Si2Mn的热处理性能研究

兰州理工大学本科毕业论文I摘 要通过对 60Si2Mn 进行均匀化退火、奥氏体化、正火和回火处理，研究这种材料在高温退火和回火处理下得到的组织，以及对这种材料的力学性能进行测试。通过光学显微镜(OM),硬度计对 60Si2Mn 组织和性能进行分析。结果表明，珠光体的片层间距随转变温度的降低而减小，不受奥氏体化温度和奥氏体晶粒大小的影响。珠光体是一种硬而脆的组织。60Si2Mn 在均匀化退火后可以得到均匀的组织。在相同的时间下等温，温度越高 60Si2Mn 析出的碳化物等组织越多。关键词：退火，正火，组织，性能兰州理工大学本科毕业论文IIABSTRACTBy 60Si2Mn the homogenization, austenitizing, normalizing and tempering treatment, study the material at high temperature annealing and tempering with the next to get the organization, as well as the mechanical properties of this material for testing. By optical microscopy (OM), hardness and properties of 60Si2Mn analysis. The results show that the pearlite lamellar spacing with the transition temperature decreases, from austenitizing temperature and austenite grain size. Pearlite is a hard and brittle tissue. 60Si2Mn after the homogenization of the tissue can be uniform. At the same time the lower temperature, the higher the temperature carbide precipitation and other organizations 60Si2Mn more.Keywords: Annealing, Normalizing, Organization, Performance兰州理工大学本科毕业论文III目 录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 文献综述 .11.1 引言 .11.2 60Si2Mn 概述 .21.3 等温处理 .61.4 力学性能 .8第二章 实验方案及过程 .152.1 实验方案 .152.2 实验过程 .152.2.1 试样的制备 .152.2.2 均匀化退火 .152.2.3 奥氏体化 .162.2.4 正火 .162.2.5 等温淬火 .172.2.6 磨样、抛光、腐蚀及拍金相照片 .172.2.7 硬度 .17第三章 结果分析与讨论 .183.1 显微组织分析 .183.1.1 退火组织分析 .183.1.2 正火组织分析 .193.1.3 组织比较 .193.2 硬度测试 .223.2.1 维氏硬度试验 .223.2.2 本实验数据及分析 .22实验结论 .24参考文献 .25外文原文 .27外文翻译 .33致 谢 .43兰州理工大学本科毕业论文1第一章 文献综述1.1 引言60Si2Mn钢具有较强的过热敏感性，易产生淬火裂纹，且由于Si是强石墨化元素，从而呈现较明显的脱碳倾向，即使有轻微的脱碳，也会对耐磨性、疲劳强度有显著影响。锰的作用在于提高钢的淬透性、耐磨性。60Si2Mn在950附近淬火，可获得相当多板条马氏体，使K值升高，并且具有足够的 K 值，最好的抗压屈服强度，较高的抗弯强度抗压强度及优量的耐磨性能。生产实践结果证明，60Sin2Mn 采用930一95O的高温淬火，金相组织中板条马氏体数量增多，甚至可以获得全部板条马氏体组织，有较高的断裂韧度，冲击钢度和优良的耐磨性。60Si2Mn 钢的临界点： Ac0755 ，Ac3 810 ，Ms305 。冷冲头淬火加热温度选择在800 进行，加热过程中就会形成细小的奥氏体和少量的未溶铁素体。若将结构钢在Ac1一Ac3，之间淬火、再回火(亚临界处理或亚温淬火) ，它可以提高钢的低温韧性和抑制回火脆性。单位晶界面积杂质偏聚程度减少了，未溶铁素体也较细小且分布均匀，有利于提高韧性。只有原始组织处于调质状态，在临界区某一范围内加热淬火，韧化效果才显著。近年来，对亚共析钢进行亚温淬火，可获得少量细小、均匀分布的铁素体与马氏体组织，即不降低硬度，还可以提高韧性和使用寿命 。由于细化强韧化及少量铁素体的存在，使冲头强韧性大大提高。60Si2Mn的热处理规范是油淬火、回火。其工艺为预热、加热、保温、冷却、回火保温、冷却等。60Si2Mn 通常的淬火温度为 860土10，淬火保温时间可取0.50.6min/mm 1。淬火保温时间关系到淬火的透烧时间，若控制不当，铁素体则不能全部溶解。在高于Ac0温度以上的温度保温冷却到常温是奥氏体-马氏体的转变过程。淬火后的回火能消除淬火后出现的热应力和组织应力。 “油淬回火”的主要过程是以钢材通过加热到Ac。以上的理想温度后经过过冷急剧冷却转变为马氏体，得到的晶粒组织不理想，淬火马氏体组织回火后得到回火托氏体或索氏体组织；若淬火加热和冷却及回火温度控制不当，容易形成部分索氏体或全部索氏体。兰州理工大学本科毕业论文260Si2Mn弹簧于860加热， 320等温30min，和普通热处理比较(在等硬度HRC4849 条件下) ，前者的冲击寿命为1430次，后者只有 620次，提高了产品质量和使用寿命。亚温淬火是一种新工艺，其强韧化机理是使晶粒细化，少量未溶铁素体能阻止裂纹的扩展，使残余奥氏体增多以及改善有害杂质元素的分布等，因而提高了钢的强韧性。此外，还能降低钢的脆性转变温度，抑制钢的可逆回火脆性，因而被广泛用于结构钢。60Si2Mn应用亚温淬火，也可取得一定的效果，有人建议要对其进行亚温贝氏体淬火的研究。研究结果表明，60Si2Mn 采用950的高温淬火，可以得到明显的板条马氏体，有最好的强韧性。因此，在较高炉温条件下进行快速加热，使60Si2Mn获得细小晶粒和更多的板条马氏体，能提材料的综合机械性能。1.2 60Si2Mn 概述1.2.1 60Si2Mn的热处理金属热处理是将固态金属（包括纯金属和合金）通过特定的加热和冷却方法，使之获得工程技术上所需的一种工艺过程的总称。热处理能获得这样的效果，是因为固态金属在温度（也包括压力）改变时，其组织和结构会发生变化（通称固态相变） ，如能根据其变化规律，采取特定的加热和冷却方法，控制相变过程，使可获得所需的组织、结构和性能 2。传统热处理包括退火、淬火、正火、回火。退火是将钢加热到适当的温度，经过保温后以适当的速度冷却，以降低硬度、改善组织、提高加工性的一种热处理工艺。正火是将钢加热到 AC3 或 Acm 以上 3050保温，然后在室温的静止空气中自然冷却，正火可以细化晶粒，是组织均匀化，改善铸件的组织和低碳钢的切削加工性能，也可以作为预备热处理，为随后的热处理做准备。钢的淬火是将钢加热到临界温度（AC3 或 AC1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷却的一种工艺过程。淬火钢的组织在多数情况下主要为马氏体，有时也有主要为贝氏体或马氏体与贝氏体的混合物，此外还有少量的残余奥氏体和未融的第二相。一般来说，淬火后还必须有回火与之配合，已达到下列目的： 提高硬度和兰州理工大学本科毕业论文3耐磨性，如刃具、量具、模具等； 提高强韧性，如各种机器零件； 提高硬磁性，如用高碳钢和磁钢制的永久磁铁； 提高弹性，如各种弹簧； 提高耐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。可见，淬火是使钢强化和获得某些特殊使用性能的主要方法。回火是将淬火后的钢在 A1 一下的温度加热、保温，并以适当的速度冷却的工艺过程。回火的基本目的是提高淬火钢的塑性和韧性，回火的另一目的是降低和消除淬火引起的残余内应力，这对于稳定工具钢制品的尺寸特别重要。一般来说，淬火零件不经过回火就投入使用时十分危险的，也是不容许的。某些含碳量较高的钢制大型零件或复杂零件甚至淬火后在等待回火期间就发生突然爆裂，这更清楚的说明了淬火钢的脆性和残余亦应力之大，也说明了回火和及时回火的重要性。回火可以在 A1 一下很宽的温度范围内进行，钢的性能也可以在很宽的温度范围内变化。因此，淬火是调整钢制零件的性能以满足使用要求的有效手段。 化学热处理有渗碳、渗氮还有碳氮共渗。渗碳是将钢件置于有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的热处理工艺。根据使用的介质的物理状态，可以将渗碳分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三种。气体渗碳具有碳势可控、生产率高、劳动条件好和便于直接淬火等优点，因此应用最为广泛。渗氮是将氮渗入到钢件表面，以提高其硬度、耐磨性和疲劳强度地一种化学热处理方法。它的发展比渗碳晚，但如今已获得十分广泛的应用，尤其是在航空工业中，这主要是应为具有以下几点： 高的硬度和耐磨性； 高的疲劳强度； 变形小而规律性强； 较高的抗“咬卡”性能； 较高的抗腐蚀性能。1.2.2 热处理工艺与性能关系热处理工艺是获得钢使用性能的一种工艺手段。同一种钢、相同的化学成分，而它们的力学性能可以根据工程上的要求通过不同的热处理工艺获得。当然冶炼条件是影响材料性能的主要因素之一，但热处理是个关键。最佳热处理工艺能充分发挥材料潜在的材质作用，从而提高机械产品的质量。为了消化国外引进技术，以及提高机械产品的质量，很有必要对材料的热处理进行研究。不同热处理下的力学性能（1） 在不同的加热温度下进行淬火，然后均经440进行回火，以研兰州理工大学本科毕业论文4究不同淬火温度，相同回火温度下材料的力学性能，如下表 3：（2） 在870进行淬火，然后经不同温度进行回火处理，以研究相同淬火温度、不同回火温度下的材料力学性能，如表所示：从表1可见不同淬火温度对抗拉强度 b、规定残余伸长应力 r0.2影响不大，并对伸长率硬度影响也不大，但对疲劳极限-1影响比较大。因为试样在临界温度A C3以上加热，随着淬火温度的提高，奥氏体晶粒明显长大。淬火后得到的针状马氏体就较粗；同时奥氏体合金化程度随着淬火温度提高亦有多提高。它对性能的改善起着一定的作用。但它的作用不如奥氏体晶粒长大对性能影响来的大。从表2可见不同回火温度无论对拉伸性能，还是对疲劳性能-1影响都比较大。400回火的试样虽然 b, r0.2都比较高,但对弹簧来说很重要的性能屈服强度比较高，但它的疲劳性能很不稳定。1.2.3 淬透性钢的淬透性是正确选用钢材和制定热处理工艺的重要依据之一。如果工件淬透了，则其表里的性能就均匀一致，能充分发挥钢材的机械性能潜力；如果未淬透，则表里的性能便存在差异，尤其在回火后，心部的强韧性将比表层的低。因此多数结构零件都希望能在淬透的情况下供使用。兰州理工大学本科毕业论文5但是，也并非在任何情况下都要求淬透性越高越好。随着各种零件的受力情况和工艺过程的不同，往往对淬透性有不同的要求。例如，冷冲模具主要要求表面硬而耐磨。故其回火温度一般较低，如果淬透了，反而易于在冲压是发生脆裂。又如，焊接零件若选用淬透性较高的钢制造，往往容易在焊缝热影响区形成淬火组织，从而增大焊接变形和开裂的倾向。可见，根据具体情况选择具有适当淬透性的钢种十分重要 4。由于钢的淬透性高低取决于其淬火临界冷速的大小，而淬火临界冷速的大小又取决于过冷奥氏体的稳定性，因此，凡是影响过冷奥氏体稳定性的因素，也都将影响到钢的淬透性。60Si2Mn钢有较高的弹性 , 其综合性能良好,在我国得到广泛应用。 60Si2Mn 可以制作汽车板簧, 但其淬透性差。钢在正常淬火条件下，超过临界淬火速度冷却所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度，主要与钢的含碳量有关。如图为淬火硬度与含碳量的关系：淬火硬度与含碳量的关系如图可见，钢的含碳量越高，淬透性越高；不考虑合金元素的作用，按照60Si2Mn钢中C的成分范围，正常淬火温度应在HRC50 63。如果钢淬不透，淬火后表面得不到足够数量的马氏体，就会使得淬火硬度不足。增加提高淬透性的元素，有助于保证淬火硬度。绝大多数合金元素融入奥氏体后，均使C曲线兰州理工大学本科毕业论文6右移，降低临界淬火速度，从而显著提高钢的淬透性。如下图所示：含碳 0.3%钢中，合金元素对临界冷却速度的影响（如右图所示）其中以Mn影响最为强烈， 其次是Mo、Cr 、Al、Si 、Ni。C 、Si、 M n 均是提高60Si2Mn 钢淬透性的元素。 60Si2Mn 钢中 C、Si 、Mn 含量高, 其正常淬火硬度必然会高。在相同的过冷度下, 奥氏体成分越均匀, 珠光体形核率越低, 转变的孕育期增长, C 曲线右移, 临界淬火速度减慢, 钢的淬透性越高。奥氏体的实际晶粒度大小对淬透性也有影响。晶粒越粗, 临界冷却速度越小, 淬透性越高。但是, 奥氏体晶粒过粗, 机械性能下降。1.3 等温处理1.3.1 等温淬火有两种等温淬火法，即贝氏体等温淬火法与马氏体等温淬火法。贝氏体等温淬火法是将加热好的工件置于温度高于Ms点的淬火介质中，保持一定时间，使其转变成下贝氏体，然后取出空冷。马氏体淬火法是将加热好的工件置于温度稍低于Ms点的淬火介质中保持一定时间，使钢发生部分的马氏体转变，然后取出空冷。1.3.2 淬火加热温度与保温