3時(shí)（900℃），奧氏體成分趨向于均勻，過(guò)冷奧氏體緩慢冷卻時(shí)，碳化物能以片層狀長(zhǎng)大，故而在900℃下A6鋼會(huì)出現(xiàn)片層狀珠光體組織。隨著溫度的進(jìn)一步升高，明顯高于Ac3時(shí)，由于合金元素的作用，C曲線明顯右移，增加了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，Ms點(diǎn)上升，所以在960℃退火冷卻時(shí)，A6鋼中的仍有少量過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)

91、變?yōu)轳R氏體組織[17-19]。</p><p>　　A3鋼由于碳及合金元素含量很少，退火冷卻時(shí)基本不存在未溶碳化物，碳的擴(kuò)散較容易，Ms點(diǎn)很低，退火時(shí)得到的組織均為鐵素體+片狀珠光體。且由圖3.1-3.4可知，隨著退火溫度的升高，組織成分趨于均勻，增大了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性、碳的擴(kuò)散速度，冷卻過(guò)程中更易轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以A3鋼中的珠光體含量逐漸增多。</p><p>　　高倍光學(xué)顯微鏡下不同

92、退火溫度的A3鋼中的珠光體組織如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 A3鋼不同溫度退火后的組織</p><p>　　如圖3.5所示，a、b、c、d分別為A3鋼780℃、840℃、900℃、960℃退火后的組織。由圖可以看到，隨著退火溫度的升高，A3鋼中珠光體片層間距逐漸加大。這是因?yàn)殡S著退火溫度的升高，奧氏體晶體長(zhǎng)大，奧氏體成分越來(lái)越均勻，碳的擴(kuò)散越來(lái)越快，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w

93、的形核基底減少，珠光體片層間距越來(lái)大。</p><p>　　3.1.2 退火組織的硬度分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)鋼不同溫度下退火后的硬度如下表所示：</p><p>　　表3.1 實(shí)驗(yàn)鋼不同溫度退火后的組織硬度</p><p>　　由上表可知，化學(xué)成分對(duì)退火硬度的影響規(guī)律，在同一溫度下退火，A6鋼的硬度要明顯高于A3鋼的組織硬度，隨著退火

94、溫度的升高，A3鋼、A6鋼的硬度均逐漸升高，特別是A6鋼的硬度隨退火溫度升高而大大增加。</p><p>　　在同一溫度下退火，A6鋼的組織硬度要明顯高于A3鋼的組織硬度。這是由于，一方面由于A6鋼中含有較多的碳及合金元素，在同一溫度下退火時(shí)，A6鋼中珠光體的含量要明顯高于A3鋼，而鐵素體的含量則低于A3鋼，導(dǎo)致A6鋼的硬度要高于A3鋼。另一方面由于A6鋼中含有較多的碳、錳、鉻、鉬等合金元素，碳原子可以溶入鐵的基

95、體中形成間隙固溶體，而錳、鉻、鉬則溶入鐵基中形成置換固溶體。從而引起晶格畸變，固溶強(qiáng)化作用明顯，導(dǎo)致A6鋼退火組織硬度的硬度明顯高于相同溫度退火下A3鋼的組織硬度。</p><p>　　隨著退火溫度的升高，A3鋼、A6鋼的組織硬度均逐漸升高。因?yàn)椋簩?duì)于A3鋼，隨著退火溫度的升高，加熱時(shí)未溶鐵素體減少，奧氏體量增加。當(dāng)退火溫度超過(guò)Ac3后，加熱時(shí)得到全部的奧氏體，且隨加熱溫度升高，碳原子擴(kuò)散速度加快，奧氏體成分趨向

96、于均勻，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的含量越來(lái)越高，而鐵素體含量則越來(lái)越少。由于組織的變化而導(dǎo)致A3鋼的硬度逐漸升高。但是，當(dāng)退火溫度再升高時(shí)，退火組織的硬度基本不會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于A6鋼，由于A6鋼中含有較多的碳及合金元素，合金元素鉻、鉬、錳會(huì)與碳結(jié)合形成碳化物，在較低溫度退火時(shí)（780℃），碳化物較少的溶于奧氏體中，此時(shí)A6鋼的組織為成分不均勻的奧氏體+鐵素體+未溶碳化物，未溶碳化物會(huì)阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，過(guò)冷奧氏體冷卻時(shí)碳化物以粒狀分布于鐵

97、素體基體上形成粒狀珠光體，硬度較低。隨著退火溫度的升高，碳化物逐漸溶解，奧氏體成分逐漸均勻化，退火組織逐漸由粒狀珠光體向片狀珠光體轉(zhuǎn)變，在960℃時(shí)由于合金元素的作用導(dǎo)致C曲線右移，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定，Ms點(diǎn)升高，還出現(xiàn)少量的馬氏體。因此硬度不斷升高。另一方面，隨著退火溫度的升高，碳化物溶解逐漸增多，固溶強(qiáng)化作用也逐漸增大，導(dǎo)致硬度</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)鋼正火組織及硬度分析</p><

98、p>　　3.2.1 化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼正火組織的影響</p><p>　　實(shí)驗(yàn)鋼900℃正火后的組織如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 實(shí)驗(yàn)鋼900℃正火后的組織形貌。</p><p>　　由圖10可知，在900℃正火時(shí)，A3鋼的組織為鐵素體+珠光體，A6鋼則為針狀馬氏體組織。</p><p>　　在900℃下，對(duì)于A3鋼在9

99、00℃時(shí)已經(jīng)完全奧氏體化，且奧氏體成分趨向于均勻化。由于鋼中的碳及合金元素含量均較低，故過(guò)冷奧氏體不穩(wěn)定，在正火冷卻時(shí)，A3鋼發(fā)生先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，得到鐵素體加珠光體組織。且由于鋼中碳的含量較低，正火處理后會(huì)有大量的先共析鐵素體。對(duì)于A6鋼，由于在900℃時(shí)，碳化物大部分溶解，合金元素較均勻的溶入奧氏體中，碳及合金元素鉻、鉬、錳大大增加了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，C曲線右移，Ms點(diǎn)升高，增加了鋼的淬透性。在正火冷卻時(shí)，過(guò)冷奧氏體空淬成

100、針狀馬氏體組織[19]。</p><p>　　3.2.2 化學(xué)成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼正火硬度的影響</p><p>　　經(jīng)測(cè)量得知：900℃正火后A3鋼的組織硬度為86.2 HRB，A6鋼的組織硬度為56.8 HRC。正火后A6鋼的硬度遠(yuǎn)高于A3鋼的硬度，這是由于一方面碳及合金元素提高了A6鋼的淬透性，使A6鋼在正火空冷時(shí)發(fā)生低溫馬氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體組織；而A3鋼得到的卻是鐵素體加珠光體組織，而這

101、兩種組織的硬度均小于馬氏體組織的硬度，導(dǎo)致正火后兩種鋼的硬度差別。另一方面，由于A6鋼中的碳及合金元素溶入鋼的基體中形成間隙固溶體及置換固溶體，固溶強(qiáng)化作用增大了A6鋼的硬度。同時(shí)未溶的碳化物在鋼中作為第二相，起第二。相強(qiáng)化作。用。</p><p>　　3.2.3 正火與退火工藝對(duì)A3鋼組織及硬度的影響</p><p>　　A3鋼900℃退火與900℃正火后的組織形貌如圖3.7所示。<

102、;/p><p>　　圖3.7 A3鋼900℃退火與900℃正火后的組織形貌。</p><p>　?。╝）900℃退火組織；（b）900℃正火組織</p><p>　　由圖11對(duì)比分析知，900℃正火時(shí)A3鋼的晶粒尺寸明顯小于900℃退火時(shí)的晶粒尺寸，這是由于正火時(shí)冷卻速度較快，過(guò)冷度大，珠光體形核率較大，且晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大。故正火組織中的片狀珠光體含量明顯高于退火組織，且

103、珠光體組織細(xì)小，因此900℃下的正火組織的硬度要高于900℃下退火組織。</p><p>　　3.3 實(shí)驗(yàn)鋼淬火組織及硬度分析</p><p>　　3.3.1 實(shí)驗(yàn)鋼淬火組織分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)鋼780℃淬火組織如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 實(shí)驗(yàn)鋼780℃淬火組織</p><p>　　780

104、℃淬火時(shí)，A3鋼的組織為珠光體+鐵素體，這是因?yàn)锳3鋼為普通低碳鋼，含碳量只有0.2%左右，且基本不含其他合金元素，故A3鋼的淬透性非常低。當(dāng)淬火溫度為780℃時(shí)，此時(shí)處于兩相區(qū)，加熱時(shí)碳原子向奧氏體中擴(kuò)散，因?yàn)?80℃較靠近Ac1，保溫后得到的組織為奧氏體+未溶鐵素體，淬火時(shí)由于淬火溫度較低，而A3鋼的淬透性又很差，故780℃時(shí)A3鋼沒(méi)能淬成馬氏體組織，而是得到了珠光體+鐵素體組織。A6鋼的組織為粒狀珠光體+馬氏體（少量）。由于A6鋼