（材料加工工程专业论文）回火工艺对w6mo5cr4v2高速钢扭转性能影响研究.pdf

摘要 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 高速钢因其优异的性能，主要作为工模具用钢和特殊结构件 材料。该材料碳含量及合金元素含量较高，组织中碳化物和合金碳化物含量高， 因此高速钢的使用性能都是根据零件使用条件，经过j 下确热处理，获得适当的 机械性能。 与合金结构钢( 如4 2 c r m o ) 相比，高速钢用作传动轴能够提高传递扭矩， 减小传动轴尺寸，提高刚度和使用寿命。本文重点研究了扭转性能的微观影响 机理，根据位错强化理论和碳化物夹杂，提出以金属碳化物为第二相粒子的强 化机理，以高弹性模量的第二相粒子的均匀分布来提高材料的整体弹性模量， 从而使材料的剪切模量较高。根据剪切应力的作用情况，缺陷的均匀分布能有 效提高材料的剪切强度，因此碳化物的分布情况能有效提高材料的抗剪强度， 同时细小而弥散的合金碳化物颗粒能使材料微观缺陷尺寸减小，从而提高材料 的疲劳性能。这样从抗剪模量、抗剪强度、扭转疲劳性能三个方面进行研究， 提出合理的热处理工艺来改善材料的扭转性能。 根据微观机理的研究，并结合生产的实际情况，本文提出了三次回火工艺 对材料进行热处理，将试样分别在5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 c 进行三次回火处理，在 r n j 5 0 0 试验机进行扭转性能测试，h r 1 5 0 a 进行硬度检测和金相组织分析。 根据测试结果进行分析，发现5 0 0 三次回火，材料能获得较好的扭转性能， 剪切模量、强度都有较大值；5 5 0 三次回火材料能获得较大的表面硬度，材料 强度较高，并且抗拉压性能较好；6 0 0 三次回火材料的抗剪模量较大，但硬度 不足，只适合纯扭转受力情况。将测试结果和金相组织结合起来，发现金属碳 化物的组成、含量、分布等因素有效地影响着材料的扭转性能，并验证了最初 微观假设的可行性。 金相组织观察发现，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢中的碳化物为第二相粒子、有细小弥 散、微观缺陷尺寸小的特点，能够提高材料剪切模量，提高抗剪强度和疲劳性 能，综合力学性能优良。 关键词：w 6 m 0 5 c r 4 v 2 位错扭转性能金属碳化物三次回火 a b s t r a c t a si t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，w 6 m 0 5 c r 4 v 2h i 曲s p e e ds t e e lh a sb e e nw i d e l y u s e da sm o l ds t e e la n dc o m p o n e n tm a t e r i a l b e c a u s eo ft h eh i 曲c o n t e n to fc a r b o n e l e m e n ta n da l l o y i n ge l e m e n t s ，i tf o r m e dv a r i o u sk i n d so fc a r b i d es p e c i e s ，t h e r e f o r e ， a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so fu s ee s t a b l i s h e dal a r g en u m b e ro fh e a t t r e a t m e n tp r o c e s s c o m p a r aw i t ha l l o ys t r u c t u r es t e e l , h i g hs p e e ds t e e lw h i c hi su s e da sd r i v es h a f t c 锄i n c r e a s ed r i v et o r q u e ，d e c r e a s et h es h a f t ss i z e , r a i s es t r u c t u r e ss t i f f n e s sa n d e x t a n ds e r v i c el i f e f o c u so ns t u d y i n gt h ei m p a c to ft h em i c r o m e c h a n i s mo ft h e t o r s i o n a lp r o p e r t y , a c c o r d i n gt ot h ed i s l o c a t i o nt h e o r ya n dc a r b i d ei n c l u s i o n s s t r e n g t h e n i n gt h e o r y , p r o p o s e d t om e t a lc a r b i d e 弱as e c o n d p h a s ep a r t i c l e s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m ，t h eh i g he l a s t i c i t ym o d u l u so f t h es e c o n d - p h a s ep a r t i c l e so f u n i f o r md i s t r i b u t i o nt oi m p r o v et h em a t e r i a l so v e r a l le l a s t i c i t ym o d u l u s ，s ot h a ta h i g h e rs h e a rm o d u l u so fm a t e r i a l s a c c o r d i n gt ot h er o l eo fs h e a rs t r e s sc o n d i t i o n s ， u n i f o r m i t yo ft h ed e f e c t sd i s t r i b u t i o nc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h em a t e r i a l s h e a r s t r e n g t h , s ot h ed i s t r i b u t i o no fm e t a lc a r b i d ec a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h es h e a r s t r e n g t ho ft h em a t e r i a l ，w h i l ef i n ea n dd i s p e r s e dm a t e lc a r b i d ep a r t i c l e sa l l o w m a t e r i a lm i c r o d e f e c t ss i z ed e c r e a s e s ，t h e r e b ye n h a n c i n gt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so f m a t e r i a l s t h er e s e a r c hs t u d y e df r o mt h et h r e ea s p e c t so fs h e a rm o d u l u s ，s h e a r s t r e n g t h ，t o r s i o n a lf a t i g u ep r o p e r t i e s ，a n dar e a s o n a b l eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sh a s b e e np r o p o s e d ，i no r d e rt oi m p r o v et h et o r s i o np e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a l a c c o r d i n gt ot h es t u d yt h em i c r o m e c h a n i s mo fh i g hs p e e ds t e e l ，c o m b i n e dw i t h t h ea c t u a ls i t u a t i o no fp r o d u c t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h r e et e m p e r i n gh e a tt r e a t m e n t p r o c e s so nt h em a t e r i a l ，t h es a m p l ea t5 0 0 ，5 5 0 ，6 0 0 t e m p e r e dt h r e et i m e s ， a n dt h ee a c hp r o c e s s e dg r o u po fs p e c i m e n sw i l lt e s tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n r n j 一5 0 0t e s tm a c h i n e s ，h a r d n e s si nh r - 15 0 ah a r d n e s st e s ta n d a n a l y s i s m i c r o s t r u c t u r e a n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t s ，w ef i n dt h a tt h et o r s i o np r o p e r t yb a c a m em u c hb e t t e r u a n db o ms h e a rm o d u l u sa n ds t r e n g t hg o tal a r g e rv a l u ea f t e rt e m p e r i n gt h r e et i m e sa t 5 0 0 c ；t h em a t e r i a lc a no b t a i ng r e a t e rs u r f a c eh a r d n e s s ，h i g h e rs t r e n g t h ，a n db e t t e r t e n s i l ea n dp r e s s u r ep e r f o r m a n c ea f t e rt e m p e r i n gt h r e et i m e sa t5 5 0 ；t h em a t e r i a l c a no b t a i nl a r g e rs h e a rm o d u l u s ，b u tl e s st h a nt h eh a r d n e s s ，i ti so n l ys u i t a b l ef o rt h e p u r et o r s i o nf o r c es i t u a t i o na f t e rt e m p e r i n gt h r e et i m e sa t6 0 0 t o g e t h e rt h et e s t r e s u l t sw i t ht h em i c r o s t r u c t u r e , w ef o u n dt h a tt h ec o m p o s i t i o no fm e t a lc a r b i d e s ，t h e c o n t e n t , d i s t r i b u t i o na n do t h e rf a c t o r se f f e c t i n ge f f e c t i v e l yt h et o r s i o np r o p e r t yo ft h e m a t e r i a la n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ei n i t i a lm i c r o a s s u m p t i o n s a n a l y z i n gt h em i c r o s t r u c t u r e ，w ef i n dt h a tt h ea l l o y - c a r b o na st h es e c o n dp h a s e p a r t i c l e si nw 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，w i t hs m a l ld i f f u s i o n ，d e f e c t sa n ds m a l ls i z e ，a n dc a n i m p r o v et h em a t e r i a ls h e a rm o d u l u s ，s h e a rs t r e n g t ha n df a t i g u ep e r f o r m a n c e , g o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，d i s l o c a t i o n ，t o r s i o np r o p e r t y ，m e t a lc a r b i d e ，t e m p e r e d t h r e et i m e s 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中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 武汉理工大学或其他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 明并表示了谢意。 签名：当幺a 兰垄日期：塑巨：笠：匹 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：f 绷笺台 导师( 签名) ： 日期一秒d ，厶石， 武汉理j 入学硕十学位论文 1 。1 引言 第1 章绪论 随着经济的快速发展，高速钢因其优异性能在经济建设中发挥着越来越重 要的作用。1 9 9 9 年世界高速钢产量每年约2 0 - - 3 0 万吨，其中绝大部分用于机床 切削刀具。2 0 0 3 年统计，全球切削刀具消耗价值高达1 1 0 亿美元，占机械制造 产业值的1 0 【l j ，高速钢刀具占总销售值的7 1 。高速钢刀具材料的研发又带动 了对高速钢应用范围扩展的研究。近十年来，在机械结构，特别是传动轴、齿 轮轴等主要零件的应用上取得突破。高速钢的高硬度，高耐磨性，使得一些精 度要求较高的承力传动件也大量的采用高速钢【2 】。高速钢轧辊就是典型的例子。 高速钢的红硬性以及耐磨性，使得高速钢在热加工中也有大量的应用。如轧钢， 碾环中的应用。高速钢模具，作为冷作模具材料，高速钢有着大量的应用，现 生产的高速钢中约有1 5 作为冷冲模具或冷镦模具。高速钢用作结构件，如齿 轮轴、传动轴等，可以有效地解决传统合金结构钢材料扭转刚度低，挠度大而 使零件过早失效的问题。结构零件所需的韧性要求是高速钢应用的瓶颈，因此， 加强对高速钢热处理工艺的研究，通过适当地热处理来保持高强度，提高韧性 是一个重要的课题。本文结合重型汽车传动轴刚度不足，传动不精确等实际情 况，拟采取热处理的方法来改善材料的扭转性能。 1 2 高速钢的发展状况 1 2 1 高速钢的发展过程 了解高速钢的发展过程，对正确应用和改进热处理工艺，是大有稗益的。 1 8 6 1 年，m u s h e t 冶炼出空冷即能淬火的钢，并将此钢称之为“自硬钢”，这 种钢被称为r m u s h e t 特殊钢，这就是高速钢的前身f 粥。1 8 9 8 年，t a y l o r 对自硬 钢进行了提高淬火温度的实验，发现在接近熔点处淬火，自硬钢刀具具有最佳 切削性能和红硬性。在1 9 0 0 年巴黎博览会上美国的t a y l o r 和w h i t e 展出了他们 武汉理t 大学硕士学位论文 经过改进m u s h e t 特殊钢而制造的刀具，其切削速度比碳素钢刀具高出十几倍。 由于刀具与工件摩擦产生的热量，使刀具呈现暗红色，但刀具依然锋利如初， 表现出非常好的红硬性，从此“高速钢的称呼便应运而生。 早期高速钢的成分，见表1 - 1 。从表1 - 1 可以看出，这是一种以w 为主要 强化元素的钨铬系高速钢。 表卜1 从m u s h c t 特殊钢到高速钢 1 9 1 0 年出现了与w 1 8 c r 4 v 钢成份相近的高速钢。1 9 1 2 年开始了高速钢加 钴的研究工作，发现钴能够增加高速钢的红硬性。在第一次世界大战期间，德 国由于钨资源缺乏，用钼代替高速钢中的钨，于1 9 1 6 年公布了这一研究成果。 同时，美国也因钨资源不足，研究用钼代替钨。由于这种钢容易脱碳，故在第 一次世界大战后，停止生产。1 9 3 0 年左右开始应用高碳高钒高速钢切削难加工 材料。1 9 3 0 以前，国际市场上铝价格较高，1 9 3 0 以后，钼矿开采量增加，价格 下降，钨钼系高速钢和钼系高速钢得到了快速发展。目前国外这类高速钢已逐 渐取代钨系高速钢，其中最具代表性的就是w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ( 简称6 5 4 2 钢，下同) 型高速钢。该钢种因为性能优异，一直沿用至今，同时也有大量的学者进行性 能研究改进。其中w 6 m 0 5 c r 4 v 2 a l 就是改性中的优良产品。 1 2 2 国内外开发现状 最早的高速钢是钨系，而且相当长的时间内占统治地位，我国使用最广泛 的高速钢是钨系的w 1 8 c r 4 v 钢。含钼高速钢的出现，不仅是单纯解决许多国家 的缺钨问题，同时也弥补了钨系高速钢的一些缺陷。而且随着热处理设备和热 处理技术的发展，含钼高速钢脱碳敏感性大、淬火温度范围窄等问题，也逐步 得到了解决，所以近年来发展很快。钨钼系高速钢w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢和 2 武汉理j l 人学硕士学位论文 w 9 m 0 3 c r 4 v 钢的使用同益增多。 我国钼资源7 0 左右用于钢铁材料，难熔合金和特种合金也要用钼，导致 钼价格比钨高4 5 倍。为节约钼，钢铁研究总院王世章教授研制成w 9 m 0 3 c r 4 v 。 2 0 0 3 年占总产量2 7 1 6 ，它改善了w 6 m 0 5 c r 4 v 2 高速钢易脱碳、淬火过热敏 感与磨削性较差的缺点。与w 1 8 c r 4 v 比较不仅节约w ，而且碳化物不均度得到 改善，热塑性较好，能满足四辊扭钻头加工要求【钠。 含钴高速钢是加工难切削材料、高精度工件以及高速机床和现代数控机床 所必不可少的刀具材料。国外m 4 2 钴的质量分数为8 ，我国c o 稀缺。我国自 行研究的w 8 m 0 5 c r 4 v c 0 3 n 、w 12 m 0 3 c r 4 v c 0 3 n 及w l2 m 0 3 c r 4 v 3 n 、 w 9 m 0 3 c r 4 v 3 ，可部分代替高c o 钢m 4 2 。近来乌克兰与保加利亚学者研究发现， 氮的质量分数为o 1 的高速钢可使二次硬度提高，红硬性提高，消除粗棒状 m 2 c ，提高钢的韧性例。 巴西v i l l a r e s 集团开发含n b 高速钢( n b l 2 ) ，相应提高c ，减少m o ， 不用w ，开发高速钢( 成分：1 1 c 4 c r - 3 m o 2 v - 2 n b 0 1 t i ) ，制成直径9 m m 钻 头，切削寿命与m 2 相当。美国t e l e d y n e v a s c o 公司研究成功在高速钢中加入廉 价合金元素a l 和s i ，以节约昂贵稀缺元素钨、钼、钻。研究表明，在高速钢中 同时加入适量的a l 和s i ，可提高回火温度，避免单独加硅时所引起的回火脆性， 从而提高使用性能，并提出a l 和s i 相互作用提高刀具寿命的机理。 粉末冶金高速钢( p mh s s ) 是高速钢中的上品，是一种性能优良的高级高 速钢，发展共经历了三个阶段。上世纪7 0 年代初，p mh s s 由瑞典s t o r a 厂( 现 属法国e r a s t e e l 公司) 首先投入工业化生产，此为第一代p mh s s 。1 9 9 1 年瑞典 s o e d e r f o r s 厂采用了e s h 技术( 电渣加热法) ，使钢更为纯净，与第一代p mh s s 相比，非金属夹杂物含量可减少9 0 ，抗弯强度可提高2 0 ，采用e s h 技术生 产的p mh s s 称为第二代。法国e r a s t e e l 公司从2 0 0 2 年起对其第二代e s hp m h s s 进行了研究，并作了数项改进后，自2 0 0 4 年起其产品商标称d v a l i n t m ，是 该公司的第三代p mh s s 。该公司第二代p mh s s 采用e s h 技术后，比第一代 减少了9 0 的非金属夹杂物，而第三代d v a l i n t mp mh s s 比第二代又减少了另 一个9 0 的非金属夹杂物。非金属夹杂物的大量减少，使p mh s s 的抗弯强度 逐代增加，这使制成的刀具能承受更大的切削应力和更耐冲击负荷。 我国是高速钢使用大国，2 0 0 5 年高速钢材产量约3 7 万吨，按国际高速钢 使用分布情况，我国应使用4 5 0 0 吨p mh s s ，但实际上连4 0 吨都不到。可见我 国p mh s s 用材尚处启蒙阶段。 3 武汉理。i ：人学硕十学位论文 1 3 高速钢的成分、组织和性能 1 3 1 高速钢的化学成份 由于各国资源不同，以及国际市场上合金价格的波动，又因高速钢的应用 范围越来越广泛，所以各国发展了各种牌号的高速钢。目前国内外高速钢的种 类约有数十种，其化学成分，一般是在下述的范围：含碳量为0 7 - - 1 6 ；含钨 量为0 - - 2 0 0 ；含钼量为0 - - 9 ；含钒量为l 5 ；含钴量为o 1 2 。根据 特殊使用要求，还含有锰、镍、铬、铝、氮，硅、硫、磷、硼、钛、铌、钽、 稀土等。典型钢号有w 6 m 0 5 c r 4 v 2 、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 a l 、我国目前常使用的高速 钢钢号【6 j 有w 1 8 c r 4 v 、w 9 m 0 3 c r 4 v 、w 2 m 0 9 c r 4 v 2 、w 1 4 c r 4 v m n r e 、 w 7 m 0 4 c r 4 v 、引进国外优良钢种，进行国产化研制的钢种有p 2 0 b s c a 、 1 0 n i 3 m n c u a l m 0 、0 c r l 6 n i 4 c u 3 n b 、0 6 n i 6 c r m o v t i a i 、y 5 5 c r n i m n m o v 。 1 3 2 化学成分对组织性能的影响 高速钢是含有多种合金元素的钢种，j 下因为多种合金元素的适当配合，才 使其具备各种独特的性能，现将各元素作用综述如下 3 , 7 - 1 1 】。 1 碳元素的作用 碳是钢中的主要成分之一，它是强的奥氏体形成元素。具有强化固溶体的 作用，也能提高淬透性从而促使获得马氏体。随着含碳量的增加，钢的硬度和 强度逐渐增高，而韧性和塑性逐渐降低。当含碳量为0 8 的共析钢，其抗拉强 度为最高。不过随着含碳量的继续增加，则抗拉强度反而降低，这主要是由于 出现了过剩相渗碳体，削弱了晶粒之问的结合力所致。 碳对高速钢各种性能的影响，极为显著，所以它成为高速钢中的基本元素。 它和高速钢中的碳化物形成元素结合起来，形成各种合金碳化物，通过适当热 加工和热处理使其合理地分布，而赋予高速钢各项性能最基本的影响。含碳量 应当与碳化物形成元素的含量之问保持一定的比例【l 引。只有这样才能和合金元 素形成一定类型的和足够数量的碳化物。 高速钢中的含碳量，不仅影响淬火硬度，而且也影响回火硬度。5 4 0 以上 回火后，含碳量高的钢，硬度峰值比其他钢高。其原因是：一方面，由于残余 4 武汉理j r = 入学硕士学位论文 奥氏体转变为马氏体，而另一方面，则是由于马氏体二次硬化能力增强了。 2 钨元素的作用 钨属于稀有金属类。其熔点为3 4 0 0 ，比重为1 9 2 ，在常用合金元素中属 于较重的一种，属体心立方晶格，晶格常数为3 1 5a 。 在退火状态下形成m 6 c 型金属碳化物，淬火加热时只能部分溶解。溶解的 钨在回火时以w 2 c 型析出，产生弥散硬化，部分留在回火后的口一相中，从而 提高其高温硬度和抗回火性。而淬火时剩余相m 6 c ，又可起细化晶粒作用。所 以钨的作用，首先是强化高速钢的回火马氏体基体。因钨原子和碳原子结合强， 马氏体的高温稳定性得到提高。钨高速钢在4 5 0 c 以上，马氏体才开始分解， 5 5 0 , - - , 6 0 0 ( 2 时，还能保持马氏体晶格特性，以维持高的硬度。同时也使钨的碳 化物在5 6 0 保持极为细小的尺寸，于是提高了钢的二次硬化能力。钨能降低高 速钢的导热系数，所以高速钢在加热时，必须缓慢加热，在使用高温盐浴时， 必须预热。 含钨量过低的钢，在加热到高温时，出现粗大晶粒，脆性很大。而且低钨 高速钢熔点低，淬火时又要保证溶入足够的钨，所以淬火温度很窄。热处理时 必须严格控制温度，否则易于发生因过热而报废的事故。 3 钼元素的作用 铝的性能与钨相近。熔点为2 6 3 0 ，也是难熔金属之一，比重为l o 2 ，晶 格为体心立方晶格。钼和钨一样，可以和碳形成同样类型的m 6 c 、m e 3 c 6 碳化物 及六方晶格间隙相。钼是铁素体形成元素，能提高钢的a c 3 点，并能降低m s 点，能强化基体，提高再结晶温度，钼又是常用合金元素中减轻回火脆性最有 效的元素；钼在高速钢中除与碳形成碳化物外，一部分还能溶于铁中，钼能降 低高速钢结晶时的包晶及共晶反应温度，使莱氏体组织细化，铝和钨同样能提 高高速钢淬火后回火时，马氏体的分解温度和延缓碳化物的聚集，从而增加抗 回火稳定性。 4 钒元素的作用 钒比重为5 6 8 ，熔点为1 7 2 0 ，为体心立方晶格，品格常数为3 0 4a 。 钒在通用高速钢中，一部分溶解于基体中，部分形成碳化物，是最稳定 的碳化物形成元素。形成面心立方间隙相v c ，v c 的熔点和溶解度都很高，在 奥氏体化时，v c 在1 1 0 0 以上才开始溶解，溶解量也不多，大部分的钒仍保留 在碳化物中。溶解的钒能大大加强钢的二次硬化，而保留的v c ，则可大大增加 钢的耐磨性。故高速钢中加入钒，对其切削性能有极大的好处。 5 武汉理：l 人学硕+ 学位论文 钒是强的铁素体形成元素，它和碳、氮、氧都有极强的亲和力。钒能细化 钢的组织，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性；能增加高速钢淬火 后的回火稳定性，并且淬火剩余碳化物，随钒和碳量的增加而增加，因此耐磨 性能随之增加。 5 铬元素的作用 铬的熔点为1 8 2 5 c ，比重为7 1 ，系体心立方晶格，品格常数为2 8 9 a 。 铬在高速钢中，主要是提高淬透性和回火硬度，以及增加抗氧化及抗腐蚀 能力。缺点是增加高速钢碳化物不均匀度，降低热塑性、冷塑性和热处理后的 抗弯强度。实验证明，降低含铬量，仅降1 ，都将对高速钢的可锻性和热成型 性产生良好的作用。 对高速钢的二次硬化影响，是其作用的一个重要方面。随着含铬量的增加， 残余奥氏体增多，所以淬火硬度下降，但回火硬度却随含铬量的升高而增加。 铬还能增加残余奥氏体的回火稳定性，为了促使其转化，要进行多次回火，甚 至有时要进行冷处理。铬可使高速钢在加热过程中，减少氧化和起皮，也减少 在空气中锈蚀。 6 钴元素的作用 钴是钢中最贵重的合金元素之一，钴的熔点为1 4 9 0 ( 2 ，比重为8 7 l 。有两 种晶格类型：4 5 0 以下时为六方晶格，4 5 0 以上时为面心立方品格。 钴是非碳化物形成元素。作为一种过渡金属，又与硅、铝等非碳化物形成 元素不同，钻与碳仍有一定亲和力，但比铁与碳的结合力弱。主要作用是增加 二次硬化能力、红硬性和热硬性。在回火过程中，钴使马氏体基体中保持较高 的位错密度，增加可作为碳化物析出时形核的高能量地区，增加形核率，从而 细化碳化物。在加热时，钴大部分溶入奥氏体，提高钢的熔点，提高淬火温度， 使钨、钼、钒等元素更多地溶入奥氏体，以充分发挥它们的硬化作用，而在回 火时则析出金属问化合物c o w 等，从而抑制及延缓碳化物的析出及聚集。 7 铝元素的作用 铝是一种轻金属，熔点为6 5 8 ，比重为2 7 ，为面心立方晶格，品格常数 为4 0 5 a 。铝能提高低合金高速钢的红硬性和切削性能。含铝高速钢易腐蚀产 生锈点，高温下易氧化，淬火晶粒度不均匀，不良钢锭易引起锻造开裂。铝能 提高钨、钼在钢中的溶解度，从而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起“扎 钉作用，故钢的常温，高温硬度和耐磨性均得以提高，强度和韧性也都比较 高，切削性能与m 4 2 相当。 6 武汉理i ：人学硕j t ：学位论文 8 铌元素的作用 铌是较强的碳化物形成元素，又是铁素体形成元素。它能略微降低a c l 点， 而提高a c 3 点，降低m s 点。铌在高速钢中，可形成间隙相n b c ，此种碳化物 正如钒钛碳化物一样，很难溶入奥氏体中，可能n b c 比v c 更难溶解。所以含 铌的高速钢应提高加热温度和延长保温时间。在低碳、低合金钢中，加入铌能 细化晶粒、改善强韧性、延展性，增加常温和高温硬度、屈服点，并能阻止回 火软化。n b 可以细化初生晶粒，从而细化莱氏体，改善一次碳化物的分布。但 是n b 不具备回火二次硬化的能力，当钢中n b 和v 共存时，n b 可以使v 更多 地溶入基体中，从而提高了二次硬化效果，同时提高了材料的抗热裂性能。 1 4 本课题的研究内容和研究意义 1 4 1 研究内容 圆轴在扭转条件下，其扭转刚度和扭转强度与材料性能密切相关，一般传 动轴多采用中高碳低合金结构钢制造，如4 0 c r m o 、4 2 c r m o 。但在传递大扭矩 时，优质结构钢的扭转刚度常常不能满足要求。经常出现较大的弹塑性变形。 为提高大扭矩作用下轴的扭转刚度，许多传动轴零部件采用高速钢替代结构钢 制造，取得明显效果。其中，w 6 m 0 5 c r 4 v 2 高速钢是众多替代材料之一。 本课题的研究内容探讨w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢热处理工艺对材料扭转性能的影 响。研究w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢的热处理规范和热处理强化机理，从微观机理入手， 提出一种使高速钢表现出良好扭转性能的微观强化理论；根据微观强化机理和 宏观使用条件制定合理的热处理工艺；研究回火工艺对w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢扭转性 能的影响，探讨回火工艺对高速钢扭转性能影响的规律；分析热处理后金相组 织，总结回火工艺与金相组织的关系。 1 4 2 研究意义 采用高速钢替代结构钢，提高扭转刚度和扭矩传递能力，或减小传动轴尺 寸及传动系统体积，在精密机械、汽车及航空工业中有着明显的应用前景。 从1 8 9 8 年，高速钢发明以来，高速钢被广泛地应用于各个领域。因高速钢 7 武汉理= 人学硕十学位论文 的广泛应用，从而要求其合金化与制造工艺不断发展，在合金化方面根据各国 资源条件，先后出现了高碳高速钢，高钒高速钢，高钴高速钢，含铝高速钢。 虽然高速钢有着广泛的应用与研究，但国外热处理相关方面报道较少，其主要 原因是西方国家对我国实行技术封锁，到达技术垄断的目的，阻碍我国工业的 发展。我国是一个机床大国，但机床质量差，性能落后；我国也是一个汽车大 国，0 9 年汽车产量突破1 0 0 0 万辆。高速钢作为结构件常做重要的齿轮轴，传动 轴等。但其刚度不够，挠度过大将导致机器传动不精确，定位不准确，引起巨 大冲击，振动和噪声，恶化工作环境，同时使零件过早失效。受我国国情和资 源分布限制，替用高硬度，高刚度的高合金钢不太可行，也由于高速钢的广泛 应用，且已有相关理论证明可以通过热处理的手段来改善材料的扭转刚度，因 此，研究高速钢扭转性能的影响因素具有重要意义，可以通过热处理改善高速 钢的扭转性能，整体上提高机床等的精度和速度，为生产高精度、高速度机械 作材料基础准备。 8 武汉理l ：人学硕士学位论文 第2 章轴的扭转 轴的丰h 转及 【矩的传递是机械设计和结构设计的重要部分。在会属构件中 扭转也是主要问题之一，尤其在考虑动力设计和结构的稳定性设计时，常把扭 转的因素看作首要的问题，同时扭转产生的应力也是构件破坏的诱囡之一。 2 1 扭转性能的表征 机械和工程结构的很多零件是在扭矩、弯矩或轴向应力作用下服役豹，因 此，需要测定材料在扭转、弯曲和轴向压缩加载下的力学性能，作为零件设计、 材料选用和制订热处理工艺的依据。若不考虑零件服役时的力学状奋，采用不 恰当的力学性能指标来评价材料，很有可能造成材料选用不合理热处理工艺 不当，以致零件的早期失效。 扭转试验采用圆柱形( 实心或空心) 试件，在扭转试验机卜进行。 图2 - i 扭转应力应变示意图 在试验过程中随着扭矩的增大，试件标距两端截面不断产坐相对转动， 使扭转角妒增大。利用扭转试验可以测定切变模量g 扭转比例极限f 。，扭转 屈服强度，和抗扭强度0 等性能指标a 根据扭转吲和公式，可确定材料的切变模量g 、扭转比例极限r 。、扭转屈 服强度3 和抗扭强度吒关系如公式( 2 1 ) ： 武汉理i ：人学硕十学位论文 g 。) t mpt p 一 ，w ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式中m ，为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。确定膨，时，如果曲线上某点 切线与纵坐标轴夹角的正切值比直线与纵坐标夹角的正切值大5 0 ，则该点对应 的扭矩即为膨，：这与拉伸试验时确定比例极限的方法相似。 r m o 3 0 3 一 ，w ( 2 - 3 ) 式中m o 3 为残余扭转切应变为0 3 时的扭矩。确定扭转屈服强度时的残余 切应变取0 3 ，是为了和确定拉伸屈服强度时取残余正应变为0 2 相当 r m 、， b 一 7 w ( 2 - 4 ) 式中觚为试件断裂前的最大扭矩。应当指出，仍然是按弹性变形状态下 的公式计算的；它比真实的抗扭强度大，故称为条件抗扭强度。 材料的扭转变形有纯扭转和复合扭转两种形式，扭转特性主要反应在材料 的抗扭刚度和扭转疲劳上。 2 1 1 扭转刚度 若将圆轴看成由无数薄壁圆筒组成，且作刚性扭转，则在此微段中，组成 圆轴的所有圆筒的扭转角d 妙均相同，设其中任意圆筒的半径为p ，且应变为以， 则： y ：p 塑：矽 y p 2 p 意2 l o ( 2 - 5 ) 武汉理工人学硕十学位论文 又 ，= l p t p d x 即t = g o 彳p 2 d a - - - g o i _ 口 式中分一横截面对点0 的极惯性矩。 于是可得单位长度扭转角为： 9 = 瓦t ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 9 ) 扭转轴的许用单位长度扭转角【臼】应大于其最大单位长度扭转角才能满足 其刚度条件，即2 瓦t 【8 】，其中g 成为圆轴的抗扭刚度【1 4 1 。易与轴的形 状有很大关系。材料的剪切模量能有效地表征材料的扭转性能。 2 1 2 扭转疲劳 当轴承受交变循环的扭转应力时，其应力分布状念如下图2 2 所示，弹性 应力分布是表面最大、中心为零。 弋 图2 - 2 扭力轴的应力状念和弹性应力分布图 仃i 一正应力，仃2 一压应力，r 切应力 金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂， 武汉理。i = 大学硕士学位论文 这种现象称之为疲劳。 扭转疲劳寿命的估算是以材料相应的应力循环次数曲线( 即s n 曲线) 为依据的，并按相关工况加以修正【1 6 1 。 采用n e u b e r 法则对轴上最危险的部位进行应力计算，式为： f 厂= 七；f o 厂。 局部应力与局部应变的关系为： 厂= + 卢 又r o = g y o ，因而n e u b e r 法则又可以表示为： 叫：七； 由式 7 = 彳( 2 以户+ 曰( 2 户 可求出相应的扭转疲劳寿命： 1 9 2 ，= 南g 去 疲劳寿命经验公式，即b a s q u i n g 公式【1 3 】： n f = c “o ：= c a t r 。 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 近年来，钢的复相组织研究较多，发现复相组织的综合力学性能比单一组 织好，研究铁素体量对合金钢接触疲劳寿命的影响时发现【1 7 】，复相组织中含有 大约1 0 铁素体时，其接触疲劳寿命最好。 接触疲劳破坏直接取决于接触应力场中的剪切应力，与静载下的力学性能 和动载下的力学性能均有一定的对应关系【1 引。 1 2 武汉理l ：人学硕七学位论文 强度和塑性对疲劳寿命都有影响，在低应力下，强度起主要作用，而在高 应力低周次下，塑性起主要作用。材料在循环塑性应变的作用下，会很快的发 生破坏，所以塑性疲劳是造成疲劳损伤的根本原因【1 9 1 ，同时当循环载荷能够引 起材料的反向塑性变形越大时，材料的破坏损伤也越严重。 2 2 影响扭转性能的因素 根据弹性模量与剪切模量的关系：g 2 ( 1 + 。) ( 2 一1 6 ) 或修正后的新关系式： g 。+ 。) 口q ( 2 - 1 7 ) 可知，剪切模量g 与弹性模量e 之间呈线性关系。弹性模量的变化趋势能 较好地反映剪切模量的变化趋势，从而反应出材料的扭转性能。弹性模量的影 响因素同样能影响剪切模量。 弹性是固体材料的基本性能特征之一。金属的弹性行为源于其晶体点阵内 原子间抵抗分离、压缩或剪切移动的本能，是其晶格中原子自平衡位置产生可 逆位移的反映。这种反映弹性变形本质的作用力可以分为两种，即引力和斥力。 当金属中任何一个原子和其近邻的原子交互作用力达到平衡时，金属才能处于 能量最低状态。当施加外力时，这种平衡被破坏，在外力和吸引力、排斥力之 间建立起新的平衡，使原子的平衡位置发生变化，出现变形现象。如果此时这 个外力还不足以在晶体内部产生不可逆的运动，如位错，或裂纹形成和扩展等 变化时，则此外力一旦去除后，由于这种新的平衡又被破坏，为了恢复平衡， 原子将重新回复到原来所在的能量最低的平衡位置于是，宏观上物体又恢复 了原状，这就是弹性变形的物理过程【z 。 弹性变形的实质是原子问相互作用的结果，影响原子紧密程度的因素很多。 这些不仅影响材料的弹性模量，也直接导致材料的剪切模量呈相同趋势变化。 2 。2 。l 温度对扭转性能的影响 温度升高时，原子的热振动加剧，因此将引起晶格势能和势能曲线曲率变 化，模量将随之降低。温度升高使金属的体积膨胀。这样，模量和温度就不是 1 3 武汉理：r 入学硕十学位论文 简单的比例关系。实际情况表明，金属材料的模量总是随温度升高而减小的。 这可作如下解释。 按定义，剪切模量g 是外加切应力t 随切应变y 的变化率，它和反映点阵 原子间作用力尸的导数成正比，即 g ：一c 3 z - 芘一a p a y a x 在小弹性变形范围内服从h o o k c 定律，因此 g 筐! 工 当温度变化时，尸和x 都同时受到它的影响 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 篓芘! 篓一三娄 ( 2 2 0 ) a txa rx 2a t 现在( 等) 项上；另一是温度变化影响物体的体积，表现在( 嘉) 项上。当温度 上升时，金属内部原子热振动能量加大，原子间结合力受到削弱，故磊u r - 项总是 刍n f 小于零的，同时，在一般情况下物体的线膨胀系数( 嘉 。) 为正a 这样一来， 上式右端为负值，故金属材料的弹性模量随温度升高而减小的。 在一般情况下，温度升高时金属的弹性模量减小。瞬时弹性模量温度系数a 与比容温度系数间有下述关系： 口。：d i n e ：一d i n v ( 2 2 1 ) 2 厂一i 厂 屺一 由于比容温度系数( d l n t d t ) 等于体胀系数唧，而唧3 a t ，故弹性模量 1 4 武汉理j t ：人学硕士学位论文 温度系数近似地与线膨胀系数a t 成正比。 上述情况只简单地表述材料的弹性模量随问题升高时，线膨胀系数变化而 导致的弹性模量变化，但是当金属发生相变时，弹性模量与温度的关系要发生 异常的变化。例如随着温度的升高，铁在7 6 8 c 时由铁磁性变为顺磁性，昱值减 小，在9 1 0 。c 时由体心口相变为面心7 相，点阵常数减小，e 值升高。 2 2 2 组织缺陷对扭转性能的影响 2 2 2 1 位错的影响 为了解释滑移现象，人们根据刚性滑动假设，可以计算出要产生滑移的临 门 界切应力r = 兰，g 为晶体的剪切模量。 3 u 一般工程用金属的剪切模量g 在1 0 4 与1 0 噙m m 2 之间，然而这个理论计算 值比试验测定值大近1 0 0 0 倍。这种差异促使人们发现了位错的存在、运动，以 及各种缺陷的相互作用。 在研究金属性能的过程中，人们为了提高金属的强度采用了很多种强化手 段，位错强化也是其一。 位错强化强度的增量计算式【2 2 l ： a r u 错= a g b 0 - p ( 2 - 2 2 ) g 为剪切模量 b 为布氏矢量 口为强化系数( 约为0 5 ) p 为位错密度，