集装箱角件热处理工艺改进.doc

编号 南京航空航天大学毕业论文题 目集装箱角件简化热处理工艺研究学生姓名秦振兴学 号060310226学 院材料科学与技术学院专 业材料科学与工程班 级0603102指导教师陈建康 高工二七年六月南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：集装箱角件简化热处理工艺研究）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名：秦振兴 2007年 6月 10日 （学号）：060310226 毕业设计（论文）报告纸集装箱角件简化热处理工艺研究摘 要集装箱角件是集装箱上的重要受力部件，经常经受堆码、搭扣和起吊，形状复杂，一般铸造成形；为保证性能要求，必须经热处理。传统的热处理是采用(9303h,水淬+680,回火)这种工艺。从理论上讲，对于低碳、低淬透性的集装箱角铸件来说比较难形成均匀的组织，传统的热处理工艺，需要进行两次加热处理，耗电大，氧化皮厚，加工量大，生产成本高。将集装箱角铸件的传统工艺简化为一次正火处理如能满足力学性能要求，则将大大降低生产成本，创造极大的经济效益。本课题利用一次正火替代调质处理，对毛坯先进行热处理，再加工成标准试样。利用拉伸机进行强度、塑性测试，再用冲击机进行韧性测试；利用金相显微镜和扫描电镜分别观察两种工艺条件下的试样金相组织和断口形貌，并利用硬度计测试试样硬度。试验结果表明：一次正火（910）下的试样屈服强度s300 MPa、抗拉强度b500 MPa，断后伸长率30%，断后收缩率60%，-40低温冲击功Ak60J，完全能够满足各船级社对角件提出的力学性能要求。关键词：热处理，集装箱角件，ZG16Mn钢Angle simplify container Heat Treatment ProcessAbstractContainer pieces of the container corner of the important subject of parts, often withstand stacking, and the lifting , complex shape, General Casting forming; To ensure that performance requirements must be approved by the heat treatment. Traditional heat treatment is used (930C for 3 hours, +680 water quenching and tempering) this process. In theory, the low-carbon, low hardenability of the container corner castings, it is rather difficult to form uniform, Traditional treatment, the need for two heating, electricity consumption, oxidation rind, processing capacity, high production costs. Container corner of the traditional casting process is simplified as a normalizing such as mechanical properties to meet demand will greatly reduce the cost of production and create great economic benefits. The issue of alternative use of a normalizing conditioning, right rough first heat treatment, and then processed into standard samples. Using tensile strength machine, plastic test, and then the impact toughness testing machine; optical microscopy and scanning electron microscopy were observed under conditions of both the sample microstructure and fracture morphology, and the use of the sample was measured hardness. Test results show that : a normalizing (910C) under the specimen yield strength s300 MPa, b500 MPa tensile strength, Elongation 30%, have no progeny shrinkage 60% -40 Ak60J low temperature impact toughness and the ability to meet the classification societies diagonal pieces of the mechanical performance requirements. Key Words：Heat Treatment ;Container Angle ;ZG16Mn Steel- 31 -目 录摘 要iAbstractii目 录- 1 -第一章 引 言- 3 -1.1 集装箱角件力学性能要求- 3 -1.2 集装箱角件力学性能控制- 4 -1.2.1 化学成分的影响- 4 -1.2.2 熔炼工艺的影响- 5 -1.2.3 热处理工艺的影响- 5 -1.3 钢的热处理理论- 6 -1.3.1 钢在加热时的转变- 6 -1.3.2 钢在冷却时的转变- 7 -1.3.3 钢的淬透性- 9 -1.3.4 钢的正火与调质- 9 -1.4 本课题的研究意义及研究内容- 10 -1.4.1 研究意义- 10 -1.4.2 研究内容- 10 -第二章 实验材料、方法与设备- 11 -2.1 原材料的选择和处理- 11 -2.2 实验仪器与设备- 12 -2.2.1 中温箱式电阻炉- 12 -2.2.2 材料万能试验机- 13 -2.2.3 摆锤式冲击试验机- 14 -2.2.4 其它设备- 14 -2.3 实验方案的设计- 14 -2.3.1 拉伸试验- 15 -2.3.2 冲击试验- 16 -2.3.3 硬度试验- 17 -第三章 实验结果与分析- 18 -3.1 试样力学性能测试- 18 -3.1.1 试样强度测试- 18 -3.1.2 试样硬度测试- 20 -3.1.3 试样塑性测试- 21 -3.1.4 试样低温冲击功测试- 22 -3.2 断口形貌观察- 22 -3.3 金相组织观察- 26 -第四章 结论与展望- 28 -4.1 结论- 28 -4.2 展望- 28 -参 考 文 献- 29 -致 谢- 30 -第一章 引 言1.1 集装箱角件力学性能要求集装箱角铸钢件作为集装箱上最重要的受力部件(见图1.1),必须承受从赤道炎热到极地寒冷地带的变化,它不但要能够承受7层堆码的静压力,同时还要承受海上风暴颠簸与绑扎件产生的随机变动载荷及起吊时的冲击、拉伸载荷。其服役条件恶劣,性能要求较高,角铸件一旦在海上或起吊时发生断裂,后果不堪设想。因此,各船检机构对该产品均制定了严格的检验标准。根据法国BV、英国LR、美国ABS、德国GL、中国CCS等各国船级社的规定 1 ,其化学成分和力学性能要求见表1.1,1.2。从以上数据发现,集装箱角铸件不但需要有较高的强韧性和塑性,还必须具有一定的低温冲击韧性。图1.1 集装箱角铸钢件示意图表1.1 各船级社集装箱角铸钢化学成分对照表（质量分数，%）表1.2 各船级社集装箱角铸钢力学性能对照表1.2 集装箱角件力学性能控制化学成分对集装箱角铸钢件力学性能有决定性的影响 2 ,化学成分应该保证含碳量在0.12%0.14%之间,含硅量在0.15%0.40%之间,含磷量0.02%,含硫量0.02%,含锰量1.1%1.3%之间。使用碱性电弧炉氧化法熔炼,降低钢液的硫、磷含量,减少钢液中的夹杂物,保证铸件具有良好的力学性能,特别是具有良好的低温冲击韧性。此外采用合理的热处理工艺也是保证角件力学性能的关键。1.2.1 化学成分的影响含碳量集装箱角件材料类似于ZG16Mn 钢，是一种低碳低合金高强度结构钢。室温下正常的组织形态为先共析铁素体+珠光体组织,这两种组织在铸件中所占比例的不同决定了铸件的力学性能。珠光体含量的增加,有利于提高铸件的屈服强度和硬度,同时降低铸件的塑性和韧性。因此通过降低材料的含碳量从而降低组织中珠光体的含量对提高铸件的韧性和塑性有利。此外,铸钢的冲击韧性对组织非常敏感,当渗碳体的质量分数增加时,脆性的渗碳体增多,材料的冲击韧性下降,组织中少量的渗碳体增加会导致冲击韧性显著降低。因此对集装箱角件来说,在满足强度的情况下,降低材料的含碳量可以提高铸件的冲击韧性。由表1.1可知GL、LR标准中的含碳量比BV、CCS标准低,其铸件的-20“V”型缺口冲击功增加。因此集装箱角铸件的碳含量控制在0.12%0.14%比较好。含硅量硅对铁素体起到固溶强化的作用,它溶解在铁素体基体中,提高了铁素体的强度和硬度,但是降低了塑性和韧性,尤其是提高了铸钢的韧脆性转变温度,降低了铸钢的低温冲击韧性,因此必须控制铸钢中的含硅量,集装箱角铸件的硅含量控制在0.15%0.40%。含锰量锰可以稳定奥氏体,降低钢的共析转变温度,使铸钢组织中的珠光体分散度增大,改善了铸钢的力学性能。锰在钢中形成的多元碳化物可以细化铁素体的晶体颗粒,在相同条件下,颗粒度小的铸件的力学性能要好于颗粒度大的铸件。锰还可以使铁素体韧化,改善钢的低温冲击韧性。锰可以和铸钢中的硫反应,生成呈弥散状分布的MnS组织,消除了硫对铸钢的有害作用。锰系铸造低合金钢中含有适量的硅,可以使锰钢具有比较好的耐海水腐蚀的能力。锰含量控制在1.1%1.3%。硫、磷含量通常情况下，P对钢的低温冲击韧性影响最大，但有人研究在C、Si、Mn、P、S五大元素中,硫对铸钢低温冲击韧性的影响最大。如奥地利MFL公司生产的集装箱角铸件的低温冲击韧度是韩国DONGIL公司生产的集装箱角铸件的低温冲击韧度的34倍,与其含硫量很低有重要的关系,MFL公司铸件中的含硫量(平均0.006%)是DONGIL公司(平均0.012%)的1/2。S0.02%,P0.02%。1.2.2 熔炼工艺的影响碱性电弧炉氧化法炼钢,由于在冶炼过程中造成碱性炉渣,能够有效地去除钢液中的磷和硫,同时,在炼钢的氧化期中通过碳的氧化造成钢液沸腾,能有效地清除钢液中的气体和杂质。因此,用碱性电弧炉氧化法炼钢,炉料的化学成分范围比较广泛,炉料的适应性好,而且熔炼的钢液比较纯净,铸件的力学性能比较好。目前,多数的集装箱角铸件用铸钢使用碱性电弧炉氧化法熔炼。酸性感应电炉不氧化法炼钢,由于炉渣的温度较低,化学反应能力较弱,在炼钢过程中一般不进行脱磷、脱硫。因此,使用酸性感应电炉不氧化法炼钢对炉料化学成分要求很高,对炉料的含硫量、含磷量要求比较严格,必须使用低磷和低硫的炉料。酸性感应电炉熔炼的钢液中的含硫量和含磷量比使用碱性电弧炉氧化法要高,所以采用酸性感应电炉生产的集装箱角铸件的低温冲击韧度一般是碱性电弧炉氧化法生产的集装箱角铸件的1/21/4。但是酸性感应电炉的熔炼工艺相对简单,经济性好,因此,也有相当范围的应用。1.2.3 热处理工艺的影响热处理工艺对工件的性能影响极大，集装箱角件的铸态组织为粗大铁素体+细珠光体,正火态组织为细铁素体+珠光体,调质态组织为保留板条马氏体形态的回火索氏体+铁素体。就ZG16Mn而言,采用正火处理可以得到与淬火+高温回火差别不大的力学性能,正火时较快的冷却速度抑制了粗大多角状铁素体的形成而细化了组织,提高了钢的强度和韧性,且正火处理提高了设备的利用率,正火处理对ZG16Mn来说是有效且廉价的。 1.3 钢的热处理理论热处理是将金属在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺方法。根据加热和冷却方法的不同，常用的热处理方法可分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理包括退火、正火、淬火和回火；表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等。渗碳、渗氮和碳氮共渗又称为化学热处理。热处理工艺的基本过程包括加热、保温和冷却三个阶段，如图1.2所示。图1.2 热处理工艺曲线1.3.1 钢在加热时的转变热处理加热工序的目的是要获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体。因为钢只有呈奥氏体状态，才能通过不同的冷却方式使其转变为不同的组织，从而获得所需的性能，而且奥氏体的形成及奥氏体晶粒的大小对随后冷却时奥氏体的转变特点和转变物的组织与性能都有显著影响。由Fe-Fe3C相图可知，碳钢在室温下的组织基本是由铁素体与渗碳体两种相构成的，当钢被缓慢地加热到临界温度以上时，钢的组织就要发生转变。当亚共析钢加热到A1以上时，珠光体转变为奥氏体，此时的组织为奥氏体和铁素体，若温度继续升高，铁素体也逐渐转变为奥氏体，当温度超过A3线时，铁素体完全消失，全部转变为均匀细小的单一奥氏体；过共析钢的加热转变与上述情况相似，只是在A1至Acm的升温过程中，二次渗碳体逐渐溶入奥氏体中，超过Acm线时，组织全部为奥氏体，但其晶粒已经长大。钢进行热处理时首先要加热，任何成分的碳钢加热到A1点以上时，其组织中的珠光体均转变为奥氏体，这种加热到相变点以上获得奥氏体组织的过程称为“奥氏体化”。共析碳钢在A1点以下全部为珠光体组织，组织中铁素体具有体心立方晶格，A1点时其wc=0.0218%，渗碳体具有复杂晶格，其wc=0.77%。由此可见，奥氏体化必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散，其转变过程遵循形核和长大的基本规律，并通过下列三个阶段来完成：奥氏体晶核的形成和长大残余渗碳体的溶解奥氏体的均匀化1.3.2 钢在冷却时的转变钢经加热获得均匀奥氏体组织，一般只是为随后的冷却转变作准备。热处理后钢的组织与力学性能在更大程度上是由冷却过程来决定的，因此控制奥氏体在冷却时的转变过程是热处理的关键，采用适当的冷却方式和冷却速度，便能获得所需要的组织。 a) 等温冷却 b) 连续冷却图1.3 两种冷却方式示意图在热处理生产中，常用的有等温冷却与连续冷却两种冷却方式，如图1.3所示。等温冷却是把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到Ar1以下某一温度，然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变，然后再冷却到室温；连续冷却是把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度（如炉冷、空冷、油冷、水冷等）连续冷却到室温。奥氏体在相变点A1以下就处于不稳定状态，必然要发生相变。但过冷到A1以下的奥氏体并不是立即发生转变，而是要经过一个孕育期后才开始转变，这种在孕育期暂时存在的、处于不稳定状态的奥氏体称为“过冷奥氏体”。过冷奥氏体在不同温度下的等温转变，将使钢的组织与性能发生明显的变化。奥氏体等温转变曲线是研究过冷奥氏体等温转变的重要工具，如图1.4所示。图1.4 共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线由过冷奥氏体开始转变点连接的线称为转变开始线；由转变终了点连接起来的线称为转变终了线。因此，图中A1以上是奥氏体稳定区域；A1以下、转变开始线以左的区域是过冷奥氏体区；A1以下、转变终了线以右并在Ms以上的区域为转变产物区；在转变开始线和转变终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。过冷奥氏体在各个温度下等温转变时，都要经过一段孕育期，它以转变开始线与纵坐标之间的水平距离表示。孕育期越长，过冷奥氏体越稳定，反之则越不稳定。可见，过冷奥氏体在不同温度下的稳定性是不同的。开始时，随过冷度的增加，孕育期与转变终了时间逐渐缩短；但当过冷度达到某一值（约550）后，孕育期与转变终了时间却随过冷度的增加而逐渐变长，所以曲线呈“C”字形状。在C曲线上孕育期最短地方，表示过冷奥氏体最不稳定，它的转变速度最快，该处被称为C曲线的“鼻尖”。而在靠近A1和Ms处的孕育期较长，过冷奥氏体比较稳定，转变速度也较慢。在三个不同温度区间，共析碳钢的过冷奥氏体可以发生三种不同的转变：A1至C曲线鼻尖区间的高温转变，其转变产物是珠光体，故又称为珠光体转变；C曲线鼻尖至Ms区间的中温转变，其转变产物是贝氏体，故又称为贝氏体转变；在Ms以下的低温转变，其转变产物是马氏体，故又称为马氏体转变。1.3.3 钢的淬透性淬火时，钢件的表面冷却快，愈到心部冷却愈慢。如果中心点的冷速达到或超过该钢种的临界淬火速度，工件就会淬透，也就是说整个工件从表到里都淬成了马氏体。得到这种效果的淬火也称为透硬淬火。如果距表面某一深处的冷速开始小于该钢的临界淬火速度，则淬火后工件外层是马氏体，而冷速小于临界淬火速度的心部应为硬度较低的非马氏体组织（根据钢的成分与截面尺寸不同，可能是贝氏体、珠光体或者还有铁素体的混合组织）。淬透性是指钢被淬透的能力，或者说钢在淬火时所能得到的淬硬层深度。淬硬层深的，称它淬透性好（或淬透性高）。在给定的淬火介质中，钢的淬透性好坏显然是由钢的临界淬火速度所决定的。钢的临界淬火速度愈低，其淬透性愈好。钢的淬透性对工件热处理后的机械性能有很大影响。因为完全淬透的工件在回火后，组织是均一的，里外的机械性能也一致，而心部未淬硬的工件则不然，由于回火后里外组织的不同，其强度、韧性等均有差别。1.3.4 钢的正火与调质正火是将钢加热到AC3（对于亚共析钢）或ACcm（对于过共析钢）以上5070完全奥氏体化，保温后再在空气中冷却得到以较细珠光体为主的组织的热处理工艺。将钢加热到AC3或A C1点以上某一温度，保温一定时间使奥氏体化后，以大于马氏体临界冷却速度进行快速冷却，从而发生马氏体转变的热处理工艺，称为淬火。它是强化钢材最重要的热处理方法。将淬火钢重新加热到A 1点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。钢在淬火后一般都要进行回火处理。习惯上，将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。集装箱角件用铸钢化学成分近似于ZG16Mn的化学成分,是一种低碳低合金结构钢,其正常组织为+P。应用杠杆定律可知,当ZG16Mn钢含碳量为0.20%时,先共析铁素体百分含量为76%;当含碳量为0.17%时,先共析铁素体百分含量为80%;当含碳量为0.12%时,先共析铁素体百分含量为86.7%。因此,较低的含碳量可以增加%,降低P%,对改善钢的塑性、韧性有利。就ZG16Mn而言 3 ,采用正火处理可以得到与淬火+高温回火差别不大的力学性能,正火时较快的冷却速度抑制了粗大多角状铁素体的形成而细化了组织,提高了钢的强度和韧性,且正火处理提高了设备的利用率,正火处理对ZG16Mn来说是有效且廉价的。16Mn钢的临界点:A C1=736, AC3=849867。正火温度取AC3+5070，本实验决定把正火加热温度提高至910930。1.4 本课题的研究意义及研究内容1.4.1 研究意义本课题采用ZG16Mn钢作为实验材料，对毛坯分别采用正火工艺与调质工艺进行热处理，着重探索将国外传统的集装箱角件高能耗的热处理工艺（930水淬+680高温回火快速水冷）简化为经济的一次正火处理工艺，简化工艺如能满足美国ABS、英国LR、德国GL和法国BV等多国船检机构对集装箱角铸件的力学性能要求，则将大大降低成本，创造极大的经济效益。1.4.2 研究内容参照国家相关标准将热处理后的毛坯机加工成标准试样，再对试样进行拉伸、冲击、测量硬度的实验，得出热处理后试样的强度、硬度、塑性、低温冲击功（-40）等性能指标，检验简化的热处理工艺能否满足各船级社对角铸件的性能要求，通过观察试样断口形貌及其金相显微组织，进一步验证新工艺的可行性。1）选择ZG16Mn作为集装箱角件材料，采用不同的热处理工艺，对毛坯进行处理；2）制备用于工艺、性能对比实验的标准试样,拉伸实验采取棒材试样，硬度实验采取板材试样，冷冲击韧性实验采取“V”型缺口冲击样；3）使用硬度计、拉伸机、摆锤式冲击试验机，以及金相显微镜等进行各种性能测试；4）使用绘图软件绘制拉伸曲线；5）分析实验数据，得出实验结论。第二章 实验材料、方法与设备2.1 原材料的选择和处理实验选用类似于ZG16Mn钢的材料，化学成分见表2.1。先对棒料毛坯进行热处理，再分别机械加工为标准拉伸试样和标准冲击试样，R4号的拉伸试样，共9块；常用冲击试样，共9块。拉伸试样与冲击试样形状与尺寸如图2.1、2.2所示。表2.1 集装箱角铸件的化学成分控制范围(质量分数,%)图2.1 R4标准拉伸试样图2.2 标准冲击试样2.2 实验仪器与设备 本实验主要使用箱式电阻炉，材料万能试验机，摆锤式冲击试验机等实验设备。2.2.1 中温箱式电阻炉中温箱式电阻炉可用于退火、正火、淬火、回火或固体渗碳等。炉子结构如图2.3。主要由炉壳、炉衬、加热元件以及配套电气控制系统组成。炉壳由角钢及钢板焊接而成。炉衬一般采用体积密度不大于1.0g/cm3的轻质耐火粘土砖作耐火层。保温层采用珍珠岩保温砖并填以蛭石粉、膨胀珍珠岩等，也有的在耐火层和保温层之间夹一层硅酸铝耐火纤维，还有的内墙用一层耐火砖，炉顶和保温层全用耐火纤维预制块砌筑。加热元件是由高电阻率铁铬铝或镍铬合金丝绕成螺旋体，放于炉膛两侧和炉底搁砖上，炉底覆盖耐热钢底板。大型箱式炉也将电热元件布置在炉顶、后壁或门内侧。1-炉门；2-热电偶；3-炉壳；4-炉衬；5-罩壳；6-加热元件；7-炉底板；8-炉门升降机构图2.3 RX3系列950箱式电阻炉结构图2.2.2 材料万能试验机采用由济南东方实验仪器有限公司生产的WDW系列微机控制电子万能试验机（图2.4）进行金属拉伸试验。图2.4 电子万能试验机2.2.3 摆锤式冲击试验机本机主要用于金属材料在动负荷下抵抗冲击的性能，半自动控制试验机操作简便、工作效率高，扬摆、放摆均为自动控制，特别适用于连续做冲击试验的实验室。（图2.5） 图2.5 半自动摆锤式冲击试验机2.2.4 其它设备本实验除使用以上三种主要设备外，在金相试样的制备过程中还使用了以下设备： QG-1型金相试样切割机， XQ-2型金相镶嵌机，PG-2型金相试样抛光机。2.3 实验方案的设计传统的集装箱角件热处理工艺（9303h,水淬+680,回火)在满足各船级社对铸件性能要求的前提下，生产成本较高。而简化的热处理工艺只需进行一次正火处理，因此能创造极大的经济效益。为了寻求更合理的正火温度，本实验选择了两个正火工艺做对比。通过测试和观察简化工艺条件下的试样性能（强度、硬度、塑性、韧性）与组织，确定简化工艺是否能满足各船级社提出的性能指标。再通过测试和观察传统工艺条件下的试样性能和组织，从而进一步验证简化工艺的可行性。综合考虑，设计如下实验工艺方案（图2.6）：对ZG16Mn毛坯件进行热处理930淬火+680回火930正火910正火将不同热处理工艺条件下的毛坯件分别机加工为标准试样SEM试样断口形貌金相组织观察基本力学性能测试拉伸试验冲击试验硬度试验图2.6 实验工艺流程图2.3.1 拉伸试验拉伸试验可以揭示金属材料在静载荷作用下常见的力学行为(图2.7)，即弹性变形、塑性变形和断裂；还可以标定出金属材料的最基本力学性能指标，如屈服强度s、抗拉强度b、断后伸长率和断面收缩率。 Rm-抗拉强度 Ag-最大力非比例伸长率 Agt-最大力总伸长率 A-断后伸长率 At-断后总伸长率 图2.7 低碳钢应力-应变曲线2.3.2 冲击试验冲击试验是一种动态力学试验，它是将一定形状及尺寸的试样放置在冲击试验机的固定支座上，然后将具有一定位能的摆锤释放，使试样在冲击弯曲载荷作用下断裂。金属在常温下的冲击试验较为简便易行，其冲击韧性对材料的冶金质量、宏观缺陷、显微组织等十分敏感。具有体心立方或密排立方的金属及其合金，特别是工业上常用的结构钢，均会产生冷脆断裂现象，即当试验温度低于某一温度Tk时，材料将转变为脆性状态，其冲击值明显降低，这种现象称为冷脆转变现象，Tk称为冷脆转变温度。这是衡量材料冷脆倾向的性能指标。本试验主要是测量-40条件下试样的冲击功Ak是否符合各船级社的要求。试验前，必须对试验机进行检查并进行空击实验，校正指针零点。安装试样时采用专用样规，以保证试样缺口与支座跨距中心相重合。无论使用何种类型的冲击试验机，都应特别注意安全，防止摆锤和击断的试样飞出伤人。试验开始前，采用酒精加液态氮调和来制备用于冷却试样的冷却剂。低温冲击试样从冷却装置中取出后应迅速放在试验机支座上进行试验。为保证操作迅速，可在支座上安装简易的试样定位装置，以减少使用样规定位的时间。2.3.3 硬度试验一般认为硬度可定义为：材料在外力作用下，抵抗塑性变形的能力。在更广义的定义中将硬度定义为：材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏等一种或多种情况同时发生的能力。由于该硬度定义的种类很多，没有哪一种硬度计能够准确、全面地实现该定义的要求。硬度试验方法的种类很多。硬度试验一般可按负荷性质分为静载（如：布氏、洛氏和维氏硬度试验方法）和动载（如：里氏和肖氏硬度试验方法）两种硬度试验方法。洛氏硬度试验常用的压头为圆锥角为120、顶部曲率半径为0.2mm的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球。本试验选用HRB标准。为了保证试验准确度，试样每两压痕中心距离至少应为压痕直径的4倍（但不小于2mm）。每一试样的试验点数应不少于4点（第一点不记）。洛氏硬度的表示方法如：50HRB表示用洛氏硬度B标尺测定的洛氏硬度值为50。每个试样一般应给出3点的洛氏硬度值。第三章 实验结果与分析3.1 试样力学性能测试根据前期设计的实验方案，通过对三种工艺条件下的试样进行力学性能（强度、硬度、塑性、低温韧性）测试，结果表明简化的一次正火热处理工艺能够满足各船级社对角件的力学性能要求。3.1.1 试样强度测试金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志。屈服现象在退火、正火、调质的中、低碳钢和低合金钢中最为常见。这类材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段过渡是明显的，表现在试验过程中，外力不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力称为屈服点。用应力表示的屈服点就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即屈服强度s。韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度，用b表示。b标志韧性金属材料的实际承载能力，但这种承载能力仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件，而且韧性材料的b不能作为设计参数，因为b对应的应变远非实际使用中要达到的。由于b代表实际机件在静拉伸条件下的最大承载能力，且b易于测定，重现性好，所以b是工程上金属材料的重要力学性能指标之一。图3.1、3.2、3.3分别为三种工艺条件下拉伸试样的拉伸应力-应变曲线。 图3.1 930淬火+680回火试样应力-应变曲线 图3.2 930正火试样应力-应变曲线图3.3 910正火拉伸试样应力应变曲线根据法国BV、英国LR、美国ABS、德国GL、中国CCS等各国船级社的规定,绝大多数船级社对角件的屈服强度要求大于220 MPa，抗拉强度要求大于430 MPa。通过分析拉伸试验结果（表3.1），我们不难发现，简化的一次正火工艺的试样屈服强度s300 MPa、抗拉强度b500 MPa，完全可以达到对角件的强度要求。表3.1 强度试验结果性能类型屈服强度/MPa抗拉强度/MPa编号数值平均值编号数值平均值930淬+680回140337114915042322250833893514930正火1363332 14955032281251033533503910正火137334215125072340251433143494船级社标准2204303.1.2 试样硬度测试硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。硬度试验方法很多，大体上分为弹性回跳法（如肖氏硬度）、压入法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）和划痕法（如莫氏硬度）等三类。其物理意义随试验方法不同而不同。例如，划痕法硬度值主要表征金属切断强度；回跳法硬度值主要表征金属弹性变形功的大小；压入法硬度值则表征金属塑性变形抗力及应变硬化能力。因此，“硬度”不是金属独立的力学性能。压入硬度试验方法的应力状态软性系数2。在这样的应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形。因此，这种试验方法不仅可测定塑性金属材料的硬度，也可测定淬火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材料的硬度。本实验采用洛氏硬度标准，试验所用压头为直径为1.588mm的淬火钢球。结果（表3.2）表明：试样硬度集中在HRB 80上下，这恰恰表明了该材料具有很好的塑韧性，能够达到角件的硬度要求。表3.2 硬度试验结果性能类型硬度/HRB编号数值平均值930淬+680回178.680.7282.1381.3930正火179.878.9281.2375.7910正火182.082.3281.8383.2船级社标准无具体要求3.1.3 试样塑性测试塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用表示。断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用表示。本实验的塑性测试结果（表3.3）是：30%,60%,能够达到角件的塑性要求。表3.3 塑性试验结果性能类型伸长率（%）断面收缩率（%）编号数值平均值编号数值平均值930淬+680回1343217070233267330373930正火14033 16663233259326365910正火1303316362236266332358船级社标准25403.1.4 试样低温冲击功测试冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，可用标准试样的冲击吸收功Ak表示。材料在不同温度条件下服役，冲击功有较大差异。通过测试-40的标准试样的冲击功，结果（表3.4）表明：简化工艺下的试样的Ak60J，能够达到角件的低温韧性要求。表3.4 冷冲击试验结果性能类型-40冲击功/J编号数值平均值930淬+680回18275276368930正火16467266370910正火16463248376船级社标准213.2 断口形貌观察通过使用SEM对断口形貌进行观察，发现三种工艺条件下的拉伸试样断口略有差别：930淬火+680回火拉伸试样断口韧窝细小等轴，930正火拉伸试样断口韧窝较浅，910正火拉伸试样断口韧窝较深（图3.4、3.5、3.6），但试样总体的拉伸性能差别不大。 图3.4 930淬火+680回火拉伸试样断口形貌图3.5 930正火拉伸试样断口形貌 图3.6 910正火拉伸试样断口形貌进一步观察三种工艺条件下的冲击试样断口形貌，从中我们不难看到在-40条件下试样发生了脆性断裂。（图3.7、3.8、3.9）图3.7 930淬火+680回火冲击试样断口形貌图3.8 930正火冲击试样断口形貌图3.9 910正火冲击试样断口形貌3.3 金相组织观察调质态组织为保留板条马氏体形态的回火索氏体+铁素体，正火态组织为细铁素体+珠光体，图3.10、3.11、3.12为三种工艺条件下的试样金相组织。尽管组织有差异，但性能很接近。图3.10 930淬火+680回火试样金相组织 图3.11 930正火试样金相组织图3.11 910正火试样金相组织第四章 结论与展望4.1 结论1、简化热处理工艺下的试样屈服强度s300 MPa、抗拉强度b500 MPa，满足船级社的强度要求；2、比较三种热处理工艺条件下的试样性能指标，结果发现一次正火条件下的试样断后伸长率30%,断后收缩率60%，同样满足船级社的塑性要求；3、通过冲击试验结果不难发现，简化工艺条件下的试样-40低温冲击功Ak60J，完全满足角件的低温韧性要求；4、综上可知：简化的一次正火热处理工艺（910正火3h）完全能够替代集装箱角件的传统热处理工艺(9303h,水淬+680,回火)。4.2 展望本课题基本达到预期目标和期望，但仍存在一些不足之处，今后还应该在以下两个方面进一步探索与研究：1、本实验中，采用毛坯件进行热处理时，由于毛坯截面尺寸过大，导致在淬火时试样可能无法全部淬透，这样在后续的