（凝聚态物理专业论文）关于n80q钢回火方程的实验研究.pdf

摘要 本文在n s o q 钢的调质热处理方面开展了工作，旨在构建起关于n s o q 钢的回火方 程。 本文实验采用了包钢生产的n 8 0 q 钢，主要成分含量分别为：0 3 2 c ，o 3 6 s i ， 1 4 3 m n 。制定了对n s o q 钢的调质热处理工艺，对处理后的样品进行了硬度与金相分 析。利用获得的硬度数据通过回归分析得到数种回火方程： 1 得到基于a r r h e n i u s 公式的p 参数回火方程，定义了p 参数，完成了基于a r r h e n i u s 公式和l a r s o n m i l l e r 关系式的p 参数回火方程的推导；2 得到基于a r r h e n i u s 公式和回 火激活能的九参数回火方程，定义了兄参数，完成了基于a r r h e n i u s 公式和 o r r - s h e r b y d o m 模型的旯参数回火方程的推导；3 得到基于泰勒函数展开的回火方程。 利用p 参数和p 参数回火方程绘制了等温图和等硬度图，说明了如何将回火方程转 化为二维数据图以方便查询，并指出了数据图在预测力学性能和确定回火工艺中的利 弊。 得到了各类回火方程的计算值与实测值之间的误差，主要为最大偏差量6 m 孙最小 偏差量6 m i n 以及均方根r m s ，并进行了比较。讨论了各类回火方程的物理意义。结合精 确度和物理意义对回火方程的实用价值作出了评价：高精度的p 参数和允。参数回火方 程适合于确定工艺参数组合，p 参数和九参数回火方程适合于预测力学性能，泰勒函数 回火方程在不确定使用何种模型时能够从纯粹的数学角度构建起方程。 通过只利用特定工艺参数( 户1 h ) 下的力学性能数据构建起的回火方程在6 m 私项上 比原始方程最多高1 ，在r m s 项上与原始方程基本持平，实验成本仅为原始方案的 2 0 3 0 。 关键词：热处理，n s o q ，回火方程，a r r h e n i u s 公式 a b s t r a c t q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gh e a tt r e a t m e n ta b o u tn 8 0 qs t e e lw a sc a r r i e do ni nt h i sa r t i c l e ， t h et e m p e r i n ge q u a t i o no f n s o qs t e e lw a se s t a b l i s h e d i nt h i sa r t i c l e ，t h en s o qs t e e lp r o d u c e db yb a o t o us t e e lg r o u pw a su s e di nt h e e x p e r i m e n t ，w h i c hm a i n l yh a s0 3 7 c ，0 3 6 s ia n d1 4 3 m n t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s o nn 8 0 qs t e e lw a sd e v e l o p e d h a r d n e s sa n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h es a m p l eh e a t - t r e a t e dw a s m e a s u r e da n da n a l y z e d s e v e r a lt e m p e r i n ge q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e dw i t ht h eh a r d n e s sd a t a i nt h ew a yo fr e g r e s s i o n 1 pp a r a m e t e rt e m p e r i n ge q u a t i o nb a s e do na r r h e n i u sf o r m u l aw a se s t a b l i s h e d p p a r a m e t e rw a sd e f i n e db a s e do na r r h e n i u sf o r m u l aa n dl a r s o n - m i l l e rr e l a t i o n s h i p ，t h e np p a r a m e t e rt e m p e r i n ge q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d 2 九p a r a m e t e rt e m p e r i n ge q u a t i o nb a s e do n a r r h e n i u sf o r m u l aw a se s t a b l i s h e d ”p a r a m e t e rw a sd e f i n e db a s e do na r r h e n i u sf o r m u l aa n d o r r - s h e r b y - d o r am o d e l a n dt h e nrp a r a m e t e rt e m p e r i n ge q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d 3 t a y l o r f u n c t i o nt e m p e r i n ge q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d i s o t h e r m a lm a pa n dh a r d n e s sl i n ec h a r tw a sd r a w 、析t l lpa n dp p a r a m e t e r , t h ew a y t r a n s f o r m i n gt e m p e r i n ge q u a t i o nt od a t ac h a r tw a se x p l a i n e d a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e a b o u tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sp r e d i c t i o na n dd e t e r m i n i n gh e a t - t r e a tp r o c e s s 、析md a t ac h a r tw a s p o i n t e do u t e r r o rb e t w e e nd a t am e a s u r e da n dc a l c u l a t e d 、析ld i f f e r e n tt e m p e r i n ge q u a t i o n sw a s c o u n t ，6 m 瓯8 m i na n dr m sw e r ec o m p a r e d p r a c t i c a l i t yo ft e m p e r i n ge q u a t i o n sw a se v a l u a t e d w i t ha c c u r a c ya n dp h y s i c a lm e a n i n g ：t h ep r o c e s sc a l lb es i m p l yd e t e r m i n e db yh i g h - p r e c i s i o n pa n d 九p a r a m e t e re q u a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a nb es i m p l yp r e d i c t e db yp a n d 九 p a r a m e t e re q u a t i o n ，t h ee q u a t i o nc a nb ee s t a b l i s h e d 而mt a y l o rf u n c t i o na n dm a t h e m a t i c a l m e a n i n g 8 m 戕i nt h en e we q u a t i o n ，e s t a b l i s h e d 州n ls p e c i a lp r o c e s s ( t = lh ) ，w a sl h i g h e rt h a nt h e o r i g i n a lo n e r m si nt h en e wo n ew a sa l m o s te q u a l 、析t l lt h eo r i g i n a lo n e t h ee x p e r i m e n t a l c o s to ft h es i m p l ew a yw a sr e d u c e dt o2 0 0 0 - 3 0 k e y w o r d s ：h e a tt r e a t m e n t ，n s o qs t e e l ，t e m p e r i n ge q u a t i o n , a r r h e n i u sf o r m u l a i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 墨裹蓑妻嚣萎薹霎亍墅篓指导教师签名：塑磁、咿学位论文作者签名：均，缸) 争指导教师签名：拶 玖刈 p j 。年占月门e t沙c 口年莎月，矿e t 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：硼如v 1 、夸 加f 9 年月， 7 日 西北大学硕士学位论文 1 1 热处理技术 第一章绪论 热处理技术是将待处理样品按照预定的速度加热升温的指定的温度，并保温一段时 间，再按照需要的速度在特定的冷却介质中冷却的工艺，待处理样品通过组织的转化、 分解和再结晶获得新的性能【l 】。 热处理技术作为一门古老的学科至少在4 0 0 0 年前就已经开始为人使用了，著名的 青铜器时代便是利用再结晶退火工艺制造青铜的鼎盛时期，而到了战国时期，热处理技 术已经发展到了利用淬火等工艺冶炼铁质兵器，并出现了铜铁合金兵器的阶段。在这一 阶段里，工匠们发现将工件与木炭同时放置在炉中加热处理，处理样的性能和使用寿命 会得到巨大的提升和延长，这就是渗碳工艺的雏形。原北京钢铁学院曾对河南出土的汉 代兵器做过金相调查，发现其中约一半的兵器是曾使用了脱碳处理而制得的，甚至部分 兵器已经应用到了球化退火的技术。不仅如此，南北朝时期的工匠对优化淬火过程的探 索也是当时中华民旄在热处理技术方面领先于列强的标志之一，他们发现以“五牲之脂” 作为淬火液，工件的开裂以及变形趋势小，实际上，“五牲之脂”就是动物油，这和现代 热处理工艺中利用淬火专用油来冷却那些合金含量高的工件，避免开裂和变形的做法是 不谋而合的。 作为中国古代“工农业百科全书的天工开物对中国上千年的热处理技术发展 史做了全面的总结和论述，其中下篇五金卷阐述了金属的开采及冶炼相关知识，展 现了劳动人民智慧的结晶。然而可惜的是，由于封建制度的桎梏，民间势力受到打压， 工匠的经验和技能难以得到广泛的传播和发展，同时伴随着工业革命的爆发，此时中国 的热处理技术已经落后于西方了。 技术发展不会停止脚步。也正是由于西方首先产生了现代科学的萌芽，工业技术才 能在此蓬勃发展。此时的热处理技术已经开始渐渐地从一门古老的，经验丰富的工匠才 能胜任的工艺走向了能够在宏观和微观的角度上分析并量化的现代科学。 如同热处理技术最初应用于打造兵器一样，现代热处理科学也诞生于兵工厂中。十 九世纪中期，由于钢制枪炮登上历史的舞台，相关的冶炼、铸造及热处理的研究得到广 第一章绪论 泛的发展。著名的俄罗斯冶金学家契尔诺夫( d k c h e m o v , 1 8 3 9 1 9 2 1 ) 在这个阶段通 过显微镜对钢制枪炮工件进行了细致地研究，并得到了著名的研究结果：“钢的性能归 结于内部组织的改变，有两个温度a 和b ，如果钢的温度低于a ，无论如何它也不能硬 化：要获得更细的晶粒，必须让钢的温度高于b ”【2 】。正是这个简单的理论奠定了现代 热处理科学的基础。 同素异构理论和铁碳相图都为热处理科学的发展添砖加瓦。进入二十世纪后，相干 科学和技术的相互渗透更加促进了它的进步，从利用转筒炉进行气体渗碳，到可控的炉 内气氛的碳势，再到例子渗碳、激光和电子束应用等等。热处理科学发展的上百年过程 中又衍生出表面热处理、化学热处理和变形热处理等分支。发展到今天热处理已经是一 门覆盖了国民经济各个方面尤其是能源、机械制造、精密零件等重要行业的科学技术。 1 2 国内n 8 0 0 钢的应用和发展概况 n 8 0 q 钢是一种在石油管道工程中得到广泛采用的钢种，主要应用领域为石油套管。 套管在石油开采中所起到的作用是固定并加固井壁，以保证钻头和钻杆顺利进入井下开 采石油资源。因此，石油套管需要有优良的力学性能以应对复杂的地质结构，在深达数 千米的地下，地层的应力巨大，套管要承受拉、压、弯以及扭应力的综合作用。钻头和 钻杆可以方便地进行替换与维修，然而套管一旦出现问题如腐蚀穿孔、断裂等，就可能 导致整口油井报废，给国家带来巨大的经济损失。 为保证质量，n 8 0 q 钢的性能指标需要符合a p is p e c5 c t 的相关规定，即由美国石 油学会a p i ( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ) 编订的套管和油管规范。由于a p i 建立 时间早，覆盖面广，具有很高的权威性，已经逐渐成为各国石油及天然气行业的通用规 范。a p i 已经制定了超过5 0 0 条的涉及设备和材料的制造、加工、操作甚至环境保护等 各个方面的标准，而这些标准也越来越多地被国际标准化组织所采用，这使得各国及地 区之间尽可能多地使用同一行业标准，极大地提高了工业设备及生产的安全性、可靠性 和互换性。而套管和油管规范中对n s o q 钢性能的相关标准如表1 1 、表1 2 和表 1 3 所示【引。 2 西北大学硕? 学位论文 表1 1 制造方法及热处理工艺 表1 2 化学成分要求( w t ) 表1 3 拉伸及硬度要求 可以看到，套管和油管规范中对n 8 0 q 钢的化学组成成分限制很少，除了严重 影响钢材质量尤其是脆性的磷、硫元素，其他几乎不设上限或下限，而且其屈服强度的 上下限范围也较大，达到2 0 6 m p a 。国内生产的n s o q 钢管数量较少，主要的生产商一 一内蒙古包头钢铁集团也只是在最近几年才开始在实验室中研制n 8 0 q 钢【4 7 1 ，并于2 0 0 7 年在胜利油田完成了0 1 3 9 。7 m m 7 9 2 m m 的石油套管下井试验，并获得了a p i 认证以 及中国石油管材研究所实物质量评价合格包钢所生产的0 1 7 7 9 m m x 9 1 9 m m 规格的 n 8 0 q 钢管的主要数据如表1 4 和表1 5 【8 】。 表1 4m 1 7 7 9 m m 9 1 9 m m 规格n 8 0 q 钢管的化学成分) 3 第一章绪论 表1 54 1 7 7 9 m m x 9 1 9 m m 规格n 8 0 q 钢管力学性能 正如前面提到的油井受到底层的综合作用，作为加固井壁用的石油套管必须能够经 受地层施加于油井的拉伸、挤压、扭曲等作用。而不同地质条件和不同井深的油田对套 管性能的需求又不尽相同，这为n s o q 钢作为新一代的高强度高韧性的石油套管的广泛 推广应用提出了难题。 国内油田分布广泛，从海上到内陆，从东北到中原再到西北，各个油田地质条件差 异巨大。举例来说，中原油田井深平均达到3 0 0 0 - - 4 0 0 0 m ，而西北油田的井深普遍比较 浅，延长油田的井深从3 0 0 m 到2 0 0 0 m 不等。 不仅仅考虑石油工业，在其他n 8 0 q 钢有用武之地的行业中对其的性能要求也必然 差异巨大。因此，n s o q 钢必须经过热处理才可能应用到实际生产中去。举例来说，包 钢生产的0 1 3 9 7 r a m 9 1 7 m m 规格的n s o q 钢管，轧态力学性能如表1 6 ，而经过热处 理后力学性能如表1 7 9 1 。 表1 64 1 3 9 7 m mx9 1 7 r a m 规格n 8 0 q 轧态力学性能 表1 74 1 3 9 7 m mx9 1 7 r a m 规格n 8 0 q 热处理后力学性能 由于a p i 的套管与油管规范中对n s o q 钢的屈服强度标准的设置上下限达 2 0 6 m p a ，在利用调质热处理调整其屈服强度与韧性以达到生产需要的过程中，必然涉 及到热处理相关工艺参数的设置。本文在着力讨论和研究n 8 0 q 调质热处理工艺参数的 同时，也将引入回火方程以达到量化分析、节约实验及工业资源的目的。 4 西北大学硕士学位论文 1 3 回火方程及其研究现状 回火是热处理工艺中的一种最基本的处理手段，是淬火后的工件在奥氏体化温度 a c l 以下的某个温度保温一段时间后，再以特定的方式冷却，一般采用空冷或者炉冷， 某些特殊的工艺甚至采用水冷或者油冷的方式。这么做的目的主要是为了消除淬火工件 的内应力，一定程度上降低其强度和硬度以提高塑性和韧性。 尽管回火是整个热处理工艺中对设备需求最低的环节，但它也是热处理工艺中最后 和最重要的环节。这是因为工件经过淬火后具有相当大的硬度，同时很脆，都必须利用 回火以消除参与内应力的作用，回火之后工件的性能基本就是设备和零件服役的性能， 决定了设备和零件的使用寿命。总的来说，回火工艺对钢制工件有以下几个主要的功用 0 0 1 ：1 获得良好的力学性能，为便于切削等后续加工手段；2 获得稳定的回火组织， 这是因为淬火获得的马氏体及残余奥氏体有自发转变到铁素体和奥氏体的倾向，回火同 时也避免了自发转变带来的尺寸变化；3 最重要的一点，即消除淬火带来的残余内应力 的作用，避免零件和工件开裂和失效。 回火工艺如此重要，因而厂家在对工件的回火工艺参数的选择就应该立足于科学和 谨慎的态度，同时摒弃过去依靠经验的做法，在缩短实验次数，减少材料消耗和节约能 源的过程中达到优化工艺参数的目的。 国外自上世纪四十年代已经开始了量化回火工艺参数与回火性能关系的回火方程 的相关研究。j h h o l l o m o n 和l d j a f f e 在1 9 4 5 年共同发表了他们的研究成果，定义 了回火参数p 【1 1 - 1 2 1 。 p = 丁( c + l o g t ) ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中p 即回火参数，也被称作h o l l o m o n - j a f f ep a r a m e t e r ，t 代表回火温度，以 绝对温度计算。t 代表回火保温时间，单位为小时。c 为常数，只与钢的含碳量线性相 关，实验表明，当t 的单位以小时计时，c 可表示为， c = 2 1 3 - 5 8 ( c w t ) ( 1 2 ) 而t 的单位为秒时，c 可表示为， c = 1 7 4 5 8 ( c w t ) ( 1 3 ) 5 第一章绪论 回火参数p 与回火性能( 比如硬度、强度等) 之间存在一一对应的函数关系，确定 了p 就确定了回火性能。 式( 1 1 ) 首次以函数的形式揭示了两个重要的回火参数回火温度t 和回火保温时 间t 在地位上是等价的，也就是说在回火工艺参数设置上，只要保证回火温度t 能够提 供回火所需要的能量并不使工件奥氏体化，同时回火保温时间t 足以消除参与内应力， 那么一个较高温度和较短时间的回火和另一个较低温度和较长时间的回火能够达到同 样的回火效果，只须二者的回火参数p 相同即可。 七十年代末八十年代初，井上毅和西村富隆等人在对回火过程的研究中提出了回火 参数0 1 ，定义为， a = o s r 一( 盎) + - o g k n 4 ， 式( 1 4 ) 中t 代表了回火保温时间，单位为小时，q 代表了回火工件的激活能，r 为 气体常数，t 代表了回火温度，k 为一常数，一般取5 0 。 式( 1 4 ) 较式( 1 1 ) 而言，物理意义更加明确，九参数回火方程中不仅涉及到回火温度 t 以及回火保温时间等基本回火工艺参数，还包含了激活能q 。由于回火激活能q 的存 在，九参数回火方程在形式上就明确了不同种类钢的回火方程不能混用这一问题。 九参数回火方程另一重要的优点在于九参数的意义。西村富隆的对九参数的定义中 还包含了其余回火量的关系， c = l o 丑 ( 1 5 ) 其中c 代表回火量。由于回火量是可以叠加的，那么数个回火过程的总效果就可以 表示成， c = e = 1 0 ( 1 6 ) 其中沁( i = 1 ，2 ，n ) 代表各个回火过程的回火参数。这样采用多次回火的工艺也可 以使用回火方程来进行量化分析了。 此后，关于回火方程的建立又涌现出级数展开法、状态方程法等方法。在理论进步 的同时，回火方程更为重要的实用意义得到实现，包括美国、日本在内的诸多钢铁生产 强国从六七十年代开始就致力于依据大量的实验数据建立起详细的热处理数据库的工 作，这不仅为热处理科学的进步做出了不可磨灭的贡献，同时也成为工业生产的重要参 西北大学硕士学位论文 考文献。 国内对于回火方程的研究起步很晚，相关研究资料也较少。九十年代初钟士红的钢 的回火工艺和回火方程是相对总结最为完善的国内关于回火方程研究的著作，其中对 回火过程的微观原理，回火工艺参数的经验选择方法，以及诸多回火方程建立方法，如 参数法，泰勒级数展开法，状态方程等方法做了详细的介绍，并列举了众多实例以展示 回火方程在实际生产中的应用。 其他国内的相关主要研究包括有【1 3 之2 】：黄春峰建立了回火后工件硬度与回火温度t 之间的线性关系，并利用该关系建立了5 0 种常用钢材的回火方程，同时注明了淬火介 质和淬火温度，总结较为全面，缺点在于该回火方程略显简单，不能很准确地反映实际 的过程；郭从盛对4 2 c ，m o 进行了研究，从不同回火温度t 的连续回火曲线出发，建立 了新的回火方程形式【2 3 - 2 6 ， h = h o a t 母一b r t ( 1 7 ) 其中h 和h o 分别代表工件回火后和回火前的硬度，a 和b 为常数，t 代表回火温 度，t 代表回火保温时间，b t 代表与t 有关的线性函数，具体形式视工件的回火曲线而 定，该模型准确度较高，缺点在于需要进行大量的实验，尤其对于不同温度的快速回火 后的性能的精确性和数量要求较高，这就与通过回火方程来减少实验次数节约能源的精 神相悖；王学前利用p 参数的形式研究了3 5 c ，m o 回火方程的具体形式，即p 参数与回 火后性能( 硬度) 之间的函数关系【2 7 】；宛农以回火后硬度与回火工艺参数之间的函数关 系是状态函数为理论基础，将回火过程分解为等温状况下的l 小时回火，温度瞬间变化 到最终回火温度，等温状况下从已经回火1 小时再到最终回火保温时间这三个过程，并 建立起了快速回火方程1 2 9 - 3 0 】， 何= q + 丁( 等m + 等) 8 ， 其中，h 和h 1 分别代表回火终了和l 小时回火时工件的硬度，c 代表常数，其计 算方法与p 参数回火方程中的常数c 相同，一般为2 0 左右，利用文献中数据监测该模 型，尽管与实验数据有少量差距，但该模型的建立过程简单快捷，主要测量数据为回火 1 小时的工件性能。 7 第一章绪论 1 4 主要研究内容和意义 1 使用不同的工艺参数组合对n s o q 钢进行调质热处理； 2 测量经调质热处理的n 8 0 q 钢的各项力学性能及其他检测，主要包括金相测试及 分析、硬度测试等； 3 以经过调质热处理的n 8 0 q 钢的主要性能数据为回火性能指标，制定针对n 8 0 q 钢调质热处理的回火方程，并进行必要的分析讨论。 在节能减排成为工业进步乃至国家经济发展的核心命题时，有效利用旧能源，开发 新能源，优化工艺流程等任务不仅仅再是空谈的一句标语。中国虽然是世界钢铁生产工 业中首屈一指的大国，却不是钢铁生产的强国。这其中虽然有行业规范和产业链发展的 问题，能源储备不足才是客观的严峻事实。因此，在能源紧缺而出口量不断提高的矛盾 形势下，国内更有必要建立起科学、完善和客观的热处理数据库。本文关于对石油工业 以及其他相关行业中有重要用途的n 8 0 q 钢的热处理工艺和回火方程的研究，为工业生 产及相关科研工作提供实验依据和参考，具有一定的实际意义。 8 西北大学硕t ：学位论文 2 1 热处理工艺的制定 第二章热处理实验 实验选用的是由包钢生产的n 8 0 q 钢，主要成分及含量如表2 1 所示。 表2 1 n 8 0 q 钢主要成份及其含量 由于原材料为整段钢管，为方便进行热处理实验，将其加工为如图2 1 所示尺寸的 小样品。 图2 1n s o q 钢热处理实验样品尺寸 2 1 1 淬火保温时间的选择 淬火保温时间一般由经验公式( 2 1 ) 确赳3 1 。2 1 ， f = 口b 七 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，t 代表淬火时间，单位为r a i n ，b 为淬火样品的有效厚度，对于本实验中 这类尺寸小形状简单的样品来说，有效厚度即为其最薄处的厚度，则本实验中的样品有 效厚度b 为6 n u n ，k 为与热处理加热装置相关的系数，其具体值如表2 2 所示。本实验 中使用的加热装置为s x 1 0 1 2 型箱式电阻炉。 a 为与在加热装置内数个样品堆放方式有关的经验常数，三种主要堆放方式的常数 a 如图2 2 所示。 9 第二章热处理实验 表2 2 系数k 的典型取值 k = l 图2 2 系数a 的典型取值 因此，在本实验中，a = 1 5 m i n m m ，b = 6 m m ，k = l ，则最少淬火保温时间应为9 m m ， 文中所有淬火处理如未经说明，淬火保温时间均为9 r a i n 。 2 1 2 淬火保温温度的选择 淬火保温温度的设定既需要保证样品在保温时间内充分奥氏体化，又不能太高导致 样品过烧，产生晶粒粗大影响其组织性能的问题。对于实验中选取的含碳量为o 3 2 的 低合金钢来说，一般选取淬火保温温度为其a c 3 点以上3 0 到5 0 c 。合金钢的奥氏体 化温度计算公式n o 】为， a c 3 - - 9 1 0 - - 3 2 0 c - - 1 4 n i 一1 2 c u 1 0 m n + 5 0 r + 1 4 m o + 1 8 s i( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中所有的元素均以其质量分数代入式中计算。将表2 1 中主要元素的质量分 数代入式( 2 2 ) 中计算得a e 3 点约为8 0 0 c ，则选择其淬火保温温度为8 4 0 c ，文中所有 淬火处理如未经说明，淬火保温温度均为8 4 0 。c 。 2 1 3 淬火介质的选择 淬火介质的选择要保证样品以尽可能快的速度冷却下来，但对于某些结构复杂的工 件或者是高碳钢( 含碳量0 7 7 ) 来说，过快的冷却速度反而导致工件开裂损坏，必须 1 0 西北大学硕士学位论文 使用淬火油来进行淬火处理。对于本实验中样品来说，结构简单，尺寸小，含碳量较低 ( 含碳量丝0 3 2 ) ，淬火过程中的冷却速度要足够的快，否则会产生不能淬透的问题。 工业中多用喷头水淬，工件均匀冷却且速度快。文中实验中淬火均为人手操作，未避免 淬火过程过慢，使用了1 0 n a c i 的盐水进行淬火，提高冷却速度。 2 1 4 回火保温时间的选择 淬火之后必须回火，这是因为回火的主要作用为： 1 消除或者降低淬火过程带来的残余内应力； 2 调整工件的力学性能，如硬度、强度和韧性等； 3 获得稳定的回火组织。 其中1 和2 两点主要决定了回火保温过程所需要的时间。严格地讲，回火保温时间 实际上包括了升温时间、均温时间和保温时间三段，但起实际影响的是均温时间和保温 时间。均温时间是指工件从内到外完全、一致地达到了回火保温温度，即完全透烧，而 保温时间则是从工件透烧之后到达到力学性能为止所需要的时间。由于作调质处理的钢 材的导热率一般都很高，均温时间非常短，与动则长达数小时的回火时间相比可忽略不 计，一般回火保温时间就指狭义上的保温时间。 对于回火作用1 来说，有经验公式3 1 。2 1 ， t = c + d b ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中b 指有效厚度，与式( 2 1 ) 中有效厚度一致，系数c 和d 为与保温装置有关 的经验系数，对本实验中采用电炉进行回火保温来说，分别选取1 0 m i n 和l m i n m m ，可 以得到完成作用1 需要1 6 m i n 。 回火作用2 所需要的时间视回火后工件力学性能而定。本实验中着重考察回火保温 时间和保温温度对工件回火后力学性能的影响作用，因而分别选取了o 3 h 、0 5 h 、0 7 5 h 、 l h 、2 h 五类回火保温时间以及回火保温温度t i ( t b l = 4 0 0 ，t 2 = 4 5 0 ，t 7 = 7 0 0 c ) 。 对回火保温温度选取的唯一原则是保证保温温度低于材料的a c l 点。 综上所述，得到调质处理示意图，如图2 3 。 第二章热处理实验 2 2 实验结果 温 度 庀 图2 3 实验工艺流程图 时间m 2 2 1 测量维氏硬度 按图2 3 所示的工艺参数进行组合实验。淬火处理后测量其硬度，对相差在 + 1 0 h v ( 维氏硬度v i c k e r sh a r d n e s s ) 之内的样品进行回火处理。处理后的样品经砂纸打磨、 抛光、腐蚀( 腐蚀液采用含4 硝酸的酒精溶液) 之后，利用4 x b c 型金相显微镜及 w o l p e r t 的4 3 0 s v d 型硬度计对其组织金相和硬度进行观察和分析。 本文要建立针对n s o q 钢在不同回火工艺参数组合下的回火方程的具体形式，因而 需要能够反映回火量的样品力学性能。力学性能包含各种类型的性能数据，除硬度外， 常用的还有屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率等。这些都可作为回火方程中的 回火量计算，但从实际的角度出发，强度或者延伸率这类数据的测量需要按照国家标准 中的“室温金属拉伸试验方法 制作标准拉伸试样，并在严格的力学条件下进行拉伸试 验。这类实验耗时长、成本高，大规模测试的代价惊人。因此，文中在构建回火方程的 过程中，用样品回火后的维氏硬度值代表回火量。 实际上，硬度值同样能够反映强度和延伸率的变化，这是由硬度的测量方法所决定 的。对硬度的测量普遍使用的压入法，是利用非常硬的固定形状的微小压头，在固定压 力作用下压入待测材料表面，通过测量压痕的大小来表示硬度。压痕是材料强度和延伸 率共同作用的表现，压痕越小则材料越硬，反之亦然。根据压头的形状、种类等有布氏 硬度( b r i n e l lh a r d n e s s ) 、洛氏硬度( r o c k w e l lh a r d n e s s ) 和维氏硬度三种主要的硬度测 量方法。 1 2 西北大学硕士学位论文 布氏硬度测量方法的的提出者瑞典工程师布林奈尔( j a b r i n e l l ) 经过长期的实践 和研究，在提出硬度测量方法的同时还指出，布氏硬度和抗拉强度之间存在一个正比关 系【3 3 1 ， 吒= c h b( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中o b 为抗拉强度，h b 为布氏硬度，c 为与金属种类相关的材料常数。虽然 式( 2 4 ) 仅为经验公式，但利用该公式能够痛快经济快捷的硬度测量获得抗拉强度这一重 要的力学性能数据，其依然引起了众多研究人员的注意，今天已经知道许多材料的c 常 数，比如对于布氏硬度不高的经过热处理的合金钢来说，c = 2 3 3 。 由于在选择压头形状上的一致，当布氏硬度值不高时( 3 0 0 h b 左右或更低) ，其与 维氏硬度几乎一致，这说明，对于比较低的维氏硬度，同样与材料的强度之间有确定的 正比关系。维氏硬度测量方法使用金刚石压头以及压头形状的选择得当等原因，使得维 氏硬度的的精确度可达1 0 。3 m m ，因而选择测量维氏硬度作为回火量的表征是比较合理 的。 2 2 2 实验数据 利用4 3 0 s v d 硬度计测得各组工艺对应的维氏硬度如表2 3 至表2 9 所示。 表2 37 0 0 1 2 时回火，不同回火保温时间后试样的维氏硬度 1 3 第一二章热处理实验 表2 56 0 0 2 2 时回火，不同回火保温时间后试样的维氏硬度 表2 65 5 0 时回火，不同回火保温时间后试样的维氏硬度 1 4 西北大学硕士学位论文 表2 84 5 0 时回火，不同回火保温时间后试样的维氏硬度 表2 94 0 0 时回火，不同回火保温时间后试样的维氏硬度 第二章热处理实验 由表2 3 至表2 1 0 可得到实验选用的n 8 0 q 钢的回火后硬度与回火工艺之间的关系， 作图2 4 和图2 5 。 由图2 4 可以看到，试样的硬度在0 3 h 的时间内大幅度下降，在其后的回火保温时 间内硬度缓慢均匀下降。从式( 2 3 ) 中可以知道实验中选用的有效厚度为6 m m 的试样在 o 3 h 的时间内已经完成了回火过程的消除内应力作用，在该阶段里，碳原子从马氏体内 部析出，随着回火保温温度提高，碳原子析出的量也大大提高，试样硬度降低。析出的 碳原子达到一定浓度后又会重新聚集形成新的碳化物，促使硬度少量提高。最终碳原子 析出和碳化物形成的速度达到平衡【3 2 1 ，试样的硬度下降缓慢而平稳。 fli | f i | 一艄“一， r 二，蝣饯。j ： i 一鲫u i ： 钏阵 耳p u l ， 1 一卜 一。一? 一一- | 一 p n n 4 v u l ， 5 s o 匏 1 1 l i ：誓 一6 0 0 i - _ 酗0 鬯 一每 n i 0 回火保温时目，l l 2 图2 4n s o q 钢回火硬度与时间在不同温度下的关系曲线 1 6 0 0 0 0 0 0 0 如 的 幻 如 ” 如 ii，雌雕出嫌 西北大学硕士学位论文 日宄保羞暑最， 图2 5n s o q 锕回火硬度与温度在不同时间下的关系曲线 从图2 4 中可以看到试样长时间回火后的硬度主要与其回火保温温度相关程度比较 大，回火保温时间的影响较小这一点在图2 5 中可以更加清晰地表现出来。不同回火 保温时日j 下的硬度温度关系曲线彼此相似，近似直线关系且相差不大，回火保温温度作 为主要影响因素决定了试样的硬度。 2 23 金相分析 利用4 x b c 型显微镜对经回火处理的各试样进行了金相分析，为表现回火保温时 间和温度对组织的影响，以下重点列出6 0 0 下不同回火保温时怕】和o3 h 下不同回火保 温温度试样的金相组织。 恤) 保温时间0 3 ho ) 保温时间0 5 h 删辱姗猢瑚瑚瑚瑚瑚瑚姗 黾删出蝌 第二章捕处4 实验 ( c 】保温时间o 7 5 h( d ) 保温时间l h ( e ) 保温时间2 h 图2 66 0 0 c 时不同回火保温时间处理后试样的金相组织 从图2 6 中可以看到，各组工艺下的金相组织差异不大，这与图2 4 所表现出来的 回火保温温度是决定回火性能的主要因素是一致的。在6 0 0 c 下回火试样的组织都比较 均匀晶粒较小，组织成分主要以回火索氏体和铁素体为主，这样的组织在宏观上所表 现出来的性能应该是同时具备了良好的强度和韧性。结合表25 和式( 24 ) 同时己知这 个硬度范围内( ；3 0 0 h b ) 布氏硬度与维氏硬度几乎一致，因而可以得到具有图2 6 中 的组织的试样抗拉强度约在5 7 5 + _ 3 5 m p a 。但由于工件强度的测定与其测定方法以及工 件形状尺寸都有关系因此该数字仅可作为参考。 回火保温时间的影响也能通过金相图片观察出来可以看到，从图26 ( a ) 到图26 ( e ) 试样组织中白色的铁素体逐渐增多。铁素体的强度和硬度较低，而塑性和韧性比较高， 这在宏观上表现为试样的硬度随回火保温时间的延长，从2 6 2 h v 降低到2 3 3 h v 。 西北丈学硕学位论文 0 ) 保温媪度4 ( c ) 保温温度瑚 t b ) 保温温度4 邬 ( d ) 保温温度5 轴 ( e ) 保温温度6 5 0 ( o 保温温度7 帅 圈2 70 j h 时不同回火保温温度下试样的盘相组织 从图27 中可以看到，随着回火保温温度的提高，试样的金相组织明显地变化着。 回火保温温度为4 0 0 时试样的组织主要为托氏体，析出少量铁素体此时试样硬度约 为3 7 0 h v ；当保温温度达到7 0 0 时，金相组织主要为白色的铁素体基体及均匀分布的 回火索氏体，该试样硬度约为2 2 0 h v ，并对应良好的塑性和韧性。 图27 ( a ) 到图27 ( d 与图5 反映的信息一致，与图2 6 一起形象地表现出了在回火过 1 9 第二章热处理实验 程中，保温温度较保温时间而言是主要影响因素。对实际生产的指导意义在于，在调整 回火处理工艺时，应首先从温度入手，时间作为辅助作用影响力学性能，这样才能达到 提高生产效率和节能减排的双赢目标。 2 0 西北大学硕士学位论文 第三章回火方程的建立 3 1p 参数与l a rs o n - mii | e r 方法 3 1 1 理论基础 j h h o l l o m o n 和l d j a f f e 在19 4 5 年提出p 回火参数( h o l l o m o n j a f f ep a r a m e t e r ) 时的理论基础之一是, a a - r h e n i u s 公式【l l 】， k = a e g o 馏7 ( 3 1 ) a 为常数，e a 为激活能，t 为温度，k 则代表了化学反应速率。 荷兰化学家j h v a n th o f f 在1 8 8 4 年首次提出了表达化学反应速率的公式，之后瑞 士化学家a a r h e n i u s 在研究中从基于物理意义的角度对该公式进行了修正，并与1 8 8 9 年 提出了a r r h e n i u s 公式。尽管式( 3 1 ) 是一个经验公式，但它却能够精确地描述反应的进 行，并能够提供许多可靠的经验结论，比如在常温下，化学反应体系的温度每升高1 0 ，化学反应速率就能够提高一倍。 a r r h e n i u s 公式具有多种修正模型，比较常用的如式( 3 2 ) ， k = a ( t r o ) 一e 既7 盯( 3 2 ) t o 为一参考温度，显然当无量纲数n = 0 时，式( 3 2 ) 就成了式( 3 1 ) 的特殊形式，一般n 值 在【1 ，1 】区间内选取。式( 3 3 ) 是a a r h e n i u s 公式的指数修正模型，此处不再作详细介绍， 七= a p 卜( 意) 芦】 ( 3 3 ) 由于化学反应是建立在原子在扩散过程中相互碰撞而完成的，则反应速率k 代表了 一定时间段内碰撞的原子数目，而a 代表了这段时间内所有可能碰撞的原子数目，而 e 正棚显然代表了几率。p u , r h e n i u s 公式简单的形式及其明确的物理意义使其在诸多方面， 如晶体空位分布、蠕变率、热致过程等研究领域都获得广泛地应用。 从本质上讲，a r r h e n i u s 公式量化了具有一定激活能e 。的原子在温度t 下扩散的速 率。而从另一方面来说，在钢铁的热处理中，回火过程无论是马氏体的分解还是参与奥 氏体的转化，或者碳化物的聚集，都与碳原子以及铁原子的扩散过程有着直接紧密的关 系，这也是a r r h e n i u s 公式能够被用于分析金属热处理过程的根本原因。 h o l l o m o n 和j a f f e 在4 0 年代对回火方程的研究中，首先从a _ r r h e n i u s 公式出发，认 2 1 第三章回火方程的建立 为回火后力学性能( 比如硬度h ) 与t e 。附r t 之间存在函数关系。如此构造函数时可以理 解的，前面提到e 叫r t 具有概率的含义，而t 代表了回火保温时间，则r e - e a s t 同时包含 了总量与概率的因素，而相对地，在概率作用下表现出来最后的实际形式就可以理解为 回火后硬度h ，构建回火方程的作用就是确定二者之间的定量关系。 综上，得到， h = f , ( t e 一丘肌r )( 3 4 ) 对于给定的回火保温温度t 与保温时间t 而言，应有一确定回火后硬度h o 与该工 艺对应，即， t e e 旭r = ( 峨) ( 3 5 ) 两边取自然对数后化简，可得， i n t - 包r t = l i l 【石。1 ( 凰) 】 ( 3 6