工程材料综合实验报告.docx
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工程材料综合实验报告
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3
2实验材料及设备3
3工艺参数的确定3
3.1退火工艺参数的确定3
3.2淬火工艺参数的确定4
3.3回火工艺参数的确定5
3.4工艺参数曲线6
4实验过程7
4.1准备工作7
4.2完全退火7
4.3淬火9
4.445#重新淬火12
4.5回火14
5实验分析17
5.345#退火与正火的选择17
5.2最佳工艺:
17
5.3存在的问题18
5.4注意事项19
6心得体会21
1实验目的
Ø掌握常用工程结构钢(45#,40Cr)的热处理工艺;
Ø熟悉热处理的流程;
Ø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
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
φ75mm以下正火
φ75mm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(单位:
℃)
钢种
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
Mf
45#
724
780
682
751
336
50
40Cr
743
782
693
730
355
-
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:
τ=KD(单位为min),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,τ=1.6×7.5=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τ=αKD(单位为min),式中的α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
1
870
12
油
2
840
12
油
3
840
12
油
4
840
12
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(温度单位:
℃)
钢种
未回火
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
45#
59
56
54
52
48
46
44
41
37
33
27
23
19
15
40Cr
55
54
52
50
48
47
46
45
42
39
35
31
26
22
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)(温度单位:
℃)
钢种
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
45#
51
49.5
44.5
41
37
32
27.5
22
<17
<17
40Cr
53
50.5
49
48
46
43
38
31
25
20
注:
①45#试样化学成分(质量分数,%):
C0.43,Si0.27,Mn0.61。
试样毛坯φ10mm,840℃水淬。
②40Cr试样化学成分(质量分数,%):
C0.40,Mn0.66,Cr0.97。
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:
热处理工艺如下表:
表3-645#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/min
1
45#
840
12
870
12
油
根据淬火的结果设定
20min或30min
40Cr
2
45#
840
20
油
40Cr
3
45#
840
12
油
40Cr
4
45#
840
12
水
40Cr
4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4-145#和40Cr完全退火后硬度
编号
钢种
1
2
3
4
平均
1
45#
6.1
6.7
6.5
8.5
7.0
40Cr
14.1
16.9
17.5
18.0
16.6
2
45#
*
*
*
*
*
40Cr
15.2
16.3
18.0
15.4
16.2
3
45#
3.8
2.1
1.7
2.2
2.5
40Cr
13.8
13.9
15.4
13.4
14.1
4
45#
过软
40Cr
11.5
11
11
9
10.6
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4-145#,100X
图4-245#,500X
40Cr完全退火后的组织如下:
图4-340Cr,200X
图4-440Cr,500X
4.3淬火
按照表3-6依次进行淬火。
测得硬度如表4-2:
表4-245#和40Cr淬火后硬度
编号
钢种
1
2
3
4
平均
1
45#
26
29
*
*
27.5
40Cr
53.8
54.2
55.1
55.1
54.6
2
45#
23.6
24.1
*
*
23.9
40Cr
55.6
55.4
55.5
55.5
55.5
3
45#
*
*
*
*
*
40Cr
55.5
55.0
54.5
55.0
55.0
4
45#
20.5
31.2
36
35.5
30.8
40Cr
58
60.5
60.5
60.3
59.8
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4-540Cr,870℃保温12min油淬,500X
图4-640Cr,840℃保温20min油淬,500X
图4-740Cr,840℃保温12min油淬,500X
图4-840Cr,840℃保温12min水淬,200X
4.445#重新淬火
根据4.3中45#的淬后硬度调整工艺参数如下:
表4-345#重淬工艺
编号
淬火温度/℃
保温时间/min
淬火介质
1
910
12
盐水
2
930
12
油
3
910
12
油
4
930
12
水
实验结果如下:
表4-445#重淬后硬度(HRC)
编号
1
2
3
4
平均
1
56.6
55.4
55.4
55.5
55.7
2
29.6
30.6
27.6
27.9
28.9
3
31.4
31.2
31.0
29.4
30.8
4
41.2
33.1
31.1
34.7
35.0
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4-945#重淬,910℃保温12min盐水淬,500X
图4-1045#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4-545#和40Cr的回火工艺
编号
钢种
加热温度/℃
保温时间/min
1
45#
470
20
40Cr
550
30
2
-
-
-
40Cr
550
30
3
-
-
-
40Cr
530
30
4
45#
230
20
40Cr
500
30
试验结果如表4-6:
表4-645#和40Cr回火后硬度
编号
钢种
1
2
3
4
平均
1
45#
33.0
34.0
33.0
33.4
33.4
40Cr
34.9
35.3
35.5
35.1
35.2
2
45#
—
—
—
—
—
40Cr
35.0
35.0
35.5
35.3
35.2
3
45#
—
—
—
—
—
40Cr
36.0
35.5
36.0
36.6
36.0
4
45#
35.7
37
39.1
40.5
38.1
40Cr
36.5
36.4
36.0
36.8
36.4
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4-1140Cr,530℃保温30min,500X
图4-1240Cr,530℃保温30min,200X
图4-1340Cr,550℃保温30min,200X
45#回火后的金相组织如下:
图4-1445#,470℃保温20min,500X
图4-1545#,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4-1645#在开裂后的金相组织,200X
5实验分析
5.345#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,HRC<10,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5-145#正火后硬度
编号
1
2
3
4
平均
3
14.1
14.4
15.7
13.4
14.4
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
1
45#
860
12
空冷
14.4
910
12
盐水
55.7*
470
20
33.4*
2
40Cr
840
12
炉冷
16.2
840
12
油
55.0
550
30
35.2*
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:
①45#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4-245#,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。
②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。
③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。
①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。
②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4-245#和40Cr淬火后硬度(部分)
编号
钢种
1
2
3
4
平均
4
45#
20.5
31.2
36
35.5
30.8
其金相组织如下:
亮白色部分为铁素体
图5-145#,840℃保温12水淬,200X
5.4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5-245#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)
1
2
3
4
平均
淬火
930℃
12min
水
41.2
33.1
31.1
34.7
35.0
回火
230℃
20min
-
35.7
37
39.1
40.5
38.1
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5-345#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)
1
2
3
4
平均
1
910℃
12min
盐水
56.6
55.4
55.4
55.5
55.7
4
930℃
12min
水
41.2
33.1
31.1
34.7
35.0
其金相组织证明了此推测:
图5-245#,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4-1645#在开裂后的金相组织,200X
6心得体会
参考文献
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