T10A钢球化退火工艺对组织和硬度的影响.doc

毕毕 业业 论论 文文 题 目 T10AT10A 钢球化退火工艺对组织和硬度的影响钢球化退火工艺对组织和硬度的影响 学院 专业 班级 学号 学生姓名 导师姓名 完成时间 诚 信 声 明 本人声明 1 本人所呈交的毕业设计 论文 是在老师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果 2 据查证 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 毕业 设计 论文 中不包含其他人已经公开发表过的研究成果 也不 包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料 3 我承诺 本人提交的毕业设计 论文 中的所有内容均 真实 可信 作者签名 日期 年 月 日 毕毕业业设设计计 论论文文 任任务务书书 题目 T10A 钢球化退火工艺对组织和硬度的影响 姓名 学院 专业 材料成型 班级 学号 2 指导老师 职称 教研室主任 一 基本任务及要求 1 分析 归纳 T10A 钢的成分特点 组织转变规律 热处理工艺及主要工艺参数 性 能特点及应用 2 确定 T10A 钢常用的球化退火工艺及其主要参数 画出其球化退火工艺曲线 并分 析其将获得的金相显微组织及大致的硬度 3 根据所确定的球化退火工艺及其主要参数 进行 T10A 钢的球化退火工艺操作和试 验研究 测定球化退火后的硬度 分析其硬度变化的原因 4 对球化退火后的 T10A 样品进行金相显微组织分析 确定其金相显微组织的基本组 成 并分析其球化退火工艺及其主要参数对显微组织和硬度的影响规律 二 进度安排及完成时间 1 2012 年 2 月 27 日 3 月 18 日 查阅资料 撰写文献综述和开题报告 2 2012 年 3 月 19 日 4 月 01 日 课题调研 资料收集 方案设计 3 2012 年 4 月 02 日 4 月 29 日 试验研究及结果分析 4 2012 年 4 月 30 日 5 月 20 日 撰写毕业论文 5 2012 年 5 月 21 日 6 月 03 日 将毕业论文送指导教师审阅 评阅教师评阅 6 2012 年 6 月 04 日 6 月 17 日 毕业论文答辩和资料整理 目目 录录 摘要 Abstract 第 1 章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 论文研究背景及目的 2 1 3 本课题的研究内容及试验手段 3 第 2 章 试验过程及分析 4 2 1 球化退火工艺方案 4 2 2 试验设备 4 2 3 试验过程 7 2 3 1 试样的准备 7 2 3 2 试样的热处理工艺过程 7 2 3 3 试样硬度值的测试 12 2 3 4 试样的磨制 12 2 3 5 试样的抛光 13 2 3 6 试样的浸蚀 14 2 3 7 显微组织的观察 14 第 3 章 试验结果及分析 15 3 1 力学性能试验 15 3 2 金相显微组织分析 15 3 3 球化退火的综合分析及其实际应用 18 结论 21 参考文献 22 致谢 23 T10AT10A 钢球化退火工艺对组织和硬度的影响钢球化退火工艺对组织和硬度的影响 摘 要 通过试验分析 T10A 钢的成分 组织 性能以及应用 并对 T10A 钢进 行普通球化退火和等温球化退火处理 接着对热处理后的试样进行硬度测试和 显微组织观察分析 研究普通球化退火和等温球化退火工艺对 T10A 钢在组织 性能及应用方面的影响 结果表明 T10A 钢球化退火后得到了在铁素体基体上 均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织 T10A 等温球化退火后的硬度略低于普 通球化退火处理后的硬度 硬度随球化退火温度的升高而升高 T10A 等温球化 退火后的组织较于普通球化退火处理后的的组织更加均匀 因此等温球化退火 的切削性能比普通球化退火钢更佳 等温球化退火的综合力学性能优于普通球 化退火 关键词 T10A 钢 球化退火 显微组织 Influence to Structure and Hardness of T10A Spheroidizing Annealing Process Abstract Firstly testing and analysing the composition microstructure properties and application of the T10A Then do ordinary spheroidizing annealing and isothermal spheroidizing annealing to it Thirdly do the hardness test and microstructure observation and analysis to the heat treated samples Through all of those methods explore the influence of ordinary spheroidizing annealing and isothermal spheroidizing annealing to the structure properties and applications of T10A The results is that after T10A steel ball annealing there is globular or granular carbide organization which is uniformly distributed in the ferrite matrix After isothermal spheroidizing annealing the hardness of T10A is slightly lower than that after ordinary ball annealing And it became harder with the rising of spheroidizing annealing temperature After isothermal spheroidizing annealing the structure of T10A become more uniform than that after ordinary organization So the cutting performance of T10A after isothermal spheroidizing annealing is better than after ordinary spheroidizing annealing and the comprehensive mechanical properties are also better Key Words T10A steel Ball annealing microstructure 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 引言 钢铁材料在国民经济中占有十分重要的地位 它们的应用非常广泛 在实际使用 或生产加工过程中 人们对钢铁材料提出了各种不同的性能要求 单凭原始材料的性能 已经满足不了工程技术上的要求 例如 为了便于切削加工就要求材料的硬度适当降 低 以节约机械加工时的刀具消耗和提高劳动生产率 为使零件耐磨损 延长使用寿 命 就要求其具有较高的硬度 为使零件能在有腐蚀性气体的环境中长期工作 就要 求其具有一定的耐腐蚀性等 为满足这些性能要求 除了合理地选用材料外 还要进 行热处理 如此才能充分发挥钢铁材料的性能特点 由此可知 热处理在机械制造业 中占有十分重要的地位 热处理是机械工业的一项重要基础技术 通常如轴 轴承 齿轮 连杆等重要的 机械零件和工模具都是要经过热处理的 而且 只要选材合适 热处理得当 就能使 机械零件和工模具的使用寿命成倍 甚至十几倍的提高 热处理对于充分发挥金属材 料的性能潜力 提高产品的质量 节约材料 减少能耗 延长产品的使用寿命 提高 经济效益都具有十分重要的意义 据统计 在机床制造中有 60 70 的零部件要经 过热处理 在汽车 拖拉机制造中有 70 90 的零部件要经过热处理 各种工具和 滚动轴承等则 100 的要进行热处理 1 随着近几年机械切削加工和冷镦模的高速发展 刀具材料及模具材料的发展也非 常迅速 出现了很多新型的材料 其中碳素工具钢 特别是 T10A 所独有的价格便宜 易切削 耐磨等特点使其在刀具及冷镦模中依然占有很大比例 但碳素工具钢的一些 缺陷也使得它在发展迅速的机械行业有一定的局限性 通过低淬透性冷作模具钢 高级高碳工具钢 优点是可加工性能好 价格便宜 来源容易 但是淬透性较差 淬火变形大 因为钢中含有合金元素少 回火抗力低 因而承载能力低 虽有高的硬度和耐磨度 但是小截面工件韧性不足 大截面段坯有 残余网状碳化物倾向 完全球化的最低加热温度 740 最佳等温温度 690 720 出现片状碳化物的加热温度 780 受热软化温度 250 淬硬深度为水淬 15 18mm 油淬 5 7mm 该钢在退火状态下进行粗加工 然后淬火低温回火至高 硬度 再精加工 获得高的耐磨性和镜面抛光性 进行低碳马氏体低温淬火 使具有 较高的耐磨星河强韧性 预防和减少变形和开裂现象 2 1 2 论文研究背景及目的 热处理工艺一般分为最终热处理和预先热处理 预先热处理是为了消除或改善前 道工序引起的某些缺陷 为最终热处理最好准备 退火和正火是工件预先热处理的主 要手段 钢的退火和正火均为普通热处理的基本工艺 主要用于铸 锻 焊毛坯的预 先热处理 以及改善机械零件毛坯的切削加工性能 球化退火是不完全退火的一种特 例 球化退火是不完全退火的一种特例 目的是将共析及过共析钢中的片状碳化物转 变为状碳化物 使之均匀分布于铁素体基体上 碳化物由片状变为球状后有以下优点 硬度降低 使钢的可加工性得到改善 加 热时球化碳化物溶入奥氏体较慢 奥氏体晶粒不容易长大 故有较宽的淬火温度范围 淬火后得到隐晶马氏体 残留奥氏体量较少 并保留一定量的细小均匀分布的球化碳 化物 淬火开裂倾向性较小 塑性 韧性较好 冷成形加工得到改善 球化退火主要用于碳含量高于 0 6 的高碳工具钢及轴承钢等 目的是改善可加工 性 并为最终热处理做好组织准备 有时为改善低中碳钢的冷成形性 也可采用球化 退火 6 实践表明 加热时奥氏体成份越不均匀 退火后越容易得到球化组织 将过共析 伪片状珠光体加热到略高于 Ac1温度短时间保湿后 得到奥氏体加未溶渗碳体 此时 渗碳体已不是完整的片状 而是厚薄不平 凹凸不平 有些地方已经溶解断开 延长 保湿时间 这些未溶渗碳体将渐趋向于球化 T10A 钢是一种应用广泛的工具 量具 冷作模具钢 它具有高硬度 高强度 高 耐磨性和淬火变形小等优点 9 然而 由于其硬度值较高 难以进行切削加工 故在生 产中用 T10A 钢制作冷镦凸模时极易出现崩刃 折断及淬火开裂等现象 因此在实际 的工业生产中 经常采用等温球化退火的方法来细化晶粒 降低硬度 改善切削加工 性能 为淬火做好组织上的准备 但常规的等温球化退火工艺方法 由于加热温度高 保温时间长 工艺复杂 使 T10A 钢中碳化物仍呈粗细不同 大小不一 分布不均的 现象 而它们是引起变形开裂的主要原因 直接影响着产品的质量和使用性能 故进 一步改善 T10A 钢的切削加工性能 预防开裂倾向已成为工业生产中亟待解决的问题 1 3 本课题的研究内容及试验手段 本课题通过了解T10A钢的成分 组织 性能 应用等方面的基本知识 以相关金 属学与热处理及金属材料学的理论作为指导 拟定了T10A钢的完全退火和正火工艺 并通过实际的热处理工艺进行试验操作 分析普通球化退火与等温球化退火对T10A钢 的组织和性能的影响 并通过分析其金相显微组织及组成 测定硬度值来对T10A钢普 通球化退火和等温球化退火工艺 从使用性 工艺性 经济性三个方面进行综合 分析 并说明其在实际生产中的主要应用方向 其中所包含的试验操作或操作程序有 准备 T10A 钢的试验样品 拟定 3 组试样进行三个不同加热温度的等温球化退火处理 其中加热温度分别 为 740 760 780 保温 40min 在 690 下等温 30min 试样随炉冷却到 520 后 出炉空冷 然后分别制备经不同温度完全退火后的金相试样 并进行显微组织观察 拍照显微组织图 采用洛氏硬度计测定完全退火后的试样的硬度值 拟定 3 组试样进行普通球化退火处理 其中加热温度分别为 740 760 780 保温 40min 试样随炉冷却到 520 后出炉空冷 然后分别制备经不同温度正火 后的金相试样 并进行显微组织观察 拍照显微组织图 采用洛氏硬度计测定正火后的试样的硬度值 根据试验数据 对比 T10A 钢等温球化退火与普通球化退火处理后的组织和性 能 从而总结其在实际生产中的应用 第第 2 2 章章 试验试验过程及分析过程及分析 2 1 球化退火工艺方案 本文研究的是T10A钢 T10A钢球化退火处理后 所得到在铁素体基体上均匀分布 的球状或颗粒状碳化物的组织 本实验设置了六组实验参数不一样的参数对试样进行 了等温球化退火处理 完全等温球化退火温度分别为740 760 780 保温时间 40min 其中等温度为690 等温时间为30min 随炉冷却到温度为500 时再出炉空 冷 同时 为使T10A钢等温球化退火工艺和普通球化退火工艺有效得进行对比 本实 验设置了三组加热温度和等温球化退火分别一致的实验参数进行正火处理 T10A钢球 化退火与普通球化退火处理的工艺方案如下表2 1和表2 2所示 表表2 12 1 T10AT10A钢试样等温球化退火工艺方案钢试样等温球化退火工艺方案 项目加热温度 保温时间 min等温温度 等温时间 min冷却方式 方案一7404069030随炉冷至520 后出炉空冷 方案二7604069030随炉冷至520 后出炉空冷 方案三7804069030随炉冷至520 后出炉空冷 表表2 22 2 T10AT10A钢试样普通球化退火工艺方案钢试样普通球化退火工艺方案 项目加热温度 保温时间 min冷却方式 方案一74040随炉冷至520 后出炉空冷 方案二76040随炉冷至520 后出炉空冷 方案三78040随炉冷至520 后出炉空冷 2 2 试验设备 1 箱式电阻炉 所用型号为 SRJX 3 9 电阻炉是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热工件 同 时用热电偶等电热仪表控制温度 操作简单 温度准确 这类炉子的炉料一般在空气 介质中加热 无机械化装置 供小批量的工件淬火 正火 退火等常规热处理之用 如图 2 1 所示 图 2 1 箱式电阻炉 2 HRS 150HRS 150 型数显洛氏硬度计 用来测试完全退火试样和正火处理试样的硬度值 如图 2 2 所示 图 2 2 HRS 150 型数显洛氏硬度计 3 金相粗磨砂纸 所用型号为 180 用来去除 20 钢原材料表面的氧化物 为下一步手工细磨做准备 4 金相细磨砂纸 所用金相砂纸的号数为 01 02 03 04 05 用来对试样进行手工细磨 以便快 速制备金相试样 5 金相试样机械抛光机 所用型号为 P 2 对金相试样进行抛光处理 消除磨面上的磨痕及金属扰乱层 以 便制出平整 光亮 无痕的金相磨面 如图 2 3 所示 图 2 3 金相试样抛光机 6 4XB4XB 型金相显微镜 对试样进行显金相微组织观察和分析 如下图 2 4 所示 图 2 4 4XB 型金相显微镜的外形结构图 7 金相分析仪 选用 GX60 DS 型金相综合分析系统 配备有高倍 中倍 低倍三个高质量物镜和 数码视频采集与处理硬件 并配套有专用的微机和金相分析专业软件 观察金相显微 组织 拍照保存特征相图 金相分析仪如图 2 5 所示 图 2 5 金相分析仪 2 3 试验过程 试验通过对 T10A 钢分别进行等温球化退火和普通球化退火处理 然后对热处理 后的 T10A 钢进行硬度测试和显微组织分析 来研究完全退火与正火工艺处理对 T10A 钢的组织和性能的影响 采用的具体工艺流程如图 2 6 所示 图 2 6 T10A等温球化退火与普通球化退火工艺对比分析试验流程图 2 3 1 试样的准备 原材料试样是将给定的材料 尺寸为 30mm 的 T10A 钢棒 制备为可供后续试 验运用的试样 本次试验共做这样的试样 6 个 为后面的试验做好充分的准备 2 3 2 试样的热处理工艺过程及原理 1 T10A 钢的特点 T10A 钢的特点 此钢强度及耐磨性均较 T8 和 T9 高 但热硬性低 淬透性不高 且淬火变形大 适于制造切削条件差 耐磨性要求较高 且不受剧烈振动 需要一定 韧性及具有锋利刀口的各种工具 如车刀 刨刀 钻头 切纸机 低精度而外形简单 的量具 如卡板等 可用作不受较大冲击的耐磨 通用低淬透性冷作模具钢 高级高 碳工具钢 优点是可加工性能好 价格便宜 来源容易 但是淬透性较差 淬火变形 大 因为钢中含有合金元素少 回火抗力低 因而承载能力低 虽有高的硬度和耐磨 度 但是小截面工件韧性不足 大截面段坯有残余网状碳化物倾向 完全球化的最低 加热温度 740 最佳等温温度 690 720 2 T10A 球化退火组织转变规律 加热时奥氏体成分越不均匀 退火后越容易得到球化组织 将过共析钢为片 状珠光体加热到略高于 Ac1温度短时间保温后 得到奥氏体加未溶渗碳体 此时渗碳 体已不是完整的片状 而是厚薄不均凹凸不平 有些地方已经溶解断开 延长保温时 间 这些未溶渗碳体将逐渐趋于球化 将钢从加热温度缓冷至 Ar1以下 奥氏体将同时 析出碳化物及铁素体 即珠光体转变 加热时形成球状碳化物质点以及奥氏体中含碳 量较高的部分将成为碳化物核心 长大成球状碳化物 最终得到在铁素体基体上均匀 分布着球状碳化物的球状珠光体 3 球化退火工艺及目的 球化退火的具体工艺有 普通 缓冷 球化退火 缓冷适用于多数钢种 尤其 是装炉量大时 操作比较方便 但生产周期长 等温球化退火 适用于多数钢种 特别是难于球化的钢以及球化质量要求高的钢 如滚动轴承钢 其生产周期比普通球 化退火短 不过需要有能够控制共析转变前冷却速率的炉子 周期球化退火 适用 于原始组织为片层状珠光体组织的钢 其生产周期也比普通球化退火短 不过在设备 装炉量大的条件下 很难按控制要求改变温度 故在生产中未广泛采用 低温球化 退火 适用于经过冷形变加工的钢以及淬火硬化过的钢 后者通常称为高温软化回火 形变球化退火 形变加工对球化有加速作用 将形变加工与球化结合起来 可缩短 球化时间 它适用于冷 热形变成形的钢件和钢材 如带材 是在 Acm或 Ac3与 Ac1之 间进行短时间 大形变量的热形变加工者 本实验由于时间及设备原因主要研究普通 球化退火和等温球化退火对 T10A 对组织和硬度的影响 球化退火是使钢获得弥散分布于铁索体基体上的细粒状 球状 碳化物组织 其目 的为改善切削性能 减小淬火时的变形开裂倾向性 为锻件得到相当均匀的最终性能 球化退火主要应用于轴承零件 刀具 冷作模具等的预备热处理 以改善切削加工性 能及加工精度 消除网状碳化物所引起的工具的脆断和刃口崩落 提高轴承的接触疲 劳寿命等 中碳及中碳合金钢只当要求硬度极低而韧性极高 例如用于冷冲压坯料 时 才用球化退火 低碳钢 般不进行球化退火 否则由于硬度过低 160 170HBS 反而使切削加上性能变坏 在工具钢及轴承钢碳化物球化的概念中 应该包括一次碳化物 二次碳化物 由奥 氏体中析出 及共析碳化物这三方面的球化 一次碳化物系铸锭柱晶偏析所引起的亚稳 定奥氏体结晶产物 颗粒尺寸较大 常沿轧制方向分布 形成偏析碳化物带 硬度高 脆性大 易造成淬火裂纹 使钢的耐磨性变差 以至工件在使用中造成表面脱落或中 心破裂 一次碳化物的球化主要需要合理的锻造工艺 例如反复拉拔 相当大的总锻造 比在十几 二十几以上 和适当的高温扩散退火来得到 二次碳化物及共析钢化物的球化与锻造过程有关 为了使退火后能获得均匀分布 的粒状碳化物 锻造后的组织应为细片状珠光体及细小网状碳化物 或含有少量马氏体 如果终锻温度过高或冷却太慢 则易引起大网状碳化物 退火中无法消除 如退火温 度太低 800 碳化物易沿晶界变形方向析出而形成线条状组织 退火后将有方向 性 使工性能变坏 珠光体片较细时 球化退火时可采用较低的温度和较短的时间 退火温度愈低 则溶解的碳化物数量越多 容易获得均匀分布的细粒状珠光体组织 珠光体片较粗时 在正常退火工艺情况 T2 不易获得均匀的细粒状珠光体 因此 为了 得到良好的球化组织 必须严格控制锻造工艺过程 球化退火的目的 软化毛坯 球状碳化物比片状碳化物切削阻力要小 车刀对 球状碳化物切削的几率也比片状的要小有利于切削加工 为淬火提供理想的预备组 织 碳化物球化后在淬火加热时不易熔解未溶的碳化物起阻碍晶粒长大的作用细化了 淬火马氏体组织 提高了材料的韧性 4 影响球化质量的因素 化学成份的影响 碳素工具钢随着含碳量的增加 碳化物的数量增多 可获得 球状碳化物的奥氏化的加热温度范围增大 原始组织的影响 奥氏体越细 在奥氏 体化时的残留碳化物颗粒也越多 冷却时的球化核心也越多 球化效果越好 反之球 化效果越差 加热温度和加热时间的影响 当加热温度比较低 如稍高于 Ac1 且加 热时间较短时 原片状珠光体中的碳化物溶解不够充分 退火后将得到细粒状加细片 状混合的珠光体组织 通常称为 欠热组织 当球化退火加热温度过高时 碳化物 大量解入奥氏体 残留碳化物数量减少 奥氏体成分趋向均匀 因形成球状碳化物的 核心减少 退火后将得到部分或全部粗大片状珠光体 这就是 过热组织 欠热组织 和过热组织相比较 欠热组织层片间的尺寸短小 当珠光体片层间距稍大时 片的尺 寸仍然短小弯曲 过热组织的片间距大 片长且直 即使片间距小 片的形态仍然是 长而直的 冷却速度的影响 在球化的冷却条下 冷却速度慢或等温温度高时 碳 化物颗粒聚集尺寸增大 冷却速快或等温温度低时 因过冷度增大 碳化物形核率增 加 加之聚集不充分 所得碳化物的颗粒细小 15 表表 2 32 3 T10A 钢的牌号 化学成分和力学性能钢的牌号 化学成分和力学性能 化 学 成 分 钢号 CSiMnPS T10A0 95 1 04 0 35 0 40 0 030 0 020 冷却速度是影响球化效果的又一因素 冷却速度的大小直接影响到粒状碳化物的 颗粒大小和均匀性 当加热温度一定时 冷却速度越小 奥氏体向珠光体转变时在高 温区经历时间越长 析出的碳化物进行扩散 聚集的时间就会越充分 形成的碳化物 颗粒就越大而且均匀 反之 就会得到硬度偏高的细粒状组织 对切削加工不利 5 球化退火球化过程 球化过程 球化过程是一个比较缓慢的过程 原始组织为球状珠光体的钢 刚加热 到 Ac1以上温度时 珠光体中的片状碳化物开始溶解 而又未完全溶解 出于温度低 扩散过程进行得缓慢 此时 一片碳化物逐渐断开 呈许多细小的链状或点状 弥散分 布在奥氏体基体上 未完全溶解的碳化物导致奥氏体的成分极不均匀 在随后缓冷过 程中 或以原有的碳化物质点为核心 或在奥氏体中碳原子富集的地方产生核心 均 匀地形成颗粒状碳化物 刚形成的碳化物颗粒很小 在保温或缓冷过程中发生聚集 长大成较大的颗粒 由此可见 球化过程需要碳原子作较长距离的扩散迁移 最终形 成球化组织 6 试样的等温退火工艺 等温球化退火工艺是将共析钢或过共折钢加热到 Ac1 20 30 保温适当时间 然后冷却到则低于 Ar1 以下的温度 等温保持一定时间 使等温转变进行完毕 然后 炉冷或空冷的球化退火工艺 如果原始组织个网状碳化物较严重 则需加热到略高于 Acm的温度 使网状碳化物溶人奥氏体 然后再较铰地冷却到 Arl以下温度进行等温球 化退火 在等温球化退火工艺的制订中 奥氏体化温度及等温转变温度十分重要 奥氏体 化温度较高 未溶碳化物数量较少 奥氏体晶粒较大 而且其中碳浓度的分布也较均 匀 因而和利于球化过程的进行 等温转变温度较低别 碳 及合金元素 在奥氏体中 扩散较困难 也不利于球化过程的进行 只有当奥氏体化温度较低 等温转变温度较 高的处理规程下 才能得到球化组织 9 2 42 4 加热温度的经验公式加热温度的经验公式 热处理工艺加热温度 保热时间 h等温温度 等温时间 h 等温球化退火 普通球化退火 Ac1 20 40 Ac1 20 40 2 3 2 3 Ac1以下 10 无 4 6 无 查热处理手册可知 T10A 钢属于共析钢 其临界点 Ac3为 730 Ar1则为 700 其加热温度可选择在 740 780 根据球化退火的加热温度范围 以 760 为中心在 该温度上下分别选择等温退火温度 分别为 740 760 和 780 等温温度为 690 试样普通球化退火工艺曲线如图 2 7 所示 图 2 7 试样等温球化退火工艺曲线 7 试样的普通球化退火工艺 普通球化退火是将钢加热到 Ac1以上 20 30 保温适当时间 然后随炉缓慢冷 却 冷到 500 左右出炉空冷 试样普通球化退火工艺曲线如图 2 8 所示 图 2 8 试样普通球化退火工艺曲线 2 3 3 试样硬度值的测试 金属硬度检测是评价金属力学性能最迅速 最经济 最简单的一种试验方法 硬 度检测的主要目的就是测定材料的适用性 或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软 化处理的效果 硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一 硬度的实质是材料 抵抗另 一硬材料压入的能力 对于被检测材料而言 硬度是代表着在一定压头和试验 力作用下所反映出的弹性 塑性 强度 韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能 由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分 组织结构和热处理工艺条件 下性能的差异 因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验 监督热处理工艺质量和新 材料的研制 金属硬度检测主要有两类试验方法 一类是静态试验方法 这类方法试 验力的施加是缓慢而无冲击的 硬度的测定主要决定于压痕的深度 压痕投影面积或 压痕凹印面积的大小 静态试验方法包括布氏 洛氏 维氏 努氏 韦氏 巴氏等 其中布 洛 维三种试验方法是应用最广的 它们是金属硬度检测的主要试验方法 这里的洛氏硬度试验又是应用最多的 它被广泛用于产品的检验 据统计 目前应用 中的硬度计70 是洛氏硬度计 另一类试验方法是动态试验法 这类方法试验力的施 加是动态的和冲击性的 这里包括肖氏和里氏硬度试验法 动态试验法主要用于大型 的 不可移动工件的硬度检测 等温球化退火理后的试样和普通球化退火处理后的试样 将进行硬度测试 分析 试样经不同热处理后的硬度值的大小 从而比较其性能 测定硬度的方法很多 常用 的有布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度试验方法 本实验采用洛氏硬度的测试法 洛氏 硬度试验是以锥角为 120 的金刚石圆锥体或者直径为 1 588mm 的淬火钢球为压头 在规定的初载荷和主载荷作用下压入被测金属的表面 然后卸载主载荷 从而测得试 件硬度的实验 为了能用同一硬度计测定从极软到极硬材料的硬度 可以通过采用不 同的压头和载荷 组成 15 种不同的洛氏硬度标尺 其中最常用的由 HRA HRB HRC 三种 其试验规范如表 2 5 所示 表表 2 52 5 三种常用洛氏硬度的试验规范三种常用洛氏硬度的试验规范 符号压头类型载荷 N硬度有效范围使用范围 HRA120 金刚石圆锥体60070 85适用于测量硬质合金 表面淬火层或渗碳层 HRB直径为 1 588mm 的淬火钢球100025 100适用于测量有色金属 退火钢 正火钢等 HRC120 金刚石圆锥体1500N20 67适用于测量调质钢 淬火钢等 2 3 4 试样的磨制 金相试样的磨制一般分为粗磨和细磨两类 粗磨的目的是为了获得平整的金相磨 面 一般粗磨都选择在预磨机上进行 本实验将球化退火后的试样在预磨机上磨制 直至试样表面氧化物去除干净 以得到平整的金相磨面 为下一步研磨做准备 将粗磨后的试样用清水冲洗并擦干后再进行细磨 本实验采用手工细磨 即将试 样依次在由粗到细的各号金相砂纸上进行细磨 采用的金相砂纸号数有 01 02 03 04 05 五种 表 2 6 细磨时为了保证观察面的平整 需在金相砂纸下 放一块厚玻璃板 磨制时将金相砂纸平铺在厚玻璃板上 用左手按住砂纸 右手握住 试样 使金相磨面朝下并与金相砂纸相接触 在轻微压力的作用下向前推磨 用力力 求均匀 平稳 防止磨痕过深和造成金相磨面变形 试样退回时要抬起 不能与金相 砂纸相接触 用 单程 单向 的磨制方法 直至磨掉试样磨面上的旧痕迹 形成的 一层新的 均匀一致磨痕为止 在调换下一号砂纸时 应将试样上的磨屑和砂粒清理 干净 并转动 90 角 即与上一号砂纸磨擦的磨痕垂直 直到将上一号砂纸留下来的磨 痕全部消除为止 这样 依次经过五种砂纸的磨制后 形成磨面平整光滑 犹如镜面时 则细磨结 束 表表2 62 6 干砂纸编号和粒度尺寸干砂纸编号和粒度尺寸 编号 按粒度标号特定标号 磨料尺寸 微米 W40040 28 W280128 10 W200210 14 W140314 10 W100410 7 W7057 5 W5065 3 5 2 3 5 试样的抛光 金相试样经细磨后 磨面上仍然存在细微的磨痕及金属扰乱层 影响正常的组织 分析 因而必须进行抛光处理 以得到平整 光亮 无痕的金相磨面 本实验采用的 是机械抛光法 本实验采用的抛光机型号为 P 2 抛光时应在抛光盘上铺以细帆布 平 绒 丝绸等抛光织物 并不断滴注抛光液 在本次实验采用抛光液为氧化铬的细粉末 状磨料在水中形成的悬浮液 操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上 并且沿 着抛光盘的边缘到中心不断地作径向往复运动 同时使试样本身略加转动 使磨面各 部分抛光程度 致 并且可以避免出现 曳尾 现象 抛光液的滴入量以试样离开抛光 盘后 其表面的水膜在数秒钟内可自行挥发为宜 般抛光时间为 3 5min 待试样磨 面光亮无痕 其中石墨或夹杂物保留 且没有 曳尾 现象时 则抛光结束 根据上表可知 T10A 钢退火处理和正火处理均可采用 HRB 的硬度标尺 故采用 HRS 150 型数显洛氏硬度计测试 洛氏硬度是一种压入硬度试验 以测的深度大小表 示材料的硬度值 由于压痕较小 测得的数据不够准确 通常在试样不同部位测定三 点取其算术平均值 2 3 6 试样的浸蚀 抛光后的试样磨面是一光滑的镜面 在金相显微镜下只能看到非金属夹杂物 石 墨 孔洞 裂纹等 要观察金属的组织特征 还必须经过适当的浸蚀 使金属组织正 确地显示出来 本实验采用的是化学浸蚀法 化学浸蚀法是将抛光好的试样磨面在化 学浸蚀剂 常用酸 碱 盐的酒精或水溶液 中浸蚀或擦拭一定的时间 借助于化学 或电化学作用显示金属组织的方法 T10A 钢采用的浸蚀剂是 4 的硝酸酒精溶液 浸 蚀时 将试样磨面浸入盛有浸蚀剂的容器内 浸蚀适当时间后 本实验腐蚀时间大约 为 1s 等磨面发暗时停止浸蚀 然后迅速用清水冲洗干净 用无水酒精擦洗 最后用 吹风机吹干 2 3 7 显微组织的观察 在完成试样的浸蚀后 就可以在金相显微镜下观察试样的金相组织 本实验采用 的是 4XB 型金相显微镜 将浸蚀后的试样在金相显微镜下进行其组织的形态 特征及 组成进行分析 第第3 3章章 试验结果及分析试验结果及分析 3 1 实验结果 3 1 1 力学性能试验 试样在热处理后进行了硬度测试 试样等温球化退火后 测量其硬度值如下表 3 1 表所示 普通球化后试样的硬度值如下表 3 2 所示 表表 3 13 1 等温球化退火后试样的硬度值 等温球化退火后试样的硬度值 HRB 试样等温球化 退火工艺 加热温度 740 等温温度 690 随 炉冷至 520 后空冷 加热温度 760 等温温度 690 随 炉冷至 520 后空冷 加热温度 780 等温温度 690 随 炉冷至 520 后空冷 硬度值49 049 550 053 253 654 255 556 456 0 平均值49 553 756 0 表表 3 2 普通球化退火后试样的硬度值普通球化退火后试样的硬度值 HRB 试样普通球化退 火工艺 加热温度 740 随 炉冷至 520 后空冷 加热温度 760 随 炉冷至 520 后空冷 加热温度 780 随 炉冷至 520 后空冷 硬度值 HRB56 957 856 060 561 058 763 364 263 7 平均值 HRB56 960 063 7 从表 3 1 和表 3 2 中的试样的洛氏硬度值可以看出 T10A 钢试样等温球化退火 后的硬度低于同样加热温度的普通球化退火 这是因为等温球化退火在等温的时间里 碳化物核心能充分长成球化物 经等温球化退火和普通球化退火的 T10A 钢试样硬 度都随加热温度的升高而升高 这是因为加热温度较低时 奥氏体中残留有未溶碳化 物 且奥氏体的碳浓度很不均匀 缓冷时在高碳区可非自发形成碳化物核长大成球状 碳化物 或未溶碳化物直接长大形成球状珠光体 相反如果奥氏体化温度较高碳化物 溶解完全 奥氏体成分均匀 冷却时章程片状珠光体 3 1 23 1 2 金像组织试验 1 试样等温球化退火的组织分析 为了更好的了解 T10A 钢热处理后的组织 在进行热处理之后 T10A 钢的组织进行 了金相显微组织的分析 拍了显微组织图 如图 3 1 所示 其中图 3 1 a 是 T10A 钢 在 740 等温退火后放大 600 倍的显微组织图 从图上可以看到黑色部分和白色部分大 体分布均匀 白色部分占的比例大于黑色部分所占比例 其中白色部分为铁素体 黑 色部分为珠光体 图 3 1 b 为 T10A 钢在 760 等温退火后放大 125 倍的显微组织图 图 3 1 c 为 T10A 钢在 780 等温退火后放大 600 倍的显微组织图 a T10A加热温度740 600 b T10A加热温度760 600 b T10A 加热温度 780 600 图 3 1 T10A 钢等温球化退火后的组织 T10A 钢等温球化退火后的室温组织由铁素体和珠光体组成 且随着加热温度低的 式样球化率高 780 比 740 加热温度下的珠光体更粗大 2 试样普通球化退火的组织分析 图3 2所示为T10A钢在740 760 780 分别进行普通球化退火后的显微组织图 从图中可以看出 图3 2 a 为T10A在740 温度下普通球化退火后的组织 图 3 2 b 为T10A在760 温度下普通球化退火后的组织 图3 2 c 为T10A在780 温度下 普通球化退火后的组织 a T10A钢加热温度740 600X b T10A钢加热温度760 600X c T10A钢加热温度760 600X 图3 2 T10A钢普通球化退火后的组织 T10A钢普通球化退火后的室温组织由铁素体和渗碳体组成 在铁素体基体上均匀 分布着球状碳化物的球状珠光体 但得到的珠光体部分或全部呈片状 球化率不高 随着将热温度的升高珠光体的形状也更加粗大 3 相同加热温度下试样球化退火的组织分析 为了更好的了解不同球化退火工艺对T10A组织性能的影响本实验将相同温度下进 行的等温球化退火和普通球化退火所得到的组织进行分析比较 在图3 3中 图 3 3 a 为T10A钢等温球化退火后的组织 图3 3 b 为T10A钢等温球化退火后的组 织 加热温度为740 a T10A钢等温球化退火组织 600 b T10A钢普通球化退火组织 600 图 3 3 T10A 钢 740 球化退火后的组织 在图 3 4 中 图 3 4 a 为 T10A 钢等温球化退火后的组织 图 3 4 b 为 T10A 钢等温球化退火后的组织 加热温度为 760 a T10A钢等温球化退火组织 600 b T10A钢普通球化退火组织 600 图 3 4 T10A 钢 760 球化退火后的组织 在图 3 4 中 图 3 5 a 为 T10A 钢等温球化退火后的组织 图 3 5 b 为 T10A 钢等温球化退火后的组织 加热温度为 780 a T10A钢等温球化退火组织 600 b T10A钢普通球化退火组织 600 图 3 5 T10A 钢 780 球化退火后的组织 等温球化退火与普通球化退火后的组织相比 T10A 钢等温球化退火后的室温组 织由铁素体和珠光体组成 是在铁素体基体上均匀分布着球状碳化物的球状珠光体 球化率高 T10A 钢普通球化退火后的室温组织由铁素体和珠光体体组成 但得到的珠 光体部分或全部呈片状 球化率不高晶粒组织 3 4 等温球化退火和普通球化退火的综合分析及其实际应用 对 T10A 钢而言 等温球化退火和普通球化退火相比 二者的加热温度相同 但 等温球化退火经过保温阶段使细小碳化物趋于弥散 这样使得球化效果更好 因此 T10A 钢等温球化退火后组织中得珠光体呈球状 珠光体数量较多 且珠光体片间距较 小 由于等温球化后的组织较细 所以比完全退火状态具有较好的综合力学性能 正 火后钢的硬度略高于退火 因而其切削加工性能更好 一般地说钢的硬度在 180 220HBS 范围内时 切削加工性能最好 球化退化是碳素工热处理 是保证均匀淬火和防止淬裂以及淬 回火后 碳化物 分布均匀一致所不可缺少的 此外 球化退火有时也用于常温下进行塑性加工的碳素 结构钢和合金结构钢 球化退火在模具制造中的作用主要体现在以下几个方面 显著 提高钢的切削加工性由于切削加工费约占工模具制造费用的 80 故此项费用的节约 不应忽视 球化退火后的工具钢 碳化物细致均匀分布 使淬火后的韧度明显提高 可有效防止淬火变形及开裂 因为最剧烈的畸变都是发生在碳化物有变化的情况下 并可提高耐磨性 球化退火使奥氏体晶粒不易粗化 允许有较宽的淬火温度范围 如 Cr12 型钢淬火温度范围较窄 经球化退火后可得到一定改善 1 模具钢的球化退火缺陷 具钢 合金工具钢 高速工具钢和滚动轴承钢等淬火前必须进行的预备 模具钢球化退火常出现球化不完全的组织缺陷 其主要原因是 球化温度偏低 时间太短 片状碳化物未完全溶解 致使球化组织中出现一定比例的细层状珠光体 对已出现这种缺陷的钢件 应严格按工艺重新球化 2 滚动轴承钢的球化退火 滚动轴承钢具有较高的含碳量和含 Cr 量 其退火后具有与工具钢相同的金相组织 珠光体 碳化物 并常用于取代冷作模具钢 因此具有与工具钢相同的热处理特性 正火对改善粗大网状碳化物的作用 在模具钢中 对于过共析成分的碳素工具钢 如 T11 T13 和合金工具钢 CrMn CrWMn CrW5 等钢种 由于先共析碳化物往往沿奥 氏体晶界析出 呈网状分布 降低了钢的塑性和韧性 增大了脆性 同时给退火时珠 光体的球化以及淬火时加热温度的选择都带来了严重的影响 网状碳化物是钢件在锻 轧 后的堆冷或空冷时较慢冷却过程形成的 如果锻造 或轧制 时在两相区 800 900 之间停锻 或轧 此时先共析碳化物虽然沿奥氏体晶界优先析出 但形变 尚在继续进行 仍可将析出的网状碳化物破碎 这种办法由于影响锻锤 或轧机 的 生产率 通常形变的终止温度在 1000 右 生产上很难采用这一办法 另一办法是锻 或轧 后 将钢件散置并快速冷却 如在轧机的滚道上安置喷水圈或吹风快冷 若 采用热处理办法消除这种有害的网状组织 便是先正火除网后球化 因为正火能够使 晶粒细化并使网状碳化物固溶破断 从而有效地消除过共析钢中的二次碳化物 含渗 碳体 粗大网络 当加热到高于 Acm 点 Fe