〔大学论文〕9SICR模具钢电脉冲球化退火热处理工艺参数的优化（含word文档） .pdf

88 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 论文论文论文论文（设计设计设计设计）题目题目题目题目: : : :w18w18w18w18cr4vcr4vcr4vcr4v 工具钢电脉冲球化退火热工具钢电脉冲球化退火热工具钢电脉冲球化退火热工具钢电脉冲球化退火热 处理工艺参数的优化处理工艺参数的优化处理工艺参数的优化处理工艺参数的优化 papers (design) subject: the optimization of w18cr4v pulse-electric field spheroidizing annealing heat- treatment process parameter 学生姓名：学生姓名：学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系：所在院系：所在院系：机电学院机电学院机电学院机电学院 所学专业：所学专业：所学专业：所学专业：机电技术教育机电技术教育机电技术教育机电技术教育 导师姓名：导师姓名：导师姓名：导师姓名： 完成时间：完成时间：完成时间：完成时间： 88 摘摘摘摘要要要要 本文主要是用数学正交试验法对w18cr4v合金工具钢进行电脉冲球化退火热 处理。然后同普通球化退火热处理在性能和组织上进行比较。结果发现电脉冲球 化退火热处理可以缩短热处理周期，同时可以降低硬度，改善切削加工性能和综 合机械性能，又能降低球化退火的加热温度，并缩短合金工具钢球化退火的保温 时间,提高热处理效率。 关键字：正交试验，电脉冲球化退火关键字：正交试验，电脉冲球化退火关键字：正交试验，电脉冲球化退火关键字：正交试验，电脉冲球化退火 88 papers (design) subject: the optimization of w18cr4v pulse-electric field spheroidizing annealing heat- treatment process parameter abstractabstractabstractabstract this article is mainly carries on the electricity pulse spheroidizing heat treatment with mathematics orthogonal testing method to the w18cr4v alloy tool steel. then carries on the comparison with the ordinary spheroidizing heat treatment on the performance and the organization. the result discovered that the electricity pulse spheroidizing heat treatment may reduce the heat treatment cycle, simultaneously may reduce degree of hardness, theimprovement machiningperformanceandthesynthesis mechanical property, can also reduce the spheroidizing the heating temperature, and reduces the alloy tool steel spheroidizing the soaking time, raises the heat treatment efficiency. 88 目录目录目录目录 1 绪论1 2 电脉冲技术2 2.1 电脉冲电流对金属组织变形的影响2 2.2 电脉冲对材料力学的影响4 3 试验原理、仪器及材料、试验方法4 3.1 试验原理4 3.2 试验仪器5 3.3 选择材料6 3.4 w18cr4v 的常规球化退火工艺.7 3.5 试验方法8 4 正交试验数据计算及分析结果8 4.1 正交实验数据表8 4.2 正交实验设计步骤9 5 正交试验及结果分析.14 .方差分析法计算因素水平的试验指标之和与相应平均值 .最佳水平 .各因素水平效应 .最佳因素选取 6 试验验证15 谢辞18 参考文献19 88 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度， 更 高的抗高压，抗高温，低温，耐腐蚀、磨损以及其他物理化学性能要求，碳钢就 不能完全满足要求了。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获 得的合金钢越来越得到更广泛的应用 1。 18cr4v 为钨系高速钢，具有高的硬度、红硬性及高温硬度。其热处理范 围较宽淬火不易过热，热处理过程不易氧化脱碳，磨削加工性能较好。该钢 600 时硬度分别保持在 60hrc 的高硬度 2。 本次毕业设计以 w18cr4v 合金工具钢作为试验原材料,拟用在等温球化热处 理工艺的基础上，加上电脉冲这一新型工艺,以期达到保证良好球状珠光体组织 的同时，可以在降低硬度，改善切削加工性能和综合机械性能，又能降低球化退 火的加热温度，并缩短冷模具钢球化退火的保温时间,提高热处理效率。 2 2 2 2 电脉冲技术电脉冲技术电脉冲技术电脉冲技术 2.1 电脉冲原理电脉冲原理电脉冲原理电脉冲原理 利用 lc 振荡电路原理，先用高压电源对一组电容器进行充电，将电容器与 一个电感线圈及处理室的电极相连， 电容器放电时产生的高频指数脉冲衰减波即 加在两个电极上形成高压脉冲电场。 按最简单的理解来说就是利用特定的高频高 压变压器得到持续的高压脉冲电场。 2.2 电脉冲电流对金属组织变形的影响电脉冲电流对金属组织变形的影响电脉冲电流对金属组织变形的影响电脉冲电流对金属组织变形的影响 20 世纪90 年代以来，人们开始研究脉冲电流对金属材料超塑性的影响。 具 有超塑性的金属材料的晶粒是等轴的， 当受到外来拉力时， 晶粒沿等轴晶界滑移， 使金属材料具有超常的塑性。脉冲电流作用于合金的过程中，脉冲电流促进原子 扩散,引起应力松弛，协调了晶界滑动，使空洞的形成和长大得到抑制。施加脉 冲电流使晶内运动位错数量及阻力增加，导致流变应力增大。同时由于脉冲电流 增大原子扩散速度，使晶界处位错的攀移速度增加，降低晶界处的应力集中， 抑 制晶界处空洞的形成和长大，避免了试样过早断裂。电脉冲处理技术在材料研究 领域的应用与电迁移理论的发展密切相关 1 。 金属中的电迁移(electromigration) 或电输运( elect rot ransport) 现 象早在19 世纪就已经被发现，但是关于电流对金属材料组织和性能影响的研究 直到近一个世纪之后才系统地开展起来。实验研究发现，电脉冲能够对金属材料 的组织转变和性能产生诸多影响， 脉冲电流处理可以使材料局部发生动态回复和 动态再结晶，使晶粒在超塑变形中趋于等轴状态，从而改善材料的塑性。电脉冲 88 处理能显著改善合金的塑性、韧性和强度。许多专家给予出上述现象的原因主要 是由于电流通过金属时，电子流与位错间存在相互作用，相互的拖曳而使晶粒破 碎， 而达到， 细化材料晶粒组织的目的， 进而提高其塑性变形能力、 韧性和强度。 电脉冲对非晶合金晶化和金属材料再结晶的影响非晶合金中通过电流时， 自由电 子定向运动,通过与非晶中的原子发生碰撞，把动能传递给原子，使原子无规则 热运动加剧。脉冲电流作用于非晶合金导致非晶结构弛豫，提供给非晶中原子额 外冲力作用，使非晶中n 型缺陷受到自由电子运动的周期性排斥，促进了空位的 迁移与湮灭，提高基体金属相的形核率。许多的国内专家学者晁月盛，鄂洪儒等 就高密度电脉冲对fe2si2b非晶合金晶化过程的影响进行了系列研究 5 ，6 。脉冲 电流处理明显促进了非晶合金的晶化。再结晶的发生依赖位错的回复与原子扩 散，脉冲电流能够影响材料中的位错运动和原子扩散，从而会对材料的再结晶过 程产生影响。对超塑变形中的铝锂合金，施加脉冲电流。脉冲电流通过促进位错 滑移和原子扩散，加快位错攀移进入晶界，增大亚晶角度，通过加快位错回复而 加速再结晶形核和提高再结晶形核率。同时通过加速位错在晶界上的攀移及消 失， 减小形核界面两边的能量差而降低形核界面的迁移速率及再结晶核心的长大 速率，进而减小完全再结晶的晶粒直径 7 。不仅塑性变形中的金属再结晶受到电 脉冲的影响，单晶体经高密度脉冲电流处理后，其再结晶行为也产生了变化 8 。 高密度电脉冲处理造成位错的局部湮灭会增大位错分布不均匀区域的位错密度 梯度进而形成再结晶的晶核，并且由于位错在不同方向上进行的难易程度不同， 导致晶粒各向长大尺寸有所区别。由于电脉冲作用时间短，新形成的晶核没有足 够的时间长大，形成了尺寸较小的再结晶晶粒。 因此，经脉冲电流处理后，在单晶体中形成了形状不同，尺寸较小的再结晶 晶粒。脉冲电流处理可以使材料局部发生动态回复和动态再结晶,使晶粒在超塑 变形中趋于等轴状态。电脉冲处理能显著改善合金的塑性、韧性和强度，目前一 般认为上述现象的出现主要是由于电流通过金属时， 电子流与位错间存在相互作 用，拖曳位错运动，降低流变应力，进而提高其塑性变形能力，细化材料晶粒组 织 3。正因为如此，才选用电脉冲这一新型的热处理工艺来进行本次的试验。 2.3 电脉冲对材料力学的影响电脉冲对材料力学的影响电脉冲对材料力学的影响电脉冲对材料力学的影响 h. conrad 等就脉冲电流对多晶金属和2ti 疲劳性能的影响进行了研 究。所得结果为，脉冲电流能够提高多晶金属的疲劳寿命。认为高密度脉冲电流 处理对驻留滑移带( psb) 中的位错运动或次滑移带中的位错运动有影响，从而 提高了滑移带的均匀性，脉冲电流对疲劳寿命的影响随所加应力的降低而增加。 对2ti 的低周疲劳来说，脉冲电流不仅能降低疲劳初期的软化速率，而且可以 消除软化过程中的硬化峰，电脉冲增强了位错运动，促进了低能位错patch 结构 88 的形成。含驻留滑移带的取向的疲劳金属单晶体经高密度脉冲电流处理后,psb 的分布状态趋于均匀，由于电脉冲处理明显改善了psb - 基体界面的应力集中状 态,使驻留滑移带局部消失。电脉冲对金属材料性能的影响疲劳寿命的可能性进 行了理论计算，得到了肯定的计算结果。金属材料的力学性能与材料的组分和晶 粒度密切相关。一般来讲,细小而均匀的组织能够使材料在受力时有较好的协调 变形能力，使材料获得很好的综合力学性能。因此提高材料综合力学性能的改性 研究，多集中在细化、均匀化材料的组织，以及保持细化后组织的稳定性方面。 实验研究发现，金属凝固过程中的脉冲电流处理能够改善组织的均匀性,细化凝 固组织，并能在一定程度上改善材料中宏观缺陷的分布情况，从而提高材料的综 合力学性能。周亦胄等就电脉冲处理对固体金属材料力学性能的影响进行了研 究。实验发现，电脉冲处理可以细化低碳微合金钢的晶粒，且细化后的组织具有 较好的热稳定性。晶粒细化后,钢的综合力学性能得到提高。冷加工经脉冲电流 处理后，得到比常规等温退火处理更细更均匀的晶粒组织，其综合力学性能有所 提高 4。 另外，当前热处理技术主要是围绕着提高产品性能，节能、无氧化、减少公 害、保护环境，减少零件变形，降低成本，提高经济效益等方面进行积极探索， 并已取得了许多成果，出现了一些新型工艺 5。其中电脉冲就是新工艺当中被众 多研究者关注的一种。 因此电脉冲处理技术得到了许多材料科学工作者的关注， 广泛地应用于材料 的制备和性能改善。利用脉冲电场应用于热处理而成为新型的工艺应用。电脉冲 热处理工艺参数在国内，到目前为止还正在探讨研究之中。但是由于脉冲电场的 应用能使材料获得更好的机械性能，在国内外都受到了相关学者的研究兴趣。 其 相关热处理参数的优化也正在探讨之中 6。 3 3 3 3 试验原理、仪器及材料、试验方法试验原理、仪器及材料、试验方法试验原理、仪器及材料、试验方法试验原理、仪器及材料、试验方法 3.1 试验原理试验原理试验原理试验原理 退火是应用非常广泛的一种热处理。 在机器零件或工模具等工件的加工制造 过程中，退火经常作为预先热处理工序，安排在铸造或锻造之后、切削（粗） 加 工之前，用以消除关一工序所带来的某些缺陷，为接下来的工序作准备。例如在 铸造或锻造等热加工以后，钢件中不但存在残余应力，而且组织粗大不均匀， 成 份也有偏析。这样的钢件，机械性能低劣，淬火时也容易造成变形或开裂。经过 适当退火可使钢件的组织细化，成份均匀，应力消除，从而改善机械性能并为以 后的淬火作好准备。同时经过退火后还可以使钢件硬度达到170250hbs左右， 而且比较均匀，从而改善了钢件的切削性能。 88 根据钢的成份和工艺目的不同，退火操作可分为完全退火、等温退火、球化 退火和去应力退火等。 球化退火主要应用于过共析碳钢及合金工具钢（如制造刀具、量具、冷模具 用钢等） ，一般情况下过共析钢的组织为层片状的珠光体秘网状的二次渗碳体组 成，不仅珠光体本身较硬，而且由于网状渗碳体的存在，更增加了钢的硬度和脆 性。这不仅给切削带来困难，而且还会引起淬火时产生变形和开裂。为克服这一 点，在热加工之后必须安排一道球化退火工序，使网状二次渗碳体及珠光体中的 层片状渗碳体都发生球化，变成球状（粒状）的渗碳体，即“球化体” 。其主要 目的是为了降低硬度，改善切削加工性，细化均匀组织提高材料的力学性能， 并 为以后的淬火热处理做好准备。 球化退火是应用于过共析钢及合金工具钢的一种退火方法。将钢加热到 ac1(2030) 然后缓冷下来。随炉冷却到略低于ar1(2040)的温度进行等 温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500左右出炉空冷。 和普通球化退火相比， 球化退火目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗 碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。球化 退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，不仅可缩短周期，而且可使球化 组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。 3.2 试验仪器试验仪器试验仪器试验仪器 考虑到热处理试验后还要对磨出材料的金相组织，除了捆邦工件的铁丝， 钳 子等工具之外，还要有进行粗磨时的各种型号的砂纸，抛光液，及40%的销酸浸 蚀液和用来堵箱式电阻炉炉门的耐火材料板。 本试验选用主要的试验仪器设备有以下几种： sxz2512高温箱式电阻炉如图1所示 脉冲电场发生器，放大器及导线 hr1500洛氏硬度测试机 预磨机和金相试验抛光机和金相显微镜 试验过程经过老师的指导选取脉冲电压为800伏，脉冲频率是50hz，通电脉时间 是520min。 88 图图图图1 1 1 1 高温箱式电阻炉高温箱式电阻炉高温箱式电阻炉高温箱式电阻炉 3.3 选择材料选择材料选择材料选择材料 我所选用的试验材料是常用的钨系列高速钢 w18cr4v，其主要用于制造各种 复杂的小型刀。高速钢 w18cr4v 通用性强，工艺成熟。但碳化物偏析严重，热塑 性低，刀具硬度和红硬性满足不了加工特硬和特韧材料。合金元素含量多，成本 高。通过球化退火，目的是降低硬度、消除应力、细化均匀组织，而且还可以减 少最终热处理的变形和开裂倾向为随后的淬火做好组织准备。 处理后组织为索氏 体和粒状碳化物组成 7。 3.4 w18cr4vw18cr4vw18cr4vw18cr4v的常规球化退火工艺的常规球化退火工艺的常规球化退火工艺的常规球化退火工艺 由于本次试验设计是在普通球化退火的基础上加上电脉冲工艺来做的， 所以 必须对常规的工艺路线图了解清楚，在加脉冲的时候，注意缩短加热温度后的保 温时间和等温保温时间。 以此为参考设计出电脉冲下的球化退火热处理新工艺路 线图 9。 在传统热处理当中经常用的w18cr4v退火热处理工艺路线如图2所示。 88 图图图图2 2 2 2w18cr4vw18cr4vw18cr4vw18cr4v合金工具钢退火热处理工艺路线合金工具钢退火热处理工艺路线合金工具钢退火热处理工艺路线合金工具钢退火热处理工艺路线 3.5 试验方法试验方法试验方法试验方法 球化退火时要综全考虑炉子大小，装炉量，工件尺寸等因素对试验误差的影 响， 有关手册中的经验公式可供参考。 退火冷却温度对碳化物形状基本影响不大， 可是对碳化物的弥散程度；冷却速度大，其弥散程度也大。一般生产中多选用20 50/h的冷却速度，冷却到500600后出炉空冷 8。 将材料切割成12mm 100mm的试样20根。 试验用设备为箱式加热电炉和脉 冲电场发生器。选取脉冲电压为800v，频率为50hz。将脉冲电场发生器金属导线 按顺序分别连接在w18cr4v 钢试样两端的金属铁丝上， 并把钢试样装入箱式加热 炉内加热至（800-860）然后施加脉冲5-20min，保温0.5-2h,随炉冷至740， 再加脉冲电压5-20min，等温后随炉冷至500左右出炉空冷。然后按同样的加热 方法实现施加脉冲电压不同时间的球化退火工艺，工艺曲线图如图3所示。 88 图图图图 3 3 3 3 w18cr4vw18cr4vw18cr4vw18cr4v 电脉冲等温球化退火工艺曲线图电脉冲等温球化退火工艺曲线图电脉冲等温球化退火工艺曲线图电脉冲等温球化退火工艺曲线图 4 4 4 4 正交试验数据计算及分析结果正交试验数据计算及分析结果正交试验数据计算及分析结果正交试验数据计算及分析结果 4.1 正交实验数据表正交实验数据表正交实验数据表正交实验数据表 在生产和科研中，为了研制新产品和改革生产工艺，寻找新的，优良的生条 件，需要做许多因素的试验。有时候当所有的因素都估的话试验次数非常的多。 在方差分析中，对各个因素的每一个水平都要进行试验，这称为全面设计试验。 全面设计试验的试验次数太多，为了改变这种繁锁，找出能够大幅度减少试验次 数而且不会降低试验的可行度的方法，人们从这一思想出发，经过长期的深入的 研究，提出了不需要全面试验的试验设计方法正交试验设计或正交试验法。 正 交试验法在西方发达国家已经得到广泛的应用， 对促进经济的发展起到很大的作 用。在我国，正交试验法的理论研究工作已经有了很大的程度的进展，在工农业 生产中也正在被广泛的推广和应用， 让这种科学的方法能够对经济发展有很好的 帮助 10。 正交试验法就是利用排列整齐的表正交表来对试验进行整体设计， 综合比 较，统计分析，实现通过少数的试验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产 工艺效果和工艺效率。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具 有较强的代表性， 由于正交表具备均衡分散的特点， 保证了全面试验的某些要求， 这些试验能够较好的达到试验的目的。正交表的记号为 ln（r m） 其中 m 是正交表的列数，n 是正交表的行数，r 是因子的水平数。对于所列的一 个正交表其中出现的水平因子数，都有以下两个特点； （1） 每一列中，各种数字出现的次数是相等的； （2） 任何两列中，各种数字的两两组合出现的次数是相等的； 凡是具备以上两个特点的因子水平数字表，就称为正交表。 88 正交表一般分为两部分：一是如何安排试验；二是怎样分析试验结果。 在实际问题中，一个随机变量的取值，往往可能与多外因素有关。例如， 农 作物的产量，可能与农作物的品种有关，还可能与施肥的量的多少有关，可能与 土壤有关，等等。又例如，化工产品的收得率，可能与原料配方有关，可能与崔 化剂的用量有关， 可能与反应温度有关， 可还能与反应容器中的压力有关， 等等。 由于因素很多，自然就会产生这样的问题：这些因素，对于随机变量的取值， 是 否都有显著的影响作用？如果不是所有的因素都有显著的作用，那么，哪些因素 的作用显著？哪些因素的作用不显著？还有，这些因素的作用，是简单地叠加在 一起的呢？还是以更复杂的形式交错在一起的？以上这些问题， 都需要我们从试 验数据出发，来加以判断、分析，做出结论。方差分析就是一种能够解决这类问 题的有效的统计方法。 在方差分析中， 将可能与某个随机变量的取值有关的因素， 称为因子，通常用 a，b， 来表示。各个因子所取的各种不同的状态，称为水平， 用 a1，a2， b1，b2 来表示 11。 4.2 正交实验设计步骤正交实验设计步骤正交实验设计步骤正交实验设计步骤 正交试验设计的主要步骤如下： （1） 选择正交表 ln（r m） 。 （2） 设计表头。 （3） 按照设计做试验 ，取得试验观测值。 （4） 在正交表的每一列中，求出各水平对应的均值，以及这一列的平方和 和相关值。 （5） 列方差分析表，作显著性检验。 （6） 寻找最优组合。 这次试验主要考查加热温度 a（/） 、保温时间 b（/h） 、脉冲时间 c(/min)、 和等温保温时间 d(/h)四项因素对退火后组织性能的影响程度。 根据试验要求，因素 4 水平对热处理后硬度值的影响，其所有 不同的实验条件共有 4 =个，现在我们用正交表安排实验只需要做 16 次 实验，16 次试验硬度值列出正交试验因素表(采用 4 因素 4 水平)，见表 3. 表表表表 3 3 3 3 正交试验因素表正交试验因素表正交试验因素表正交试验因素表 因 素 水平号 加热温度 a（/） 保温时间 b（/h） 脉冲时间 c(/min) 等温保温时 间 d(/h) 18000.550.5 88 28201101 38401.5151.5 48602202 本次试验采用一次回归正交试验设计方法，选用 l16（4 4）正交表，按下表设 置的正交试验参数做试验，并得到考核指标硬度（hbs） 表表表表 4 4 4 4 正交试验表正交试验表正交试验表正交试验表 因素 试验号 加热温度 a（/） 保温时间 b（/h） 脉冲时间 c(/min) 等温保温时 间 d(/h) 试验指标 硬度（hbs） 1a1b1c1d11111y1=218 2a1b2c2d21222y2=223 3a1b3c3d31333y3=220 4a1b4c4d141444y4=225 5a2b1c2d32123y5=210 6a2b2c1d42214y6=215 7a2b3c4d12341y7=220 8a2b4c3d22432y8=224 9a1b1c1d13134y9=208 10a3b2c4d33243y10=206 11a3b3c1d23312y11=200 12a3b4c2d13421y12=210 13a4b1c4d24142y13=225 14a4b2c3d14231y14=216 15a4b3c2d44324y15=212 16a4b4c1d34413y16=209 1i k 221.5215.25210.5216 2i k 217.5215213.75218 3i k 206213217211.25 88 4i k 215.5217213.5215 2 4 1 )(y ij j k = 219.68758.062529.437517.4375 si14.82.845.394.17 12121212 正交实验结果及分析正交实验结果及分析正交实验结果及分析正交实验结果及分析 12.1 方差分析法计算方差分析法计算方差分析法计算方差分析法计算 a a a a 因素因素因素因素 4 4 4 4 水平的试验指标之和与相应平均值。水平的试验指标之和与相应平均值。水平的试验指标之和与相应平均值。水平的试验指标之和与相应平均值。 计算 a 因素 4 水平的试验指标之和与相应平均值。 k1a= 218+223+220+225=886 k1a=8864=221.5 k2a=210+215+220+224=869 k2a=8694=217.25 k3a= 208+206+200+210=824 k3a=8244=206 k4a= 225+216+212+209=862 k4a=8624=215.5 计算 b 因素 4 水平的试验指标之和与相应平均值。 k1b=218+210+208+225=861 k1b=8614=215.25 k2b=223+215+206+216=860 k2b=8604=215 k3b=220+220+200+212=852 k3b=8524=213 k4b= 225+224+210+209=868 k4b=8684=217 计算 c 因素 4 水平的试验指标之和与相应平均值。 k1c=218+215+200+209=842 k1c=8424=210.5 k2c=223+210+210+212=855 k2c=8554=213.75 k3c=220+224+208+216=868 88 k3c=8684=217 k4c=225+220+206+225=876 k4c=8764=219 计算 d 因素 4 水平的试验指标之和与相应平均值。 k1d=218+220+210+216=864 k1d=8644=216 k2d=223+224+200+225=872 k2d=8724=218 k3d=220+210+206+209=845 k3d=8454=211.25 k4d=225+215+208+212=860 k4d=8604=215 16 次实验硬度平均值 x=1/16（218+223+220+225+210+215+220+ 224+208+206+200+210+225+ 216+212+209）=215.0625 总偏差平方和 总偏差平方和反映了试验结果总偏差程度，其产生来源有两个方面：一方面是由 于每次实验中各因素的水平搭配不同而引起；另一方面是由于存在试验误差。 它 是由各个数据与平均值之差的平方和来估计。该平方和称为总偏差平方和 12。 s总偏差平方和=（218-215.0625） 2+（223-215.0625）2+（220-215.0625）2+ （225-215.0625） 2+（210-215.0625）2+（215-215.0625）2+ （220-215.0625） 2+（224-215.0625）2+（208-215.0625）2+ （206-215.0625） 2+（200-215.0625）2+（210-215.0625）2+ （225-215.0625） 2+（216-215.0625）2+(212-215.0625)2+(209-215.0625)2 =854.9375 因数偏差平方和 由于因数水平变化而引起的数据偏差量称为因素的偏差平方和。 因素 a 的偏差平方和 sa=4( k1a - - - - x ) ) ) ) 2 2 2 2 +( k2a - - - - x ) 2 +（ k3a - - - - x ） 2+（ k4a - x ） 2 =4(221.5-215.0625) 2+(217.25-215.0625)2 +(206-215.0625) 2+(215.5-215.0625)2 =514.2 88 因素 b 的偏差平方和 sb=4( k1b- - - -x ) ) ) ) 2 2 2 2 +( k2b - - - - x ) 2 +（ k3b - - - - x ） 2+（ k4b - x ） 2 =4(215.25-215.0625) 2+(215-215.0625)2 +(213-215.0625) 2+(217-215.0625)2 =32.2 因素 c 的偏差平方和 sc= 4( k1c - - - - x ) ) ) ) 2 2 2 2 +( k2c - - - - x ) 2 +（ k3c - - - - x ） 2+（ k4c - x ） 2 =4(210.5-219.0625) 2+(213.75-219.0625)2 +(217-219.0625) 2+(219-219.0625)2 =167.2 因素 d 的偏差平方和 sd=4( k1d - - - - x ) ) ) ) 2 2 2 2 +( k2d - - - - x ) 2 +（ k3d - - - - x ） 2+（ k4d - x ） 2 =4(216-219.0625) 2+(218-219.0625)2 +(211.25-219.0625) 2 +(215-219.0625) 2 =100.92 误差平方和 任何实验都是存在误差的.误差的来源包括人为操作误差、 实验仪器本身的误差、 正交表的安排等， 当误差比较大或我们对实验精度要求较高时必须对误差做出恰 当的分析，以保证实验的可靠性。一般用各实验数据与平均值的偏差来近似地估 计计算，为消除各偏差值的正、负相互抵消，而将偏差平方后在相加。所的得到 的和就是误差平方和 13。 se= s总偏差平方和(sa+sb+sc+sd) =40.41 总自由度 t fn=116115 n-为总试验次数 因数自由度 a f= b f=r-1 是各因子的自由度， i f=m-1=3 m-为水平数 误差自由度 = et ff各因素自由度之和 88 fe=ft-12=3 f 值得计算 = i i i e e s f f s f = 方差来源 a 的 f 值计算 fa=safe/sefa=514.2340.413=12.72 方差来源 b 的 f 值计算 fb=sbfe/sefb=32.2340.413=0.7968 方差来源 c 的 f 值计算 fc=scfe/sefc=167.2340.413=4.1376 方差来源 d 的 f 值计算 fd=sdfe/sefd=100.92340.413=2.497 均方的计算 方差来源 a 的均值 sa =sa/(m-1)= 514.2/3=171.4 方差来源 b 的均值 sb =sc/(m-1)= 32.2/3=10.7 方差来源 c 的均值 sc =sc/(m-1)= 167.2/3=55.7 方差来源 d 的均值 sd =sd/(m-1)= 100.92/3=33.64 方差来源 e 的均值 se = e s/ e f= 40.41/3=13.47 表 8 列方差分析表见 表表表表 8 8 8 8 方差分析表方差分析表方差分析表方差分析表 当第i列因素对试验结果没有影响时，有 方差来源平方和自由度均方f 值 a3 b37 c38 d3 e3 88 () i i iie e e s f fff f s f = 因此，当 i f大于f时，可以认为第 i 列因素对试验结果有显著影响；否则， 认为没有显著影响。这就是正交设计的方差分析。 因为/ ii sf比/ ee sf大，所以因素 a 是非常重要因素，c、为次要因素。如图 4 图示如下 主次 加热温度脉冲时间保温时间 图图图图 4 4 4 4因素主次顺序图因素主次顺序图因素主次顺序图因素主次顺序图 根据实验我们可以得到各因素和水平对该实验的硬度值的均值影响趋势， 对 于每个因素，以水平数为横坐标，以硬度值为纵坐标 14。在坐标图上描点，便得 该因素的趋势图，本次实验四个因素的趋势图见图 4。 图图图图 5 5 5 5 因素的趋势图因素的趋势图因素的趋势图因素的趋势图 12.2 最佳水平最佳水平最佳水平最佳水平 根据因素的重要性和水平的效应情况选择最佳水平。为了确定最佳水平， 先 计算各水平的效应。 ..1 各因素水平效应各因素水平效应各因素水平效应各因素水平效应 ijij ij ky kj y = 因数i水平的均值 试验结果均值 a1=221.5-215.0625=6.4375 a2=217.5-215.0625=2.4375 a3=206.5-215.0625=-8.5625 88 a4=215.5-215.0625=0.4375 b1=215.25-215.0625=0.1875 b2=215-215.0625=-0.0625 b3=213-215.0625=-2.0625 b4=217-215.0625=1.9375 c1=210.5-215.0625=-4.5625 c2=213.75-215.0625=-1.3125 c3=217-215.0625=1.9375 c4=213.5-215.0625=-1.5625 d1=216-215.0625=0.9375 d2=218-215.0625=2.9375 d3=211.25-215.0625=-3.8125 d4=215-215.0625=-0.0625 ..2 最佳水平的选取最佳水平的选取最佳水平的选取最佳水平的选取 根据因素的重要性和计算结果选取最佳水平， 因为 a 为最重要因素所以选取 结果最大值为 a1=6.4375 最佳水平对于 b、c、d 不是显著因素但也要选取其结果 最大值做最佳搭档 b4=1.9375，c3=1.9375，d2=2.9375 故 a4b4c3d2为最佳试验条 件 19。 13131313 验证实验验证实验验证实验验证实验 通过正交试验法找到了最佳试验条件， 对最佳条件进行实验和普通球化退火 进行比较。具体的试验数据见表 9。 表表表表 9 9 9 9 实验数据表实验数据表实验数据表实验数据表 对工件进行抛光处理，观察金相组织与普通球化退火进一步的分析比较。 因素 数值 加热温度保温时间脉冲时间等温保温 h 硬度 1801 88 图图图图6 6 6 6 w18cr4vw18cr4vw18cr4vw18cr4v普通球化退火工艺曲线普通球化退火工艺曲线普通球化退火工艺曲线普通球化退火工艺曲线 图图图图7 7 7 7 w18cr4vw18cr4vw18cr4vw18cr4v电脉冲等温球化退火工艺曲线电脉冲等温球化退火工艺曲线电脉冲等温球化退火工艺曲线电脉冲等温球化退火工艺曲线 通过正交法的分析我们找到了最佳试验条件。加热温度，保温时间 ，电脉冲，等温保温。由于是试验对比，对普通球化退火曲 线进行分析我们确定了普通球化退火参数，加热温度为度，保温时间小 时取中间值，两组试验冷却方法完全相同随炉冷却到 5度然后出炉空冷。 两组试验结果如下： 硬度值 电脉冲球化退火硬度值： 普通球化退火硬度值： 保温时间 电脉冲球化退火：个小时 88 普通球化退火：个小时 球化退火显微组织 普通球化退火显微组织如图 7 所示，电脉冲球化退火显微组织如图 8 所示。 图图图图 8 8 8 8 电脉冲下等温球化退火组织（电脉冲下等温球化退火组织（电脉冲下等温球化退火组织（电脉冲下等温球化退火组织（400400400400) ) ) ) 图图图图 9 9 9 9 普通等温球化退火的显微组织普通等温球化退火的显微组织普通等温球化退火的显微组织普通等温球化退火的显微组织( ( ( (400400400400 ) ) ) ) 将钢加热到，保温一段时间后，由于加热温度略高于 ac1，使奥氏 体中碳浓度不均匀，存在富碳区，同时保留着未溶解的碳化物粒子，并在保温过 程中趋于球化，而在奥氏体中成为大量均匀弥散分布的渗碳体晶核。保温后缓慢 冷却，在冷至 ar1 1 的过程中，以这些渗碳体晶核成为珠光体转变的结晶核心， 析出渗碳体并聚集球化，是周围奥氏体含碳，转变为铁素体，从而形成粒状珠光 体组织 15。从金相显微镜中观察到的组织是粒状珠光体组织。 通过两次试验硬度值和显微组织的对比， 在保温 3 个小时的保温中再加十五 分钟脉冲的球化退火,和保温个小时的普通球化退火达到了同样的效果,这说 明电脉冲球化退火保温时间降低了近一倍。硬度值相比也不普通球化退火低一 88 些，电脉冲试验的另一个目标是加热温度比一般球化退火少低些,可是通过正交 试验分析出来的最佳试验条件,加热温度和