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工程材料综合实验报告学院：动力与机械学院专业：材料类学号：组号：姓名：目录1实验目的32实验材料及设备33工艺参数的确定33.1退火工艺参数的确定33.2淬火工艺参数的确定43.3回火工艺参数的确定53.4工艺参数曲线64实验过程74.1准备工作74.2完全退火74.3淬火94.4 45#重新淬火124.5回火145实验分析175.3 45#退火与正火的选择175.2 最佳工艺：175.3 存在的问题185.4 注意事项196心得体会211实验目的 掌握常用工程结构钢（45#，40Cr）的热处理工艺； 熟悉热处理的流程； 比较不同的热处理工艺对材料组织性能的影响，并获得易切削、最终硬度达到32-35HRC的较理想的45#或40Cr的热处理工艺。2实验材料及设备实验材料：4个方形45#试样（横截面为正方形，边长10mm），4个圆柱形40Cr试样（横截面为圆形，直径15mm）；砂纸一套，玻璃板，木夹，棉球，100%酒精，4%的硝酸酒精溶液；实验设备：箱式电阻炉，洛氏硬度计（HR-150A），抛光机，金相显微镜。3工艺参数的确定本实验中，将45#与40Cr组合，形成四组，故须制定四组热处理工艺。3.1退火工艺参数的确定在本实验中，为了降低材料的硬度，便于切削加工，需要对材料进行退火或正火处理，退火或正火的选取可由含碳量作参考。表3-1给出了一个为获得最佳切削加工性而选择的热处理工艺。表3-1 为获得最佳切削加工性而选择的热处理工艺 1 胡光立，谢希文编著.钢的热处理（原理和工艺）（第3版）.西安：西北工业大学出版社，2010.3，71-72钢的碳含量/（%）最佳显微组织推荐热处理工艺0.06-0.20铁素体+细珠光体热轧（最经济）或正火0.20-0.30铁素体+细珠光体75mm以下 正火75mm以上 热轧0.3-0.40粗珠光体+最少的铁素体完全退火0.40-0.60粗珠光体到粗球化体不完全退火球化退火0.60-1.00球化体球化退火从上表可以看出45#与40Cr的推荐热处理工艺是完全退火，即加热至完全得到奥氏体后炉冷。1） 加热温度的确定45#与40Cr的临界温度如表3-2所示表3-2 临界温度 2 潘新民，黄洁雯编.结构钢热处理技术数据手册.北京：机械工业出版社，2013.3，52，232 （单位：）钢种Ac1Ac3Ar1Ar3MsMf45#7247806827513365040Cr743782693730355-完全退火的加热温度一般是Ac3以上20-30，在本实验中，参照表3-2取840。2） 保温时间的确定工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部达到均匀化的奥氏体。完全退火保温时间与钢材成分，工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。通常，加热时间以工件的有效厚度来计算。一般碳素钢或低合金钢工件，当装炉量不大时，在箱式炉中退火的保温时间可按下式计算：=KD（单位为min） 3 马鹏飞，李美兰主编.热处理技术.北京：化学工业出版社，2008.12，57，式中的D是工件有效厚度（单位为mm），K是加热系数，一般K=1.5-2.0min/mm。在本实验中，45#试样与40Cr试样的有效厚度分别是5mm、7.5mm。于是当K取1.6时，=1.67.5=12（min）。由于切削性易于满足，故本实验四组工艺的完全退火工艺完全一致：840保温12min炉冷。3.2淬火工艺参数的确定1）加热温度的确定确定钢材的淬火加热温度时，应考虑钢的化学成分。工件尺寸和形状，技术要求、奥氏体的晶粒长大倾向，以及淬火介质与淬火方法等因素。对碳钢来说，根据实践经验，其淬火加热温度对亚共析钢为Ac3+30-50；共析钢和过共析钢为Ac1+30-50。结合表3-2，选取温度值840、870。3） 保温时间的确定淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并在该温度下使工件内外各部分均完成组织转变、碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。结合常用的经验公式=KD（单位为min），式中的为加热系数（单位为min/mm），K为装炉修正系数，D为工件有效厚度（单位为mm）以及参考前面完全退火时间确定为12min，并设定一组为20min以作比较。4） 淬火介质的确定选择淬火介质的原则是：在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。当结合过冷奥氏体连续冷却转变曲线和淬火本质选择淬火介质时，还应考虑其冷却特性，因此，淬火介质应作如下选择：在相当于被淬火钢的过冷奥氏体最不稳定区有足够的冷却能力，而在马氏体转变区其冷却速度又很缓慢。由本实验中工件尺寸较小不考虑盐水淬，故选择淬火介质为水与油。综合上述三点，淬火工艺如表3-3：表3-3 淬火工艺工艺编号加热温度/保温时间/min淬火介质187012油284012油384012油484012水3.3回火工艺参数的确定本实验回火的目的是将工件的硬度降至32-35HRC，以便得到较好的强度与韧性的搭配。1）加热温度的确定一般情况下，回火温度对硬度的影响如表3-4：表3-4 回火温度对硬度（HRC）的影响 4 同2，53，233 （温度单位：）钢种未回火10015020025030035040045050055060065070045#595654524846444137332723191540Cr5554525048474645423935312622下面两组数据是对应具体试样的45#与40Cr的硬度随温度的变化值表3-5 不同温度回火后试样的硬度（HRC） 5 同4（温度单位：）钢种20025030035040045050055060065045#5149.544.541373227.522171740Cr5350.54948464338312520注：45#试样化学成分（质量分数，%）：C 0.43，Si 0.27，Mn 0.61。试样毛坯10mm，840水淬。40Cr试样化学成分（质量分数，%）：C 0.40，Mn 0.66，Cr 0.97。热处理毛坯：12mm。850油淬。由于表3-5的试样尺寸，淬火温度与本实验相近，故选取回火温度时以表3-5为主。故最佳温度45#为440左右，40Cr为530左右。另外设对照组加以比较。2）保温时间的确定由于工件较小，保温时间在20min和30min二者之中选取。3.4工艺参数曲线综上，工艺曲线如下：炉冷45#，440，20min40Cr，530，30min油淬水淬840，12min870，12min温度/时间/h热处理工艺如下表： 表3-6 45#和40Cr的热处理工艺编号钢种退火淬火回火加热温度/保温时间/min加热温度/保温时间/min淬火介质回火温度/回火时间/min145#8401287012油根据淬火的结果设定20min或30min40Cr245#84020油40Cr345#84012油40Cr445#84012水40Cr4实验过程4.1准备工作将试样分成四组，每组各有一个45#试样和一个40Cr试样。随意抽取45#试样和40Cr试样各一个，用洛氏硬度计测硬度。45#的初始硬度为57HRC，40Cr的初始硬度为27HRC。4.2完全退火按照表3-6依次进行完全退火。测得硬度如表4-1：表4-1 45#和40Cr完全退火后硬度编号钢种1234平均145#6.16.76.58.57.040Cr14.116.917.518.016.6245#*40Cr15.216.318.015.416.2345#3.82.11.72.22.540Cr13.813.915.413.414.1445#过软40Cr11.51111910.6注：表中“*”代表缺少数据，后面表中的“*”代表同样的意思。可以发现上述四组试样中：45#试样的硬度变化较大，说明成分有较大波动；而40Cr则好一些。45#完全退火后的组织如下：图4-1 45#，100X图4-2 45#，500X40Cr完全退火后的组织如下：图4-3 40Cr，200X图4-4 40Cr，500X4.3淬火按照表3-6依次进行淬火。测得硬度如表4-2：表4-2 45#和40Cr淬火后硬度编号钢种1234平均145#2629*27.540Cr53.854.255.155.154.6245#23.624.1*23.940Cr55.655.455.555.555.5345#*40Cr55.555.054.555.055.0445#20.531.23635.530.840Cr5860.560.560.359.8从表4-2可以看出40Cr淬火后硬度在正常范围内，但45#的淬后硬度普遍偏低无法满足要求。故对45#进行重新淬火。40Cr淬后组织如下：图4-5 40Cr，870保温12min油淬，500X图4-6 40Cr，840保温20min油淬，500X图4-7 40Cr，840保温12min油淬，500X图4-8 40Cr，840保温12min水淬，200X4.4 45#重新淬火根据4.3中45#的淬后硬度调整工艺参数如下：表4-3 45#重淬工艺编号淬火温度/保温时间/min淬火介质191012盐水293012油391012油493012水实验结果如下：表4-4 45#重淬后硬度（HRC）编号1234平均156.655.455.455.555.7229.630.627.627.928.9331.431.231.029.430.8441.233.131.134.735.0从上面的结果可以看出第1组的硬度满足要求，第4组可以考虑低温回火使得硬度稍微降低。45#重新淬火后金相组织如下：图4-9 45#重淬，910保温12min盐水淬，500X图4-10 45#重淬，930保温12min水淬，200X可以看出，采用工艺“930保温12min水淬”后，45#晶粒粗大，明显过热。4.5回火考虑到45#和40Cr淬火后硬度差别较大，因此对二者分别制定工艺。如表4-5所示。表4-5 45#和40Cr的回火工艺编号钢种加热温度/保温时间/min145#4702040Cr550302-40Cr550303-40Cr53030445#2302040Cr50030试验结果如表4-6：表4-6 45#和40Cr回火后硬度编号钢种1234平均145#33.034.033.033.433.440Cr34.935.335.535.135.2245#40Cr35.035.035.535.335.2345#40Cr36.035.536.036.636.0445#35.73739.140.538.140Cr36.536.436.036.836.4注：表中“-”表示未做此实验。从上面可以看出，45#的回火工艺“470保温20min”取得了较好效果，40Cr的回火工艺中温度稍低，但回火工艺“530保温30min”基本满足要求。另外，第4组的45#工件230回火后硬度略有升高。40Cr回火后的金相组织如下：图4-11 40Cr，530保温30min，500X图4-12 40Cr，530保温30min，200X图4-13 40Cr，550保温30min，200X45#回火后的金相组织如下：图4-14 45#，470保温20min，500X图4-15 45#，230保温20min，100X另外，前述第4组的45#在采用工艺“470保温20min”进行回火之前，停留时间太长，导致裂纹出现，如下图：图4-16 45#在开裂后的金相组织，200X5实验分析5.3 45#退火与正火的选择在本实验中，考虑到45#在完全退火后过软，HRC10，因此对45#进行一次正火实验，工艺为“860保温12min空冷”，测得硬度如表5-1：表5-1 45#正火后硬度编号1234平均314.114.415.713.414.4故45#可采用正火来作为切削之前的热处理工艺。5.2 最佳工艺：1）本次实验最佳工艺；根据本实验的数据，较符合要求的工艺如下表：表5-2 本次实验最佳工艺编号钢种完全退火/正火淬火回火加热温度保温时间冷却方式参考硬度加热温度保温时间淬火方式参考硬度加热温度保温时间参考硬度145#86012空冷14.491012盐水55.7*4702033.4*240Cr84012炉冷16.284012油55.05503035.2*注：温度单位为，时间单位为min，硬度单位HRC。从上面可以看出45#需要较高的正火、淬火温度，但保温时间短；40Cr完全退火需要较低的正火、淬火温度，但回火温度很高，回火保温时间较长（在本实验中回火温度为550，效果仍然不是很明显）。2）预测最佳工艺基于本次最佳工艺的不足，当采用40Cr试样时，其回火温度需要进一步升高，如580摄氏度左右，这时可以缩小保温时间，如25min。但此工艺需要进一步验证。5.3 存在的问题1）本实验中45#淬火温度远高于Ac3线（差值达130）。分析可能原因如下：45#的化学成分不准确，其实际含碳量远低于0.45%。但此说法牵强，对于本实验中符合要求的45#试样其退火组织如图4-2所示：图4-2 45#，500X可以看出该金相组织的珠光体含量与标准45#珠光体含量57%相差不是很大。该试样采用盐水淬，与之同炉淬火的是采用油淬的第3组的45#试样，其淬后硬度为30.8HRC。故淬火介质对试样的硬度有影响。操作不规范，实际的淬火温度与保温时间与制定工艺不符。2）本次试验的四组45#试样成分存在着不一致与不均匀的问题。各组试样成分不一致：本实验所有试样采用同炉完全退火，但退火后的硬度相差太大。参见表4-1。试样内部成分的不均匀：如第4组中的45#试样，其第一次淬火后硬度见表4-2，摘抄部分如下：表4-2 45#和40Cr淬火后硬度（部分）编号钢种1234平均445#20.531.23635.530.8其金相组织如下：亮白色部分为铁素体图5-1 45#，840保温12水淬，200X5.4 注意事项1）回火脆性第4组中的45#试样在进行重淬并低温回火（230）后硬度不降低反而升高，疑似回火脆性，硬度比较如表5-2：表5-2 45#重淬后与低温回火后硬度的比较热工艺加热温度保温时间淬火介质硬度（HRC）1234平均淬火93012min水41.233.131.134.735.0回火23020min-35.73739.140.538.1注：硬度编号并不代表同列数据测自同一点，只是测量顺序。2）过热组织比较重淬后第1组和第4组的45#试样，可以发现后者淬火温度高，但淬火硬度低，故推测后者过热：表5-3 45#重淬工艺及淬火硬度的比较编号加热温度保温时间淬火介质硬度（HRC）1234平均191012min盐水56.655.455.455.555.7493012min水41.233.131.134.735.0其金相组织证明了此推测：图5-2 45#，930保温12min水淬，200X因此，做此类实验时应考虑过热组织的出现。过热组织硬度下降的原因如下：钢过热时，奥氏体内溶解的碳及合金元素增多，奥氏体的稳定性增高，使Mz点降至常温以下，淬火后奥氏体不能完全转变为马氏体，以残余奥氏体存在于钢中。与马氏体相比，残余奥氏体组织硬度很低，使得淬后的组织硬度比细马氏体组织下降许多。3）裂纹的形成在整个热处理过程中，必须注意各种应力对裂纹产生的影响，避免裂纹的产生。如第4组45#经最终回火处理后出现裂纹。参见图4-16：图4-16 45#在开裂后的金相组织，200X6心得体会参考文献