（材料学专业论文）船轴用34mnv钢的热处理及性能研究.pdf

南京理t大学硕士论文船轴用3 4 m n v俐的热处理及性能 研究 ab s t r a c t t h e c r i t ic al p o i n t s a n d c c t c u rv e s o f 3 4 mn v s t e e l u s e d f o r c r a n k s h a f ts w e r e t e s t e d b y f o r m a s to r - f f u l l - a u t o m a t i c t r a n s f o r m a t i o n t e s t i n g i n s t r u m e n t . t h e c c t c u r v e s a n d t h e m ic r o s t ru c t u r e s a t d i f f e r e n t c o o l i n g r a t e s s h o w e d t h a t t h e t r a n s f o r m a t i o n p r o d u c t s o f 3 4 mn v w e r e f e r r i t e a n d p e a r l i t e w h e n i t s c o o l i n g r a t e w a s l o w e r t h a n 0 . 1 c / s , w h i l e b a i n i t e a p p e a r e d w h e n t h e r a t e w a s h i g h e r t h a n 0 .2 c / s . a n d t h e m i c r o s t r u c t u r e o f 3 4 m n v w a s a l m o s t m a rt e n s it e a t t h e c o o l i n g r a t e o f 2 0 c / s . t h e m i c r o s t r u c t u r e s a n d t h e m e c h a n i c al p r o p e rt i e s o f 3 4 mn v s t e e l a f t e r d i f f e r e n t h e a t t r e a t m e n t s w e r e s t u d i e d b y o l y m p u s - b x 6 0 m o p t i c a l m i c r o s c o p y , z o 5 0 a u t o m a t i o n t e n s i l e t e s t e r a n d j b - 3 0 b i m p a c t t e s t e r . t h e e x p e r im e n t a l e v i d e n c e s r e v e a l e d t h a t t h e s t r e n g t h a n d i m p a c t t o u g h n e s s o f 3 4 m n v s t e e l h e l d a t 9 0 0 1c f o r 1 h o u r a n d f u r n a c e - c o o l i n g o r h e l d a t 9 0 0 c f o r 1 h o u r a n d a i r - c o o l i n g w e r e e n h a n c e d o b v i o u s l y , h o w e v e r , f u m a c e - c o o l i n g p u t e m p h a s i s o n i m p r o v in g t o u g h n e s s o f m a t e r i a l s , a n d a ir - c o o l i n g e m p h a s i z e d t h e e n h a n c e m e n t o f s t re n g t h . a f te r a u s t e n i t i z i n g f o r t w o o r t h r e e t im e s , t h e s t r e n g t h o f 3 4 m n v w a s i n c re as e d , m e a n w h i l e , i t s i m p a c t t o u g h n e s s w a s i m p r o v e d f u r t h e r a n d i t s g r a i n s iz e was s ma l l e r . t h e c r a n k a u s t e n i t i z e d a t 9 0 0 0 w a s c o o l e d b y w a t e r m i s t a n d t h e t h r e e d im e n s i o n al t e m p e r a t u r e fi e l d s o f t h e c o o l i n g p r o c e s s w e re s i m u l a t e d b y m e a n s o f a b a q u s s o f t w a r e . t h e s i mu l a t e d r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e i n n e r o f t h e c r a n k w as t r a n s f o r me d i n t o f e r r i t e a n d p e a r l i t e , h a v i n g b e t t e r t o u g h n e s s . f u r th e r m o re , t h e r e e x i s t e d b a i n it e o n t h e s u r f a c e l a y e r o f t h e c r a n k , w h o s e s t r e n g t h w as h i g h e r . t h e re f o r e t h i s b e a t t r e a tm e n t p r o c e s s c a n p r o v i d e t h e c r a n k w i t h t h e e x c e l l e n t m e c h a n i c al p r o p e rt i e s o f s t r e n g t h e n e d s u r f a c e a n d t o u g h e n e d i n n e r , w h i c h m e e t s w o r k i n g c o n d i t i o n o f m a t e r i a l s w e l l . k e y w o r d s : 3 4 m n v s t e e l ; c r a n k s h a ft s ; c c t c u r v e s ; h e a t t r e a t m e n t ; s t r e n g th ; i m p a c t t o u g h n e s s ; s i m u l a t i o n o f t e m p e r a t u r e f i le d . 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: a0 娇 07 年 了 “ 了 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内 容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 可 年 t a 了 日 南京理丁大学硕十 论文般轴用3 4 m n v俐的热处理及性能研究 1 绪论 1 . 1国内外船舶发动机曲轴发展状况 曲轴是大型船舶的心脏一发动机的重要组件， 它是直接用于柴油发动机与螺旋桨 联结从而传递推进力的工具， 对船舶的安全 起着至关重要的作用. 大型船舶的柴油发 动机曲 轴质量大、 加工精度要求高、 制造技术难度大， 是否具备曲 轴制造能力， 在某 种程度上代表了一个国家的造船工业水平。 我国 船舶的 制造量占 世界第 三位川 。 柴油 机是大型船舶的 核 心部分，占 船 价的 1 0 %以上， 我国国产柴油机均为通过许可证引进技术生产， 其中许多零部件大部分需 要进口， 特别是柴油机的重要部件之一一曲 轴， 几乎完全依靠进口。 进口曲轴不仅供 应周期长、 价格高， 而且完全受制于人， 不能保证柴油机正常的生产周期， 使国产主 机在与国外产品的竞争中处于劣势。 例如， 1 9 9 9 年8 月国内某厂进口的一根b 还有由于需要焊接地方 减少和焊接速度可以提高，从而减低总的成本。 ( 4 )有利于环境保护 产品的重量减轻， 有效载荷提高， 运输费用减少， 燃料消耗降低等等都会使地球 上的 资 源 得到合 理的 利用， 减少 污染 1 3 - 1 6 。 近年以来， 国内外都致力于开发新型的微合金高强度结构钢， 这些钢不仅只有高 的强度， 并且具有良 好的塑性、 韧性、 可焊性和低的韧脆转变温度， 冷成型能力也十 分优异。 这种钢的成分具有微合金钢的典型特点，即低的含碳量、 较高的锰含量、 低 的硫含量和微量的微合金化元素， 其组织为极细小的多边形铁素体和珠光体， 在强度 特别高的钢中还有少量的贝氏体。 钢的强度主要是由于极细小的细晶显微组织提供， 即细晶强化: 同时钢中碳、 氮化物的沉淀强化作用也是钢具有极高强度的另一个重要 因素，即沉淀强化。 1 . 5 .2微合金元素的作用 在微合命钢中， 常加的微合金元素有 n b , v , t i 等， 它们在钢材中都起着十分重 要的作用。 为了获得高强度的微合金钢， 必须考虑各微合金元素的综合作用， 通过选 择合适的化学成分以及加以适当的工艺控制， 从而得到所需性能。 下面为各微合金元 素所起的作用: ( 1 ) n b 的 作 用 1 7 - 2 0 1 n b 在钢中的固溶度取决于碳、氮的浓度， 碳、氮含量越低妮的固溶度越大，反 之亦然。 根据形成碳化物、 氮化物的自山能的变化，在奥氏体区9 0 0 - 1 0 0 0 获得这些 南京理t大学硕士论文船轴用3 4 mn v钢的热处理及性能 研究 化合物的可能性n b 最大， 而t i 次 之， 碳化钒和氮化钒在高温奥氏体区处于溶解态， 氮 化钦处于沉淀态，只有n b 的氮化物处于析出 和溶解的动态中，升温时溶解，降温时 析出， 因此n b 是可利用于控轧、 控冷的最佳元素。 n b 在铁水中与氧的亲和力相当小， 在常用元素中仅次于铁，只有在其它元素氧化完了的情况下才氧化n b 。钢水中的碳 还有还原氧化n b 的作用， 钢水中收得率几乎为1 0 0 %. n b 的碳氮化物在轧钢时可以钉 扎晶界， 钉扎力大于该温度下的再结晶驱动力， 因而阻止晶粒长大。 n b 的碳氮化物 钉 扎作用可达”0 0 c ，在热变形时晶界 “ 弓出”而分割晶界。固溶态n b 由于n b 的原子 半径比 f e 大的多， 在晶界富集浓度可达到1 . 0 %以上( 原子比 ) . 而晶内 浓度较低， 所以 n b 具有强烈的“ 拖拽”晶界移动的能力。 n b 的双重作用表现出阻止晶粒长大的最佳 效果。 在1 1 0 0 9 0 0 热加工的道次之间， 不发生再结晶， 变形量可以累加。奥氏 体 晶 粒达到高形变延伸而成薄“ 铁饼” 状。在 y - a 转变时为 。 生核提供大量晶界 面积， 相变后的铁素体细化程度决定于 ， 晶粒的非再结晶 变形 度，由 于n b 的化合物的 钉扎作 用，n b 原子的拖拽作用使控轧控冷效果最佳.颗粒尺寸越细n b 的碳氮化物析出强化 效果越大。 固溶n b 析出强化的组分，由终轧温度控制， 当终轧温度1 0 0 0 以上后会有 一部分 n b 固溶，供相变或相变后析出 产生进一步强化;超低碳的n b 钢在终轧温度下 有 大 量 固 溶 抑 制 y - a 相 变， 首 先 是 抑 制二 次 铁 素 体 析出 ， 而最 终发生 y b 转 变。 ( 2 ) v 的作用 对材料使用v进行微合金化，主要是利用v的析出强化作用提高材料的强度; 另外， y 的碳化物和氮化物还可以阻碍在含v 微合金钢在加热过程中奥氏体晶粒的粗 化。 本论文所研究的材料中添加了微合金元素v ， 下面详细地介绍v 的沉淀强化和晶 粒细化作用。 沉 淀 强 化 ( 析 出 强 化 ) lz i- zs l 微合命元素对钢板或带钢的影响是主要是影响轧制条件实现的。对于热轧带钢， v 的碳氮化物的析出会使材料的强度增加。 钒是 强 化铁素体和 丫 相的元 素之 一， 它和碳、 氮、 氧都 有极强的亲和力， 与 之形 成极为稳定的化合物，井以立方晶体的形式存在于钢中。 v 的氮化物与碳化物属同一 晶型， 所以它们的碳化物与氮化物往往是互相固溶的。 钒和a 铁能形成连续的固溶体; 但在钢中主要以碳化物或氮化物的形式存在。 含钒钢中一般都添加氮。氮通常被认为是钢中的有害元素，因为在很多钢种中， 氮能引起钢材的“ 时效硬化” 现象， 即随着时间的延长钢的强度和硬度升高、 塑性和 韧性显著下降。 然而微合金钢理论的产生和发展及2 0 世纪7 0 , 8 0 年代材料科学的一些 研究成果表明， 在含有一定量某些合金元素如钒、 钦、 镍等的钢种中， 如同时加入一 定量的氮， 可显著改善钢的某些性能， 不但无害反而有益。 钒和氮的综合强化效果比 单独用钒或氮更显著。 其原因之一是 细小的碳氮化钒在钢中 沉淀使钢得到细的组织结 南京理工大学硕士论文 船轴用3 4 m n v钢的热处理及性能研究 构， 原因 之二是缓冷时， 氮化钒在铁素 体区的上部沉淀而使钢得到强化。 热力学计算 结果 表明， 含钒钢中 氮含量的 增 加提高 了 v ( c , n ) 的 析出 温度， 并 增加了 其析出 的 驱 动力， 随钢中氮含量的增加， 析出相中碳氮组分发生了明显的变化， 低氮情况下， 析 出相以 v c 为主， 随氮含量不断增加， 逐渐转变成以 v n 为主的析出相，当钢中氮含量 达 到 2 0 0 p p m 以 上时， 在整个析出 温 度范围， 均是 析出 v n 或富氮的 v ( c , n ) , 颗粒尺 寸和间距也明显减小， 所以， 要发挥钢中钒的强化效果， 钢中要有一定的氮含量， 在 缺氮的情况下，大部分钒没有充分发挥其析出强化的作用， 增n 后，钢中原来处于固 溶状态的v 转变成了析出状态的v ，充分发挥了 v 的沉淀强化作用，有资料表明，钢 中 v ( c , n ) 的沉淀强化效果随氮含量的 增加而递增， 最大强度增量能 够达到3 0 0 m p a , 含 钒 钢中 每 增加l o p p m 的 氮含 量可以 提高 强 度 6 m p a a 在调质钢中，由于在钢中形成碳化物v c和氮化物v n ，在热处理过程中可起到 弥散强化和阻碍品粒长大的作用， 在这种钢中， 由于氮的加入， 提高了钢的屈服强度， 延长了 使用寿命， 降低了 钢的锻脆性， 并改善了 其可焊性: 在钢轨钢中， 钢中钒和氮 配合， 含0 . 1 % - 0 . 2 % v就可改善 钢的脆断 性: 在高强度低合金钢中， 钒与氮以 微小的 碳氮化物弥散析出， 从而可获得良 好的韧性并显著地提高了钢的屈服强度， 在这种钢 中， 由于钒氮的交互作用. 随着氮含量的提高， 为达到钢材指定强度水平所需的钒含 量要少的多， 这样适当 提高钢中氮含量还可达到节省v的目 的. 细化晶 粒2 9 - 3 4 1 v可以 细化钢的组织和晶粒， 提高晶粒粗化温度， 从而提高钢的过热敏感性， 并 提高钢的强度和韧性。 在通常的热处理加热时， 钢中的v n 不仅是强化相， 还可抑止奥氏体晶界的迁移， 细化奥氏 体晶 粒， 从而细化铁素体晶 粒和珠光体团: 在相变时又起核心作用， 进一步 使铁素体晶粒细化。因此， v 和n 同时存在时，既有明显的沉淀强化效果，又有一定 的韧化作用。钒在钢中的碳化物极为稳定，只有在高温下才能缓慢地溶入奥氏体中。 v c 通常以细小颗粒状态存在，它们一般足以抑止钢中晶界的移动和晶粒的长大，因 此含钒钢大都是细晶粒的。 图1 .2 表示的是钒对碳素钢( 0 .2 90 . 3 2 0/ o c ) 的晶粒度和对晶 粒 粗 化温 度的 影 响2 9 1 ， 可以 看出 晶 粒 度随 钒 含量的 增加而 细 化， 而晶 粒粗化温度随 钒 含量的增加而提高。只有当v c 在高温下溶解后，钢的品粒才长大粗化。 南京理工大学硕t 论文船 轴用3 4 m n v钢的热处理及性能 研究 口 日 日 日e l- -, i a 卜 l i ro日厂 门 几多沪卜扮 二a阅 j.呀 一 _ o- 一 铸件 t锻件一 日 土 、 _ 、 目 、 、 。q、a _ 1口 一、 、 勺队 一 二_ 二 日 亡一 _二习r 、 砂州 口 目从 l v 、 西 、 、 缸阅 卜 侧国 才， 一一 习 口二习 二 i巨 竺 门产 洲l 一口 .侧妮李理幅 侧禅咯长瑕彬侧裂缓攀以暇 v , % 图1 . 2 不同钒含鱿对碳素钢的品粒度和对晶粒粗化温度的影响 f i g u r e 1 . 2 t h e i n fl u e n c e o f v 0/ a o n g r a i n s i z e a n d g r a i n b o u n d a r y d o a r s e n i n g t e m p e r a t u r e o f c a r b o n s t e e l 对淬透性的影响 v对 钢的 淬 透性有重要 影响， 当 在高 温溶入奥氏 体时 增加钢的 淬透 性【3 4 1 ， 降 低 钢 的 脱 碳 敏 感 性 (3 5 1 ; 相反， 如 果v以 碳 氮 化 物 存 在时 ， 将降 低 钢的 淬 透 性。 ( 3 ) t i 的作用 随着t i 含量的增加， 会发生强烈的沉淀强化， 因而会提高热轧产品的强度， 但是 晶粒细化却是中等的。 和强度等级相同的n b 钢相比， t i 钢的热轧产品的抗脆性断裂性 能较低。对于厚规格的常化钢板， t i 与n i 的结合是最有效的。如果加入t i 的百分比足 够高， 它对于控制硫化物形状是有利的， 因为高强度t i 钢的冷成型性能特别好， 而且 在纵向、 横向 和厚度方向 上的 性能均一， 所以 加入t i 是十分有利的 1 1 6 1 在微合金钢中加入少量的t i 添加元素( 0 .0 2 % ) 后， 即使在高温也会显示出一种强 的抑制晶粒长大的效果。 瑞典的t a d e u s z s i we c k i 认为抑制奥氏 体晶粒长大的可能是 由 于 钢中 存 在 非 常 细小的 t in 微 粒( 2 0 u tn ) 的 结 果 造 成 的 ， 它 可以 在整 个 后 续 加 工的 过 程( 加 热、 热 轧 过 程中 和 焊 接 加 工中 ) 仍 然 保 持 相当 的 稳定 x3 6 ， 因 此即 使 在 较高 的 终 轧温度下也可以达到具有相当的强韧性结合的产品。 但是由 t i 所引起的屈服强度的增加是十分复杂的。 因为t i 和n 有很强的亲和能力， a 对不同工艺热处理后 的材料进行力学性能测定， 建立组织与性能的对应关系， 并优化出能够提高材料强度 和韧性的最佳热处理工艺。 ( 4 )研究二次或多次奥氏 体化对3 4 m n v钢强度和韧性的影响。 ( 5 )利 用有限 元分 析软件a b a q u s 模拟曲 拐热处理时 冷 却 过程中 的 温度场分 布，分析曲 拐各部位的冷却速度，结合c c t曲线确定各部位组织及力学性能。 南京理工大学硕士论文 船轴用3 4 m n v钢的热处理及性能 研究 2实验材料与分析测试方法 2 . 1实验材料 本课题是对组合式锻造曲轴用钢进行的研究。 锻造曲轴的材料一般为中碳钢或中 碳合金钢。 本课题研究的钢种是3 4 m n v 钢， 下面详细地介绍本课题所用3 4 m n v 钢的化 学成分及合金元素对该钢性能的影响. 2 . 1 . 1 3 4 mn v钢的化学成分 世界著名柴油机制造公司m a n b 论文 船轴用3 4 m n v俐的 热处理及性能研究 力学性能的提高也说明了成分调整的合理性。 表2 . 4 实验用3 4 m n v钢的力学性能 t a b l e 2 . 4 me c h ani c a l o f e x p e r i m e n ta l s t e e l r p 0 2 j mp aai % 刀 % a k v / j 3 7 5 61 8 2 . 1 .2各合金元素对3 4 mn v钢性能的影响 钢中 的 合 金 元 素分 为 两 类12 9 1 : 一 类 是 影 响 相 变的 合 金 元 素， 如m n , m o . c r 等， 通过降低相变温度，细化晶粒，并细化相变过程中或相变后析出的微合金碳氮化物: 另一类是形成碳化物和氮化物的微合金化元素，如v , n b , t i 等，根据在钢中存在 的形式不同， 将对钢的性能产生不同的影响。下面介绍各合金元素对3 4 mn v钢性能 的影响。 2 . 1 . 2 . 1 m . 对组织和性能的影响 m n 是弱碳化物形成元素，在钢中主要以固溶的形式存在，室温下固溶于铁素体 之中，也有一部分进入渗碳体中取代一部分 f e原子，形成合金渗碳体.为了保证 3 4 m n v能够获得较好的韧性，材料中的 碳含量不超过 0 .3 7 %，在降碳的同时， 提高 钢中的m n 含量以保证抗拉强度不会降的太低。 锰对提高中碳钢的强度有显著的作用。 增加钢中锰的含量将降低钢的共析成份碳 含量，导致珠光体量增多， 提高钢的强度; 另外， 在钢中加入1 .2 %以上的m n ，可以 使相变温度a r 3 降低， 减缓奥氏 体向珠光体的转变速度， 提高淬透性， 并能细化铁素 体晶粒、 珠光体团和珠光体片间距， 提高钢的强度和韧性;同时， 提高m n 还会增加 材料组织中 珠光体的含量， 并且m n 还会以固溶的方式强化铁素体， 因此m n 元素的 加 入 可以 提高 强 度却 不 降 低 韧 性 12 9 .3 8 1 m n 除降 低钢的相变温度外，同时也降 低其共析转变产物珠光体中的 碳含量， 结 果使铁碳平衡相图中的共析点s向左下方移动，每2 % m n 约可使铁碳平衡相图中的 s 点左移0 .0 5 0 .0 6 % c 。如图2 . 1 所示为 锰对铁碳相图中共析点的 影响12 9 1 此外， m n 的 存在会增加v c , v n在奥氏体中的溶解度，并使v的固溶温度降 低， 从 而 使v的 析出 强 化 作 用 更加明 显 2 9 1 南京理工大学硕士论文船轴用3 4 mn v俐的热处理及性能研究 洲 ， 产 、 、 日 、 、 、 、 卜 、 ，l _ j卜 - 乞 二 / t / 礴 尹扩 另沙/ 35f 涎谕龚一 丫- g y 淤 n 产- 侧口 c .% 图2 . 1 铭对铁碳相图中共析点的影响 f i g u r e 2 . 1 t h e i n fl u e n c e o f m a n g a n e s e o n e u t e c t o i d p o i n t i n f e - c p h a s e d ia g r a m 2 . 1 .2 . 2 v的微合金化作用 实验用钢的v 含量不变，质量分数在0 . 0 9 - 0 . 1 2 % 之间。使用v进行微合金化， 主要是利用v的析出强化作用提高材料的强度; 另外， v 的碳氮化物还可以阻碍在加 热过程中奥氏 体晶粒的粗化。 关于v 的沉淀强化和晶粒细化作用在第1 章己作详细介 绍。 2 . 1 .2 . 3 c r 元素的作用 c r 在钢中 具有和m n 一样的作用， 加入少量的c : 可以 更进一步提高 材料的硬度 和强度，以保证在大规模生产的条件下也能得到良 好的力学性能， 并极少降低塑性， 能 改 善 钢的 耐 热 和 抗 氧化 性能 (2 9 1 2 . 1 .2 . 4 mo 元素的主要作用 m o 作为一种强碳化物形成元素，不仅可以细化晶粒， 还可以析出碳化物提高材 料的硬度和耐磨性。具有较高m 。 含量的钢会导致锻造困难，因此与c r 联用，它和 c r 一样还可以溶入渗碳体，形成合金渗碳体，并且m o 不容易形成粗大的碳化物， 因 此不 会 影 响 到 材 料的 疲 劳 性能 12 9 1 2 . 1 .2 . 5 c u 元素的应用 作为曲 轴材料需要有一定的 抗大气腐蚀能力， 所以 材料中应含有少量的铜。 铜除 南京p i ct人学硕 1 : 论文船轴用3 4 m n v钢的热处理及性能研究 了可以 增加钢的耐蚀性外还具有强化铁素体的作用。 但是铜含量的加入不宜过高， 应 控制 在0 . 1 0 %以下， 否则容易引起热脆性导 致热锻轧加工困 难3 9 1 2 . 1 .2 .6 s , p , a i 和o等元素的含量控制 合理控制c . mn , s i , v , c r . m o 等主要元素就可以保证3 4 m n v钢获得较满 意的强度和韧性， 但是曲轴还需要有较高的疲劳强度. 大颗粒的夹杂往往成为疲劳裂 纹源，极大的伤害了材料的疲劳性能，所以在材料的成分设计中必须考虑到这一点， 尽可能地避免大的夹杂生成，因此对成分中的s , p , a 1 和o元素的含量要求控制到 极低的水平. 这样可以大大减少生成粗大的m n s 和a 12 0 3 夹杂的几率，提高材料的 疲劳强度。低s 含量时，弥散析出的m n s 可以阻碍晶界的移动，成为v n和晶内 铁 素体的形核核心。 对s , a 1 , o含量的严格要求就对材料的纯净化冶炼提出了 更高的 要求 2 9 1 2 .2分析测试手段 本课题在研究过程中需要对经过不同热处理工艺处理过的试样进行显微组织观 察和力学性能测定， 主要应用的分析测试仪器有金相显微镜、 拉伸试验机、 冲击试验 机、 2 . 2 . 1 扫描电镜和维氏显微硬度计。 金相观察 本 论文实 验中使用的显 微镜为 o l y m p u s b x 6 0 m 金相显微镜。 金相腐蚀液为 4 % h n 0 3 酒精。 2 . 2 .2 拉伸试验 采 用z w i c k z 0 5 0 电 子 拉伸试验机 进 行 拉 伸试 验， 拉 伸试验测试的内 容 包括: 抗 拉强 度r m 、 屈 服 强 度r p o _z 、 断 后 伸长 率a 和断 面 收 缩 率z 。 本论 文中 拉 伸 试 样为。 5 m m 标准拉伸试样。每种状态下的样品都取3 个测量值的平均值作为测试结果。 2 . 2 .3冲击试验 冲击试验的仪器为 j b - 3 0 b型冲击试验机。本论文中冲击试样的尺寸为 l 0 x 1 0 x 5 5 m m ， 缺口 为v型。 每种状 态下 都 取3 个试样进行测量， 求得平 均值作为 测 试结果。 冲击试验的测试值为冲击吸收功a c v 。 它表示的是 试样在冲击负荷作用下折 断时所吸收的功，反映了材料韧性的好坏。 2 .2 . 4扫描电子显微镜 采用型号为 q u a n t a 2 0 0的扫描电 子显 微镜( f e i 公司生产) 来观察试样拉伸断裂 后截面的组织形貌，工作电压为2 0 k v . 南京理工大学硕 卜 论文船轴用3 4 mn v钢的热处理及性能研究 2 . 2 . 5显微硬度 样品组织在不同状态下的显微硬度用 h x - 1 0 0 0型显微硬度计测量，采用维氏 ( v i c k e r s ) 压头，测量显微镜放大倍率为 4 0 x ，分度值为 。 . 0 1 m m,测微目镜格值为 0 .2 5 w r n 。 本课题采用的 试验力是0 .9 8 n ， 加载时间为l o s 。每个试样取3 个测量点的 平均值作为 测量结果。 实验中每次测得四边形压痕两条对角线长度d l , d 2 ， 根据维氏 硬度试验公式 h v = 0 . 1 0 2 x 1 . 8 5 4 4 f 1 d 2 = 0 . 1 8 9 1 f ( d 2 ( 2 . 1 ) 计算得到硬度值， 式( 2 . 1 ) 中的f 为试验力; d 是d i , d 2 的算术平均值。 2 . 2 . 定量金相手工侧定法14 0 1 晶粒尺寸大小是金相分析中经常描述的项目。 本文采用面积法和截点 法及手工计 数的手段测定晶粒尺寸。 面积法是通过给定面积网格内的晶粒数n来测定晶粒尺寸。晶粒数n = n a + n z - 1 ( n,g 为完全落在测量网格内的晶粒数， n。 为被网格所切割的晶粒数) ， 然后根据n , a ( a为网 格的面 积 ) 可以 计算出 每平 方 毫米内 的品 粒 数及 平均晶粒尺寸。 截点法是通过计数给定长度的测量线段 l或网格与晶粒边界相交截点数p来测 定晶粒尺寸. 本文在计算截点时， 测量线段中点不是截点时不予计算， 终点正好接触 到晶界时记为0 . 5 个截点， 测量线段与晶界相切时记为1 个截点，明显与3 个晶粒汇 合点重合时记为 1 .5 个截点。通过计算有效长度内的平均截距得到晶粒的尺寸。 南京理 工大学硕士 论文船轴用3 4 m n v钢的热处理及性能 研究 3 3 4 mn v钢的c c t曲线测定 钢中碳含量的不同以及合金元素的变化都会影响钢的相变特性及热处理工艺性 能 钢的过冷奥氏体连续转变曲 线( c c t曲线) 不仅是制订工艺路线和选择工作参数 的重要 理论基础， 而 且在新钢种的 研制、 特别是在新工艺的研究中发挥着重要的作用， 而钢的c c t曲线可以清晰地描述钢连续冷却时的组织演变规律， 系统地表示冷却速 度对转变开始点、 相变进行速度和组织的影响情况， 且与实际生产条件相当近似， 因 此为了 控制材料不同热处理工艺后室温下的组织与性能， 必须了 解该钢奥氏体在冷却 过程中的组织演变规律， 根据冷却转变曲 线， 选择适当的工艺规范， 从而得到综合力 学性能最佳的组织，达到提高材料的强度和塑性以及防止焊接裂纹产生等目的。 钢的组织变化往往引起其物理性能的变化， 因此利用钢物理性能的变化来研究它 的组织变化是经常用的手段。 这些方法很多， 如膨胀法、 金相法、 磁性法和热分析法 等 f4 i ,4 z 1 。 其 中 常 用的 是 膨 胀 法 x4 3 - 4 7 1 。 本 课 题 利 用 膨 胀 法 较为 准 确 地 测定了3 4 m n v 钢 的c c t曲线。 3 . 1 膨 胀法测 量c c 7 ， 曲 线原 理(4 q 众所周知， 物体热胀冷缩. 钢也不例外。 但当钢发生固态相变时， 常伴随着体积 的不连续变化， 从而引起热膨胀的不连续变化。 因此分析热膨胀现象在研究钢的相变 特征方面占 有很重要的地位。 它可以 用来测定钢在不同温度下的线胀系数和不同钢种 的各种相变温度。 设 某 物 体。 时 的 长 度为几， 则 其 在t 时的 长 度l ， 为 : 吞=l o ( l + a t + l t + ( 3 . 1 ) 该 经 验 公 式 中口、 q 为 物体 的 材 料 常 数， 一 般a 及 其 后 面的 项 都 很 小， 可 忽 略不 计，因此上式可简化为: l , = 八( l + a t ) 对其求微分，可得: d l , -“ =口ln dt ( 3 . 2 ) ( 3 . 3 ) 上述情况只是在加热和冷却过程中 材料不发生相变时才有效。 若有相变发生， 则 由于新旧 两相的结构不同， 比容不同， 材料的体积将发生不连续的变化， 因而热膨胀 曲线在相变发生的温度处形成拐点。 根据此拐点， 就可以比较容易地确定各种相变点。 南京理t大学硕士论文船轴用3 4 mn v钢的热处理及性能 研究 钢中各组织的比 容关系是: 奥氏 体 铁素体 珠光体 贝氏 体 马氏 体。 从图3 . 1 亚 共析钢加热和冷却是膨胀曲线示意图中可看出: 加热中， 当发生铁素体和珠光体向奥 氏体转变时， 由于奥氏体的比容比铁素体和珠光体都小， 所以引起膨胀曲线在长度上 的收缩， 待全部转变为奥氏体后， 膨胀曲 线将继续膨胀。 这样在膨胀曲线上就会出现 了 两 个拐点， 从这两个拐点就可以 确定出a c ， 和a c 3 e 冷却中，当 从奥氏 体中析出 铁 素体和奥氏体转变为珠光体时， 开始时收缩的曲 线会发生膨胀， 当奥氏 体全部转变为 铁素体和奥氏体后， 膨胀曲线又继续收缩， 从而也出现两个拐点， 并可根据拐点确定 a r 3 和 a r 二同 理，当 冷却 速度足够大，发生奥氏 体向马氏 体转变时，同样会引 起膨 胀曲 线的变化而出 现拐点， 由此可确定ms 和m r 。 如上所述. 若测出不同冷却速度下 各拐点的温度，就可绘出钢的过冷奥氏体转变曲线图。 a c l 膨胀量 a i - 3 温度 图3 . 1 加热和连续冷却的 膨胀曲 线示意图 f i g u re 3 . 1 t h e e x p a n s i o n c u rv e s d u r i n g h e a t i n g and c o n t i n u o u s c o o l i n g 3 . 2实验装置 连 续 冷 却 转 变曲 线的 测定 是 在 f o r m a s t o r - f 全自 动 相 变 仪上 进 行。 图 3 .2 14 伪 f o r m a s t o r - f全自 动相变仪结构示意图。 该仪器由 电 源、 加热/ 冷却系统、 抽气系统、 膨胀检测单元、 温度调节器、 控制机构和双笔记录仪组成。 采用高频感应加热的方法， 通过自 动温度控制机构把要求的加热、 冷却程序施加于试样， 由差动变压器测量膨胀 量的变化， 热电 偶测量 温度， 双笔记录仪记录检测出的数据， 从时间、 膨胀量、 温度 三者之间的关系分析相变的特征。 高频感应加热时， 高频磁通通过被加热的试样， 试样被本身感应的涡流加热。 由 于被加热的试样本身是热源， 所以加热速度快。 试样处于高真空中可避免氧化和脱碳。 1 6 南京理工大学硕士论文船轴用3 4 m n v钢的热处理及性能研究 同时能实现快速加热、冷却程序. 用很细的r 型铂锗热电偶仲0 .2 m m ) ，可消除时间 延迟误差和对试样均匀加热的干扰。 温度自 动控制的过程时， 将输入和存储在程序模拟发生器中的加热、 冷却程序变 成时间与电压的函数并由发生器输出， 从中分出一个热电势的信号， 这个信号作为给 定值被输送给一个闭环自 动温度控制机构。 该给定信号和热电 偶测得的热电势之间的 电压差经毫伏转换器和运算放大器被放大， 并输送给负载转换器。 这里产生一个固定 频率为 4 0 0 h z 的短齿波， 它接通和断开的持续时间比与运算放大器的输出成正比。 然 后再由震荡驱动器进行功率放大， 并输送给振荡管的栅极， 执行对振荡管的开关控制。 该仪器最高温度为1 4 0 0 1c ,最大加热速度为1 0 s 之内可将温度从室温升到1 4 0 0 c . 吹氮 气时最大冷却速度可达1 0 0 c 1 s ， 吹高纯氮气时可达3 0 0 c / s 。 升温和冷却速度可在 允许范围内随意给定。 图3 .2 f o r m a s t o r - f全自 动相变仪结 构示意图 珑 u re 3 . 2 t h e s t r u c t u r e o f f o r m a s t o r - f f u l l - a u t o m a t ic t r a n s f o r m a t i o n t e s t i n g i n s t r u m e n t 该 仪器 可 进行: ( 1 ) 4 1 的临界 相 变点 测 量( a c t , a c 3 , a r t , a r p m s , m r * ) : ( 2 ) c c t 曲线测量:( 3 ) t t t 曲线测量. 本课题利用f o r r n a s t o r - f全自 动相变仪完成对3 4 m n v 钢相变点( a c a c s , a r t , a r ; , m s ) 和c c t 曲线的测定。 南京理工大学硕士 论文 船轴用3 4 m n v钢的热处理及性能研究 3 .3实验过程 按照国家标准g b 5 0 5 6 - 8 5 的规定， 膨胀法测定钢的临界点a c , , a c 3 , a r e , a r 时， 其加热和冷却速率应低于每小时2 0 0 c 。 在不影响测试结果的前提下， 为了缩短时间， 可以在较低的温度时快速加热，根据经验，通常在5 0 0 以下进行快速加热，加热速 率高于每小时1 0 0 0 1c . 5 0 0 以 上加热至奥氏 体区的加热速率及从奥氏 体化后进行冷 却时的冷却速率， 都严格按照低于每小时2 0 0 的速率进行。 ms 及m凉测量则采用吹 氮气进行快速冷却，冷却速度必须大于i o c / s e 根据国家标准的规定以及临界点测定的需要， 本实验测定试样的临界点的加热速 率与冷却速率都为0 . 0 5 c i s o 。 将若干试样分别以 0 .4 c / s 加热至5 0 0 后， 再以 0 . 0 5 c / s 的速度缓慢加热至8 8 0 1c ,测得其升温膨胀曲 线， 在该升温膨胀曲线上可确定其临界 点 a c 。 和a c 3 : 在8 8 0 保温2 0 m i n 后以1 1 个不同的冷却速度冷却， 设置的冷却 速度由高 到低分别为: 2 0 c / s , i o c / s , 7 c / s , 5 c / s , 4 c / s , 3 c l s , i c / s , 0 . 5 c l s , o . i c l s , 0 .0 5 c / s , 从而得到不同的降温膨胀曲线图， 根据膨胀分析法， 可确定各冷却速度下的相变点温 度， 并根据。 .0 5 c / s 的 冷却速度时的降 温膨胀曲 线确定 a r ， 和a r 3 ，以 2 0 c / s 的冷却速度 获得的降温膨胀曲 线确定ms 点和m 凉. 3 4 m n v 钢临界点和c c t 曲 线测定的加热冷却过程如图3 . 3 所示。其中a 段为0 .4 c l s 加热至5 0 0 c , b 段为0 .0 5 c / s 加热至8 8 0 c , c 为8 8 0 保温2 0 m i n 进行完全奥氏 体化， d l , d 2 , d 3 , d 4 , d 5 , d 6 , d 7 , d 8 , d 9 , d 1 0 , d l l 分别为奥氏体化后以不同的冷却速度冷 却至室温， 冷却速度分别对应为2 0 c / s , i o c / s , 7 c / s , 5 c l s , 4 c / s , 3 c i s , 1 c / s , 0 . 5 vs , 0 .2 c/ s , 0 . 1 c/ s , 0 . 0 5 c l s e 5 0 0 图3 . 3膨胀曲 线测定过程的热处理示意图 f i g u r e 3 . 3 t e c h n ic a l c u r v e s f o r t h e t e s t o f e x p a n s i o n c u r v e s 南京 理工大学硕士论文船轴用3 4 m n v钢的热处理及性能研究 3 . 4实验结果与分析 3 . 4 . 1热膨胀曲 线分析 f o r m a s t o r - f 全自 动相变仪将材料在不同冷却速度下的“ 伸长一 时间”曲线和 “ 温 度一 时间”曲 线记录下来， 而后将它们转化为冷却过程中的“ 膨胀量一 温度”曲线。 从 热膨胀曲线上，如何确定相变点非常重要。 膨胀曲 线上 确定 相变点的 方 法通常 有两 种: 顶点 法和切 线法 14 1 1 。 顶点 法是取 膨胀 曲线上曲折最明显的顶点作为相变点， 这种方法的优点在于拐点明确， 容易确定。 但 加热时这种方法确定的转变开始温度将比真实的高， 而转变结束温度又比真实的低， 冷却时则相反。 根据这种方法确定的相变点对制定实际的热处理工艺不会带来很大的 影响，但对c c t曲线的位置却会带来很大的影响。切线法是取膨胀曲线直线部分的 延长线与曲线部分的分离点作为临界点。 这种方法的优点在于它接近转变温度和结束 温度， 缺点在于分离点的确定带有一定的随意性， 因而误差较大， 为此在实际测量中 需要多测几个试样， 按国家标准规定， 两次测量结果相差应小于7 c / s ， 若超过此值， 应进行第三次测量，对符合要求的两个数据可任取其一或取二者的平均值。 图3