毕业设计（论文）-40Cr钢热处理新工艺研究.doc

40Cr钢热处理新工艺研究摘 要：采用对比试验的方法，对40Cr钢分别进行传统工艺和新工艺两种热处理方法。新工艺中涉及到“零保温”的概念，为了使实验结果更加明显，在新工艺热处理方法中设置3组热处理实验，试验完毕之后，测试了热处理过的金属的力学性能。观测了每组金属的金相结构，探究了不同的热处理工艺对材料的抗拉强度、硬度、塑韧性的影响，探究了40Cr钢热处理新方法与传统热处理方法的区别，以及新的热处理方法的长处。结果表明，相同的淬火温度下，40Cr钢的硬度会随回火温度的升高而降低，回火温度460下40Cr钢硬度最大，传统工艺处理过的40Cr钢硬度最小；在460回火冲击韧性的数值最低；570回火的金相组织为回火索氏体，塑韧性较高。关键词：40Cr钢，热处理新工艺，力学性能 A Study on a New Heating Treatment Technique of 40Cr SteelAbstract: Contrast experiment method was used to compare traditional heating treatment and new heating treatment of 40Cr steel. The new heat treatment technology involved the conception of “zero time holding”. In order to make the experiment result more obvious, three groups of heating treatment experiments of new heating treatment technique was set, and when the experiment finished, the steels mechanic performance after heating treatment was tested. Metals metallic structures of each group were observed, and different heating treatment methods influence to materials strength of extension, hardness and ductility and toughness was probed, so were the differences of 40Cr steel after the new heating treatment methods and the traditional heating treatment methods and the advantages of the new heating treatment methods. The experiment results show that under the same quenching temperature, 40Cr steels hardness will decrease with the increase of the temper temperature, and steels hardness is the highest when the temper temperature is 460, while the hardness of the 40Cr steel after the traditional heating treatment is the smallest; the values of impact toughness is the lowest when the temper temperature is 570 ,the metallic structure under 570 temper is tempered sorbite, and the ductility and toughness is rather high.Keywords: 40Cr steel, new heating treatment technology, mechanical performanceII目 录1 绪论11.1 研究目的及意义11.2 国内外研究进展11.3 研究内容和研究方法21.4 本章小结32 实验过程42.1 实验材料42.2 热处理工艺制定52.3 试样制备及显微组织观察92.3.1 试样制备92.3.2 显微组织观察92.4 力学性能测定112.4.1 硬度测量112.4.2 拉伸性能测量122.4.3 冲击韧性测量122.5 本章小结133 结果与分析143.1 显微组织分析143.2 硬度试验结果分析193.3 冲击试验结果分析203.4 拉伸试验结果分析213.4.1 断口形貌分析223.4.2 力学性能曲线分析223.5 本章小结284 结论29参考文献30致 谢31II太原工业学院毕业设计1 绪论1.1研究目的及意义在实验中使用亚温淬火后，40Cr钢的硬度、抗拉强度和屈服强度略有下降，而塑性有一定的提高，特别是低温冲击韧度有很大提高，这就使得40Cr在更低的温度下处于韧性状态，从而扩大了其使用范围，而且亚温淬火抑制了40Cr的回火脆性，使不同的回火冷却速度对回火脆性已不敏感，从而使40Cr钢的回火温度降低，在不牺牲强度的情况下提高韧度1。40Cr的力学性能取决于化学成分及热处理工艺，碳的含量及回火温度对力学性能的影响比较显著，随着科技的发展对其采用的热处理新工艺具有缩短保温时间，节约能源，并改善工具表面耐磨性和内部组织性能等优点2,3。1.2 国内外研究进展2004年邓楚平在研究“40Cr钢调质热处理新工艺”中得出，与传统的调质热处理工艺不同之处在于，40Cr钢达到淬火温度后，不需要保温就可以立即淬火，之后再经回火处理，试验发现，经过新工艺处理后的材料综合性能与传统工艺处理的结果大体相当，但是新工艺具有缩短保温，节约时间和能源，降低生产成本，并改善工具表面耐磨性和内部组织性能等优点4。2008年杨在志研究40Cr钢在不同热处理工艺下的组织和性能，结果表明，与普通淬火相比较，亚温淬火在低的加热温度下，使钢具有高的强度和硬度，其淬火和回火后的HRC分别为56.32和52.18，同时亚温淬火后，钢的组织均匀、细小，有少量的游离态的铁素体存在，提高材料塑性和韧性，特别是低温冲击性能明显升高，扩大了适用范围，40Cr钢亚温淬火后回火组织析出的第二相与母项保持了一点的共格关系具有一定的取向性5。同年六月陈昊等提出零保温淬火的概念，即工件表面达到淬火温度后立即淬火冷却，它省去了工件透热和组织转变所需要的时间，不仅节约资源而且提高效率，消除了工件在保温过程中产生的氧化，脱碳等缺陷3。2011年末张红英，张鸿冰通过分析形变速率与温度对40Cr钢热变形的真应力-应变曲线的影响，制定合理的加工工艺，有效控制产品的组织性能，提高产品质量6。2014年林宗德，陈文提出40Cr钢是我国应用 最广泛的合金调制钢，它用于制造某些零件，其要求就是要提高性能及使用寿命，正确使用先进的热处理技术可以充分发挥材料的潜力和延长材料的使用寿命，同时保证了机械设备的高精度7。在机械制造中热处理是一项非常关键的工艺，热处理可以提升材料的强度，硬度和塑韧性，提高零件的综合性能，延长其使用的时间。热处理所消耗的能源非常大，我国95以上金属零件的热处理是电加热，其用电量占制造业总量的30左右，与国外制造业发达的国家相比，我国热处理消耗能源偏高，研究节能型热处理工艺已经成为国内外热处理研究领域的重要研究目标8。近些年来，我国的热处理技术在各方面取得了很大的进步，如化学气相沉积、物理气相沉积、激光束和电子束热处理，但是热处理设备和生产工艺水平还落后于发达国家，热处理过程中存在着严重的工件氧化脱碳现象、产品质量不高、生产率低、成本高、能耗大等问题9,10。我国现阶段的热处理生产目标主要是少污染、无氧化、节能11。热处理的技术发展方向是：研究新的热处理工艺，优化其工艺参数，尽可能地降低能耗，采用新的加热源和加热方式12。1.3 研究内容和研究方法 研究内容：1. 本试验制定6组40Cr钢的正火、退火、淬火、回火等热处理工艺方法，一组是常规热处理方法，另5组是新工艺处理方法，形成对照组。2. 制备金相试样，观看和分析两组40Cr钢热处理前后的金属显微结构。3测定40Cr钢热处理前后的拉伸性能、洛氏硬度、冲击韧性等。4讨论热处理工艺、金属微观结构与力学性能之间的关系。5由于新工艺不需要保温而是立即淬火然后进行回火，处理后的试样要和传统工艺进行工艺对比，找出力学性能上的差别以及热处理“新工艺”的优点。 研究方法：1. 查阅相干文献领会40Cr钢的热处理原理和热处理工艺。2. 拟定40Cr钢热处理工艺方案，筹备热处理设备，制备金相试样，开始热处理实验。3观察40Cr钢热处理前后的显微构造的变化，记录数据并分析。4通过测定40Cr钢热处理前后的拉伸性能、硬度、冲击韧性等力学性能，分析每种热处理工艺对材料性能的影响。1.5 本章小结 通过查阅以前的资料，总结一些相关的知识，制定热处理工艺流程，通过测定的数据，分析材料组织与性能的关系。362 实验过程2.1 实验材料40Cr钢属于亚共析钢，是机械制造业中使用最广泛的钢之一，而且具有良好的综合的机械性能，在生产生活中它可用于制造汽车连杆，传动轴13。40Cr钢经过调制处理后，具有良好的综合力学性能，生产生活中常用于加工机械设备中的轴类、进气阀、连杆等零件。实验中所用的材料的几种基本成分（质量分数 ， ）见表2.1。 表2.1合金元素成分试验中所用的3种试样均为标准实验试样。拉伸试样的尺寸为d=10mm，L=5d的短试样，硬度试样的尺寸为R720mm，冲击韧性试样尺寸为标准尺寸。冲击试样、硬度试样、拉伸试样分别见图2.1和2.2以及2.3。 图2.1冲击试样 图2.2硬度试样 图2.3拉伸试样2.2热处理工艺制定 正火是生产生活中应用很广的预备热处理，零件经过正火处理后，消除了组织分布不均，消除了内应力，而且还改善了工件的力学性能，为下一步工序做准备，淬火和回火可统称为调质热处理，它是热处理工序的最后一步，它也是强化材料的重要手段之一。 20世纪70年代，日本学者大和九重雄博士以降低热处理能耗和提高热处理生产效率为目的提出了结构钢“零保温”淬火的设想14。即工件达到淬火温度后不保温，而是立即将材料淬火。尽管国内外学者对“零保温”热处理一直在进行研究，但总得看来仍然处于研究的初级阶段，进一步探究“零保温”淬火对于改善其热处理加工工艺、缩短保温时间、降低资源的消耗、细化金属内部结构、提高工件的多项性能都有很重大的意义。本实验中所有预备热处理温度都为860，淬火温度为850，回火温度范围在410-590之间，回火保温时间为20min，分别研究传统工艺和“零保温”淬火新工艺对40Cr钢组织及力学性能的影响，以及新工艺的优点。40Cr钢在Ac3以上3050能获得单相奥氏体，热处理过程中所有实验组都要先进行860正火预备热处理，其作用就是细化晶粒，消除内应力，为后续的热处理提供合适的条件。热处理方案按照表2.1执行。 表2.1热处理方案材料编号热处理流程冷却方法1不做热处理2淬火850，20min保温回火560，20min保温水淬 空冷3淬火850， 0min保温回火570，20min保温油淬 空冷4淬火850， 0min保温回火460，20min保温水淬 空冷5淬火850， 0min保温回火560，20min保温水淬 空冷6淬火850， 0min保温回火570，20min保温水淬 空冷每种热处理试验的工艺曲线如图2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6所示。 图2.1试样2热处理工艺曲线 试样2用850淬火，保温20min，水淬，560回火，保温20min。 图2.2试样3热处理工艺曲线试样3用850淬火，不保温，油淬，570回火，保温20min。 图2.3试样4热处理工艺曲线试样4淬火温度850，不保温，水淬，460回火，保温20min。 图2.4试样5热处理工艺曲线试样5淬火温度850，不保温，水淬，560回火，保温20min。 图2.5试样6热处理工艺曲线试样6淬火温度850，不保温，水淬，570回火，保温20min。2.3 试样制备及显微组织观察2.3.1 试样制备本实验采用对比试验的方法来进行实验，第1组材料不做任何处理直接观察显微结构并且测试各项性能。第2组试样进行传统热处理工艺，第3组到第5组进行新工艺处理。第6组单独拿出来一个圆柱试样进行新工艺处理作为进行硬度式样的对照实验组。热处理试验按照表2.1热处理工艺方案执行。试验设备为箱式电阻炉型号（SXZ-5-12 额定功率5KW），设备照片如下图2.6所示。 图2.6箱式电阻炉2.3.2 显微组织观察试验中所用的试剂有无水C2H5OH 和浓度4.0 HNO3 还有粉状氧化铝。制备好的金相试样要满足几个要求，视野里的看到的图像要和标准图样相符合，而且要具有相应的代表性，没有划痕，没有凹坑，没有水印等。本实验选择机械抛光，抛光布选择金丝绒布，抛光剂选择氧化铝粉。本实验选择化学腐蚀，将抛光好的40Cr钢的试样抛光面浸泡在腐蚀液中3min，才能在光学显微镜下观察到试样的金相组织。 本次试验使用的金相试样抛光机 型号（P-3 抛盘直径 20cm），试验仪器照片如图2.7所示。 图2.7金相试样抛光机本次实验使用上海制造的CDM金相显微镜进行金相观察，使用仪器之前要检查电源线是否连接好，再将试样放在物镜上，调节旋钮，进行观察，之后选择合适的位置，进行拍照，试验仪器如图2.8所示。 图2.8金相显微镜2.4 力学性能测定2.4.1 硬度测量硬度试样6个，其中一组不做热处理，其余的试样根据相应的热处理工艺进行实验。先在实验试样上打磨抛光后观察金相组织并拍照，之后进行其它的试验。热处理之后冷却过得硬度试样，先要用粗砂纸进行打磨，然后再用细砂纸进行细磨，使试样表面平整光滑，没有凹坑，试样平面与硬度计压头的轴线垂直，以减小实验的误差。用洛氏硬度计型号（HBRVU-187）开始洛氏硬度的测定，每个试样边界处每隔一定距离个打一个点，材料心部再打一个点，3次取平均值，并记录数据。试验仪器照片如图2.9所示。图2.9洛氏硬度计2.4.2 拉伸性能测量实验中用的40Cr钢的拉伸试样示意图如图2.10所示，在拉伸实验机上测定抗拉强度。并记下相应的数据，拉伸试验机如图2.11所示。 图2.11拉伸试样示意图 图2.12拉伸试验机2.4.3 冲击韧性测量用JBS数显式冲击试验机进行冲击韧性的测定，仪器照片如图2.13所示。 图2.13冲击试验机冲击试验原理图如图2.14所示。 图2.14冲击试验原理图其原理利用能量守恒定律，将摆锤升到高度h1处并锁住，释放摆锤，冲断试样后停住摆锤，记录仪表盘上的读数，之后测量断面的面积，算出冲击韧性的数值。2.5 本章小结实验过程中每个人都应严格按照实验室管理规矩来执行，使用实验设备时要按照使用说明书上的要求来进行操作，尤其是在使用电阻炉和冲击试验机的时候要注意站在机器的安全范围内，不要因为操作不当造成烫伤和碰伤，试验结束后将记录下的数据进行汇总处理，将仪器的电源线拔掉，所有物品放归原位。3 结果与分析3.1 显微组织分析观察同一淬火温度，不同淬火方式和回火温度下的组织，观察组织之前要检查好仪器，同时检查试样面完好。将普通淬火，新工艺“零保温”淬火的试样和未经过热处理的40Cr试样，进行打磨、抛光、再用硝酸酒精腐蚀，之后在金相显微镜下观察其组织，并进行分析。图2.15为不同回火温度下的组织。 图2.15不同回火温度下的金相组织 未经热处理的40Cr钢的原始组织如图2.16所示。 图2.16是未经热处理过的40Cr钢原始组织其室温下的组织为铁素体和珠光体，珠光体的形状为球状。从硬度、冲击韧性、抗拉强度测试的结果可以看出，这一组的所有力学测试结果都是最小的，由于放大倍数较小，不能够很清楚地观察珠光的片层特征，有一些区域还是灰黑相间的一片。经过85020min水淬+56020min回火处理后的40Cr钢金相组织如图2.17所示。 图2.17是传统热处理工艺处理过后的40Cr钢显微组织40Cr钢在高温回火得到的再结晶组织是铁素体与渗碳体的混合物，高温回火时40Cr钢组织中的马氏体大量分解，又生成了部分碳化物，回火组织为高温回火索氏体，以及一些碳化物，但是由于光学显微镜放大倍数不够，所以不能够很清楚地看清高温回火索氏体的形态，只能从显微镜的视野里看见灰黑相间的组织结构，而且从图片中可以看到白色铁素体较多，这也是导致普通工艺处理过的40Cr硬度较低的原因之一。经8500 min油淬+57020min回火处理过的40Cr钢金相组织如图2.18所示。 图2.18是新工艺570回火处理过后的40Cr钢显微组织此试样金相组织为高温回火索氏体，还有部分碳化物，从金相照片来看，少量碳化物的形状接近于粒状，晶粒细化程度上大于普通工艺处理过的40Cr钢，晶界上的铁素体比较多，试样硬度较小。 经8500 min水淬+46020min回火处理后40Cr钢金相组织如图2.19所示。 图2.19是中温回火处理过后的40Cr钢显微组织此试样采用中温回火处理，回火组织主要为回火托氏体和渗碳体，形状呈黑色团状物，可以推断淬火组织中的淬火马氏体分解成托氏体，晶界上铁素体片层间距较小，碳化物形状有变成粒状的趋势。中温回火之后的40Cr试样其淬火应力基本消失，根据表格中的数据可以看出此试样有较高的弹性极限，较高的硬度。经8500 min水淬+56020min回火处理后40Cr钢金相组织如图2.20所示。 图2.20是高温560回火处理过后的40Cr钢显微组织此试样显微组织为高温回火索氏体，其它碳化物和铁素体，此试样组织铁素体比中温回火的粗大，硬度值小于中温回火处理过的试样，马氏体析出的部分碳化物形状趋近粒状，这也是新工艺和传统工艺的差别，而且材料综合力学性能要优于传统工艺处理过的材料。3.2 硬度试验结果分析硬度试验的测试结果见表3.2。表3.2硬度值平均值材料编号abc119.5192022221.522.5332.52828.5430.534.541 56 3129.532.529.53029表3.3 硬度值最终测量数据材料编号HRC1 19.5 22 29.6 35.3 31.6 2923456 其中a ,b两点 代表不同边缘位置的测量点，c点代表心部的测量点。HRC代表3组数据的平均值从表3.3的数据可以看出，所有经过热处理的材料硬度都高于未经热处理的40Cr钢，经过“零保温”淬火的材料硬度高于传统工艺处理过的40Cr钢。 采用高温回火的40Cr钢，回火温度升高试样硬度变小，淬火方式的不同对试样的硬度影响不大，460回火处理过的试样硬度最大。淬火钢在回火时其硬度变化的整体变化规律为，随着回火温度的升高，钢的硬度会逐渐地减小。在“零保温”新工艺实验组，材料心部的硬度和边缘的硬度相差不大，说明已经完全淬透。3.3 冲击试验结果分析冲击试样的最终检测结果见表3.4表3.4冲击韧性测量数据材料编号AKUSaku12345650.8675.581280.92139.131251.03121.35800.8198.771231.06116.04本次试验冲击韧性值是由公式aku= AKU/ S得出的。其中aku代表40Cr钢的冲击韧性值（J /cm2），AKU代表40Cr钢U型缺口试样的冲击吸收功（J），S为试样缺口处的断面面积（cm2） 虽然随着回火温度的提高，40Cr钢的强度会下降，但是从表格3.4的数据来看，40Cr钢的冲击韧性随着回火温度的升高而增大。3.4 拉伸试验结果分析材料的拉伸测试数据、抗拉强度、伸长率及断面收缩率的检测结果分别见表3.5和3.6。表3.5拉伸测试数据材料编号D0（mm）D1（mm）L0(mm)L1(mm)Fm /KNb（Mpa）11057080.5678502106.57082.58110313106.570788410704106.170908912085106.97079831057表3.6伸长率、断面收缩率、抗拉强度测量数据材料编号伸长率（）断面收缩率（）抗拉强度b（Mpa）115.075850215.755.71031327.155.71057416.764.01280517.852.41070 其中D0是断裂前的材料直径， 单位（mm）；L0是断裂前的材料长度， 单位（mm）； D1是拉断后的材料直径，单位（mm）；L1是拉断后的材料长度，单位（mm）；Fm最大拉应力，单位（KN）；b代表抗拉强度 ， 单位（Mpa）。从表3.6可以看出，材料使用低温回火时抗拉强度最大。采用高温回火时，材料抗拉强度随着温度升高而变大，新工艺处理过的40Cr钢抗拉强度大于普通工艺处理过的40Cr钢。b等于施加在材料上的力除以材料的初始截面积。3.4.1 断口形貌分析在相同的淬火温度，不同的回火温度下，观察40Cr钢拉伸断口形貌可以定性地评价材料的组织性能。宏观上观察40Cr钢断口形貌为星型断口，断口呈暗灰色，中间呈杯锥状，而且有从心部向四周散射的筋。试样的断口形貌呈杯状的原因是由于回火温度较低，而且杯状断口做拉伸试验时，受最大最大应力的位置位于试样心部，所以试样应该从心部开始断裂。采用460中温回火的40Cr钢的抗拉强度为所有试验组中最高的，其金相组织主要是回火托氏体，杯边的高度略低于其它试验组的材料，从表3.5和3.6的数据来看中温回火的拉伸率较低，这也再次证明了“杯边”的高度较低材料的塑性较差，强度较高，“杯边”的高度较高则材料的塑性较好，强度较低。3.4.2 力学性能曲线分析其中各组40Cr钢的力-伸长量的曲线和应力-应变的曲线是通过表3.5拉伸测试数据，表3.6伸长率、断面收缩率、抗拉强度测量数据做成的。材料试样受单一的力，试样1到试样5的力-伸长量的曲线和应力-应变曲线分别见图3.1和3.2、3.3和3.4、3.5和3.6、3.7和3.8、3.9和3.10。 F/KN L/mm图3.1 力-伸长量曲线 / MP / % 图3.2应力-应变曲线 从图3.1看出未做热处理的试样弹性变形范围内对应的 L数值较大。 F/KNF 图3.3力-伸长量曲线 L/mm / MP / % 图3.4应力-应变曲线从力-伸长量的曲线来看试样2弹性极限部分斜率较大，伸长量到5的时候出现了不均匀的曲线变化，可以判断材料整体出现了不均匀的变形。 F/KN L/mm 图3.5力-伸长量曲线 / MP / %图3.6应力-应变曲线 试样3材料屈服前度较大，从弹性极限的点到抗拉强度的点之间的曲线较陡，说明材料较脆，而且在抗拉强度的那点，材料的截面积会急剧减小。 F/KN L/mm 图3.7力-伸长量曲线 / MP / % 图3.8应力-应变曲线 试样4的力-伸长量曲线中的弹性极限阶段上升较缓慢，从表3.6的拉伸数据来看它的抗拉强度最大，说明材料强度大，使得曲线中的弹性极限阶段的曲线上升较缓慢。 F/KN 图3.9力-伸长量曲线 L/mm / MP / % 图3.10应力-应变曲线图3.9力-伸长量曲线中，当伸长量达到7的时候，出现了不均匀的曲线变化，可以判断材料整体出现了不均匀的变形。实验中采用对照实验的方法，分别研究了普通调制工艺和“零保温”淬火新工艺对40Cr钢组织和力学性能的影响。 检测了40Cr钢在同一正火温度，不同淬火方式和不同的回火温度下，40Cr的硬度、冲击韧性、伸长率、断面收缩率、抗拉强度。结果表明采用新工艺处理过的40Cr钢的所有力学性能指标都优于普通工艺处理过的40Cr钢。40Cr钢作为一种结构钢，加入了金属元素Cr后，改善了其综合性能，使其具备了很多碳素钢没有的一些特质，例如抗腐蚀性、较高的强度、良好的淬透性。对于本实验材料40Cr钢来说，在淬火阶段由于使用的是标准试样，材料尺寸很小，而且对于合金钢来说，它的热传导速度很快，达到规定的淬火温度后，材料表面和心部的温差不大，所以可以采用“零保温”淬火。对于低合金结构钢来说，过分保温反而有害14,15。40Cr钢作为一种调质钢，这些构件的工作特点是要求相对静止的，而且它要长时间地承受静压力，或者其它恶劣的环境条件工作，因此需要作为构件的40Cr钢其各项性能稳定，要有较强的综合力学性能16。本实验采用的淬火加高温回火这一“零保温”新工艺手段其各项性能指标都优于传统工艺，新工艺可以使材料获得更好的综合力学性能。3.5 本章小结本节结合前面所有数据，综合分析40Cr钢进行普通热处理工艺和“零保温”淬火新工艺之后，其组织与力学性能之间的差别，以及新工艺在哪些方面优于传统热处理工艺。从表3.3看出460回火处理过的试样硬度最大。淬火钢在回火时其硬度变化的整体变化规律为，随着回火温度的升高，钢的硬度会逐渐地减小，从金相组织照片可以看出中温回火的试样组织中铁素体的形状比较细化，高温回火试样中铁素体形状比较粗大，导致其硬度下降。从表3.6可以看出，中温回火显微组织中碳化物聚集较小，导致抗拉强度，硬度变大，塑韧性小。高温回火显微组织中碳化物聚集较大，导致材料抗拉强度，硬度变小，塑韧性变大。4 结论1.结果表明，在组织结构上新工艺高温回火处理过的试样显微组织为高温回火索氏体，部分碳化物形状趋近粒状，中温回火处理过的试样显微组织中铁素体更加细化。2.综合所有数据上来看中温回火处理过的试样显微组织中碳化物聚集较小，在硬度、抗拉强度上都大于高温回火，对与要求材料有高硬度，强度可以考虑使用中温回火，对与要求材料有较高冲击韧性和塑形可以考虑高温回火。3.新工艺处理后的组织分布更加均匀，使得材料硬度值高于传统工艺，而且组织中碳化物聚集较大，使得材料强度高于传统工艺。4.综合所有实验数据，对比来看，采用“零保温”淬火处理过的试样在综合力学性能