合金钢热处理加热过程对组织和性能的影响

合金钢热处理加热过程对组织和性能的影响摘要：利用有限元分析软件ANSYS模拟40Cr钢热处理过程温度场与时间的变化关系。根据温度场的分布，合理的选择不同的加热温度和保温时间做热处理水淬实验，并打磨式样，通过金相组织观察比较不同热处理工艺对40Cr钢内部组织结构的影响。并结合冲击韧性试验、硬度试验及拉伸试验来获取40Cr钢的机械性能、物理性能、工艺性能等，从而通过热处理工艺改变金属表面或内部组织结构，达到优化金属性能的目的。通过实验表明，40Cr在850保温时间20min热处理所到的钢的性能最佳，其组织为回火索氏体，其强度、硬度及韧性等综合性能都处于较好的状态。过低的温度会导致淬火不均匀，有铁素体存在也会使硬度降低；温度过高又会使回火索氏体粗大，造成钢的综合性能降低。保温时间对组织性能也有影响，保温时间太短，回火索氏体的晶粒小，组织不均匀；保温时间太长，晶粒粗大，影响组织性能。关键词：ANSYS软件，合金钢，温度场模拟，加热过程IAlloysteelheatingprocessoftheheattreatmentinfluenceonorganizationandperformanceAbstract:ThroughthefiniteelementanalysissoftwareANSYSsimulationof40Crsteelheattreatmentprocessthechangesoftemperatureandtime.Accordingtothedistributionoftemperaturefield,thereasonablechoiceofdifferentheatingtemperatureandholdingtimeforwaterquenchingtest,heattreatmentandgrindingstyle,byobservationofmicrostructureof40Crsteelofdifferentheattreatmentprocessaretheinfluenceoftheinternalorganizationstructure.Combiningwiththeexperimentsofimpacttoughness,hardnesstestandtensiletestfor40Crsteelmechanicalproperties,physicalproperties,processperformance,etc.,thuschangingthemetalsurfacebyheattreatmentprocessorinternalorganizationalstructure,tooptimizetheperformanceofmetal.Experimentsshowthat40Cr20minheattreatmentat850heatpreservationtimetotheoptimumpropertiesofsteel,itsorganizationistemperedsorbite,itscomprehensiveperformancesuchasstrength,hardnessandtoughnessisingoodcondition.Toolowwillcauseunevenquenchingtemperature,presenceofferritewillalsolowerthehardness,hightemperatureandcanmakethetemperingsorbitebulky,whichreducesthecomprehensiveperformanceofsteel.Alsohaveanimpactontheperformanceoforganization,timeofheatpreservationheatpreservationtimeistooshort,temperedsorbiteofsmallgrains,organizationisnotuniform,theholdingtimeistoolong,coarsegrains,affectorganizationalperformance.Keywords:ANSYSsoftware,Alloysteel,Temperaturefieldsimulation,HeatingprocessII目录1前言.12ANSYS热分析.32.1ANSYS软件介绍.32.1.1热分析的基本符号及单位.32.1.2热分析的目的.52.2实验求解.62.2.1建模方案.62.2.2操作过程.62.3结果分析.72.3.1各时间点的温度场分布.72.3.2各点随温度的变化.102.4本章小结.12340Cr钢的热处理参数的确定.133.1合金钢的分类与编号.133.1.1合金钢的分类.133.1.2合金钢编号方法.143.240Cr钢的化学成分及组织性能.143.2.140Cr钢的化学成分及各合金元素对钢的作用.143.2.240Cr钢的组织性能.153.340Cr钢热处理.163.3.1加热温度的确定.163.3.2回火温度的确定.163.3.3保温时间的确定.173.4本章小结.19440Cr钢热处理后的组织与性能.194.1热处理实验.214.2实验设备.214.3实验材料.204.4实验步骤.214.5结果与分析.214.5.1金相组织.224.5.2硬度试验.254.5.3拉伸试验.274.6本章小结.28结论.29参考文献.31致谢.3201前言合金钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用合金钢材是在19世纪后半期。20世纪20年代以后，由于电弧炉炼钢法被推广使用，为合金钢的大量生产创造了有利条件。第二次世界大战以后至60年代，主要是发展高强度钢和超高强度钢的时代，由于航空工业和火箭技术发展的需求，出现了许多高强度钢和超高强度钢新钢种。60年代以后，许多冶金新技术，特别是炉外精炼技术被普遍采用，合金钢开始向高纯度、高精度和超低碳的方向发展，又出现了马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢等新钢种。合金钢一直从19世纪沿用至今，其在工业发展中的重要性是巨大的。40Cr钢是常用的合金钢之一，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，既具有良好的综合机械性能；可用来制造汽车的连杆、螺栓、传动轴及机床的主轴等零件1。但是在实际的生产应用中，人们对合金钢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，以节约机械加时的刀具消耗和提高劳动生产率；为使零件减少磨损，延长使用寿命，就要求其较高的硬度等。为满足这些性能要求，除了合理的选用材料外，还要进行热处理，这样才能充分发挥合金钢的性能特点。由此可见，热处理在机械制造业中占有十分重要的地位2。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类3。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。ANSYS有限元分析软件可以模拟合金钢加热过程温度场与时间的变化关系。在ANSYS有限元分析软件在热分析过程中，很好地结合了材料变温过程材料热物性参数的变化，特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算4。通过利用ANSYS有限元分析软件对几何外形复杂的40Cr钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟，得到了零1件温度随淬火时间的分布关系，模拟结果与实际过程一致，且运算速度较快，适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化，并为精确计算淬火过程中的热应力，残余应力做好了准备工作5。本文采用有限元分析法和实验操作相结合的方法，利用ANSYS软件对40Cr钢热处理加热过程的温度场进行模拟，分析工件在不同时间的温度分布情况以及各个部分在热处理加热过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件热处理后获得优良的性能提供一定的依据。22ANSYS热分析2.1ANSYS软件介绍ANSYS公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授JohnSwanson博士于1970年创立并发展起来的，总部设在美国宾西法尼亚州的匹兹堡，是目前世界CAE行业中最大的公司。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC机到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热-结构耦合、磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合，在PC机上生成的模型同样可运行与巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解6。ANSYS10.0热分析基于能力守恒原理的热平衡方程，用有限元计算各个节点温度，从而导出其他物理参数。ANSYS10.0热分析分类主要有两大类即稳态传热和瞬态传热。稳态热分析是温度分布不随时间变化，而瞬态热分析是温度分布场随时间发生明显的变化。无论是稳态热分析还是瞬态热分析，均可将ANSYS10.0热分析分为3个步骤：（1）前处理：建模。（2）求解：施加载荷计算结果。（3）后处理：查看结果。2.1.1热分析的基本符号及单位ANSYS软件使用时单位必须统一，如果单位不统一，最后的分析结果就千差万别，给研究带来不必要的麻烦7。具体的基本单位如表2.1所示。3表2.1热分析基本单位项目国际单位英制单位ANASYS代号长度mft时间sS质量Kg1bm温度力N1bf能量（热量）JBTU功率（热流率）WBTU/sec热流密度W/mBTU/sec-ft生热速率W/mBTU/sec-ft导热系数W/m-BTU/sec-ft-KXX对流系数W/m-BTU/sec-ft-HF密度Kg/m1bm/ftDENS比热J/Kg-BTU/1bm-C焓J/mBTU/ftENTH注：在热分析中，摄氏度和华氏摄氏度换算关系为1=5/9（-32）从上表可以对应出ANSYS软件中要用到符号的含义，同时对于单位不统一的要进行单位换算，否则将出现错误的结果。具体的单位换算表如表2.2所示。4表2.2热分析单位换算表2.1.2热分析的目的热分析的目的是分析一个系统或某些部件的温度场分布和某些其它热物理量参数，如热量的得失、热量梯度、热流的密度（热通量）等，热分析对于很多生产和研究都非常重要8。换算系数物理量符号国际单位制单位英制单位Pa1bf/in11.4503810-4压力p6.8947b101Kj/(kgK)Btu/(1b)12.3884610-1比热容c4.186801WBtu/s13.41208热流率（功率）Q2.9307610-11W/mBtu/（sft）13.1699310-1热流密度q*3.154641W/(mk)Btu/(sft)1.730765.7778110-1热导率1.730761呂W/(m.K)111.7610810-1表面传热系数hf5.67832152.2实验求解2.2.1建模方案40Cr钢热处理加热过程属于瞬态热传导问题。这里取40Cr钢热处理试样为圆柱体，设圆柱体底面半径R=8mm，高h=12mm。因为该40Cr钢热处理试样为圆柱体，为轴对称模型，所以可以取圆柱体的一旋转面建立一个二维模型，从而使模拟过程得以简化。2.2.2操作过程（1）材料性能材料在不同的温度中，其导热系数和比热容是变化的。所以在输入数据时必须考虑这两个因素的影响。具体的40Cr钢的相关热物性参数如表2.3。表2.340Cr钢热物理参数T/cp/J.(kg.)/W.(m)-058018.9040075628.3580084031.08100082032.72150075641.50注：40Cr钢随密度随温度的变化不大，故取为定值7900kg.m-3（2）按照建模方案中所述，建立圆柱体模型。然后划分网格。见图2.1。（3）加载求解设定初始温度为20，由于40Cr钢的淬火温度范围为830860，所以最终温度取为850。施加外边界条件时设定空气对流热系数为100。时间步长设为1s，6最终时间为900s。图2.1有限元模型2.3结果分析2.3.1各时间点的温度场分布依次观察30s、60s、400s、600s、800s的温度分布图。如图2.1、2.2、2.3、2.4、2.5所示。根据图2.2、2.3、2.4、2.5、2.6温度分布图可以看到，40Cr钢试件加热过程中外部先受热。刚开始阶段试件内外温差较大，随着时间的增加，温差逐渐减小。到600秒的时候内外温差1左右，之后到800秒的时候可以看到工件已经受热均匀，内外几乎没有温差。7图2.2第30秒40Cr钢圆柱体旋转面的温度分布图（单位：）8图2.3第60秒40Cr钢圆柱体旋转面的温度分布图（单位：）图2.4第400秒40Cr钢圆柱体旋转面的温度分布图（单位：）9图2.5第600秒40Cr钢圆柱体旋转面的温度分布图（单位：）图2.6第800秒40Cr钢圆柱体旋转面的温度分布图（单位：）2.3.2各点随温度的变化在有限元模型上取关键点温度随时间变化的曲线图，关键点坐标取为K1（0,0）、K2（0.008,0.002）、K3（0.005,-0.003）、K4（0.004，0）如图2.1所示。依次获取各点的温度变化曲线。如图2.7、2.8、2.9、2.10所示。从上面K1、K2、K3、K4点温度随时间的变化曲线图可以知道，各个点温度随时间的变化趋势相近。在前400s时温度随时间快速上升，400s之后温度变化比较平缓，700s时几乎已经到达了预设的温度。10图2.7中心点K1温度随时间变化的曲线图（TIME单位：s，VALU单位：）11图2.8K2温度随时间变化的曲线图（TIME单位：s，VALU单位：）图2.9K3温度随时间变化的曲线图（TIME单位：s，VALU单位：）图2-9K4温度随时间变化的曲线图12图2.10K4温度随时间变化曲线图（TIME单位：s，VALU单位：）2.4本章小结由上述实验过程可知，采用有限元分析方法，利用ANSYS软件40Cr钢热处理加热过程的分析是很方便的，通过这样的方法可以了解工件在加热过程中各点温度在各时间的情况，还可以分析工件整体在加热过程中的温度变化情况，从而为分析热处理后续过程的温度分布、应力分布等情况提供依据，最终可以调整热处理工艺，使工件经热处理后获得优良的使用性能9。13340Cr钢的热处理参数的确定3.1合金钢的分类与编号3.1.1合金钢的分类（1）按合金元素总的质量分数分类a低合金钢(w5%）b.中合金钢(w5%10%）c.高合金钢（w10%）（2）按钢中元素种类分类a.锰钢b.铬钢c.硼钢d.铬镍钢e.铬锰钢（3）按用途分类a.合金结构钢b.合金工具钢c.特殊性能钢（4）按正火后组织分类a.铁素体刚b.奥氏体钢c.莱氏体钢3.1.2合金钢编号方法（1)低合金高强度结构钢，其牌号由代表屈服点的汉语拼音字母（Q）、屈服极限数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列。（2）合金结构钢，其牌号由“两位数字十元素符号+数字”三部分组成。前面两位数字代表平均含碳量的万分之几，元合金元素后面的数字表示合金元素的平均含量，一般以百分十几表示，合金元素的平均质量分数w1.5%时，牌号中一般只标明元素而不标明数值；当平均质量分数1.5、2.5、3.5%，时，则在合金元素后面相应地标出2，3，4，。（3）铬滚动轴承钢，其铬滚动轴承钢牌号由GCr+数字组成，数字表示铬含量平均值的千分之几10。（4）合金工具钢，其合金工具钢的编号原则与合金结构钢大体相同，所不同的只是含碳量的表示方法不同。14（5）不锈钢与耐热钢，其不锈钢与耐热钢（珠光体型耐热钢除外）的牌号由“数字+合金元素符号+数字”组成。通常，前面的两位数字表示平均含碳量的万分之几。3.240Cr钢的化学成分及组织性能3.2.140Cr钢的化学成分及各合金元素对钢的作用40Cr钢中合金元素有Si，Mn，Cr，Ni，P，S等，其中Si，Mn，Cr含量较多，Ni，P，S含量较少，具体的含量见表3.1。表3.140Cr钢的化学成分CSiMnCrSPNiCu0.370.450.170.370.500.800.801.100.0300.0300.250.030由上表可以看出，40Cr钢中有多种合金元素，每种合金元素对合金钢的组织性能都有一定的影响。铬（Cr）：在结构钢40Cr钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。硅量增加，会降低钢的焊接性能。锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。在钢中加入0.70%以上时，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和15韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。3.2.240Cr钢的组织性能从铁碳合金相图上看，40Cr钢属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为组织为铁素体+珠光体；从钢的分类来看，40Cr钢属于低淬透性调质钢，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，既具有良好的综合机械性能；40Cr钢应用十分广泛，可用于制造汽车、拖拉机上的连杆、螺栓、传动轴及机床主轴等零件1。40Cr钢热处理前的力学性能如表3.2所示。表3.240Cr钢热处理前力学性能抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%断面收缩率/%冲击功/J980785945473.340Cr钢热处理热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。其目的是改变钢的内部组织结构层，以改善其性能。通过适当的热处理可以显著提高钢的力学性能，延长机器零件的使用寿命。热处理通常是由加热、保温和冷却三个阶段组成。钢的热处理过程，大多数是首先把钢加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却以获得所期望的组织和性能。研究钢在加热时的组织转变规律，控制加热规范以改变钢在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、保证热处理产品质量有重要意义11。3.3.1加热温度的确定1640Cr钢属于中碳合金结构钢，同时又是调质钢。调制钢的热处理是淬火加高温回火。40Cr钢属于亚共析钢，其淬火温度是将钢加热至临界点Ac3以上3050。首先，合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。非碳化物形成元素Co和Ni能提高碳在奥氏体中的扩散速度，故加快了奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中扩散能力影响不大。而Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速度，故大大减慢奥氏体的形成速度。其次，合金元素改变了碳的临界点和碳在奥氏体中的溶解度，于是就改变了钢的过热度和碳在奥氏体中的扩散速度，从而影响奥氏体的形成过程12。此外，钢中合金元素在铁素体和碳化物中的分布是不均匀的，在平衡组织中，碳化物形成元素集中在碳化物中，而非碳化物形成元素集中在铁素体中。因此，奥氏体形成后碳和合金元素在奥氏体中的分布都是极不均匀的。所以在合金钢中除了碳的均匀化以外，还有一个合金元素的均匀化过程。在相同条件下，合金元素在奥氏体中的扩散速度远比碳小得多，仅为碳的万分之一到千分之一。因此，合金钢的奥氏体均匀化时间要比碳钢长得多13。在制定合金钢的加热工艺时，与碳钢相比，加热温度要高，保温时间要长。根据铁碳合金相图（图3.1）可以确定其淬火温度为850。随着热处理工艺参数的改变，热处理后40Cr钢的组织和性能相应改变。比如改变加热温度、保温时间和冷却速度等的改变，热处理后所得到的组织变化主要集中在组织粗细和组织类型两个方面，二者的改变是其性能改变的根本原因。显微组织越细，材料的综合性能越好。显微组织类型直接决定其综合力学性能。本实验就是为了研究不同加热温度下水淬后合金钢组织及力学性能的变化，所以将淬火的温度分别定为750、850、950。3.3.2回火温度的确定回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺工程。回火的只要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。根据工件的组织和性能要求，回火可分为低温回火、中文回火和高温回火等几种。1740Cr钢属于中碳结构钢，适于采用高温回火。高温回火温度约为500650，回火组织为回火索氏体。这里选择回火温度为620。回火保温时间应保证工件各部分温度均匀，同时保证组织转变充分进行，并尽可能降低或消除内应力。生产上一般工件的回火时间为12h，这里取保温时间为1h。图3.1铁碳相图铁碳相图上有三条水平线，即HJB-包晶转变线；ECF-共晶转变线；PSK-共析转变线。根据40Cr钢的含碳量可以知道其属于亚共析钢，亚共析钢的诗文组织均由铁素体和珠光体组成。18根据铁碳相图合金组织特征，可以将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：（1）工业纯铁Wc0.0218%（2）共析钢Wc=0.77%（3）亚共析钢Wc=0.0218%0.77%（4）过共析钢Wc=0.77%2.11%（5）共晶白口铁Wc=4.3%（6）亚共晶白口铁Wc=2.11%4.3%（7）过共晶白口铁Wc=4.30%6.69%3.3.3保温时间的确定钢在加热到Ac1以上某一温度保温时，奥氏体并不立即出现，而是保温一段时间后才开始形成，所以一定要把握好保温时间。奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般来说，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性越高。但是奥氏体化温度过高或是高温下保温时间过长，将使钢的奥氏体晶粒长大，显著降低钢的冲击韧度、减少裂纹扩展功和提高脆性转折温度。此外，晶粒粗大的钢件，淬火变形和开裂倾向增大。尤其当晶粒大小不均匀时，还显著降低钢的结构强度，引起应力集中，易于产生脆性断裂14。所以对于温度的选择应该认真研究。根据淬火保温时间公式T=KD,其中D为工件有效厚度，K为加热系数1.5-2min/mm,为加热系数。可选保温时间20min、40min、60min。3.4本章小结研究40Cr钢的目的是找到提高其综合性能的途径，所以要研究不同加热温度和保温时间下水淬后的合金钢的组织和力学性能的变化。所以加热温度和保温时间的确定是本章的重点。19440Cr钢热处理后的组织与性能40Cr钢是一种低淬透性调质钢，也是我国目前应用最广泛的合金调质钢。在生产应用中，对40Cr钢的硬度、抗拉强度、韧性等都有要求，这就涉及到热处理参数的选择。本文就是通过不同的热处理工艺对40Cr钢进行处理，使其获得不同的组织，进而改善其综合的力学性能。4.1热处理实验淬火是将钢件加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度冷却得到的马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。40Cr钢属于调质钢，热处理工艺应选淬火加高温回火，可以得到强韧结合的优良综合力学性能15。回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。热处理实验就是将试件分做75020min、85020min、85040min、85060min和95020min淬火，水淬后做62060min高温回火。本次毕业设计共有12个试件，其中6个拉伸试件，6个冲击韧性试件。分别通过75020min、85020min、85040min、85060min和95020min热处理（表4.1），并水淬处理。之后在620温度下进行高温回火。然后打磨试件，通过金相组织观察比较不同方案对40Cr钢组织性能的影响。并结合冲击韧性试验、硬度试验来获得40Cr钢的机械性能、物理性能、工艺性能等。并对热处理过的拉伸试件进行拉伸试验。20表4.140Cr钢的热处理工艺4.2实验设备加热炉、砂纸、抛光机、吹风机、金相显微镜、棉球、洛氏硬度装置、布氏硬度装置、拉伸试验机、冲击试验机。4.3实验材料40Cr钢试件12个、4%硝酸酒精溶液、无水乙醇。4.4实验步骤第一，将三组试件分别加热到750、850、950，并保温20min，之后水淬。第二，将剩下的两组试件在850的炉子中分别保温40min、60min，之后水淬。试样标号淬火/时间/min冷却方式回火/时间/min冷却方式175020285020385040485060595020水淬62060空冷21第三，将水淬后的试件进行620的回火，并保温60min，空冷。第四，打磨试样，在显微镜下观察金相组织。第五，做硬度、拉伸实验，分析各组的力学性能。4.5结果与分析4.5.1金相组织对经过热处理后的试样进行打磨、抛光，并在显微镜下观察各组的金相组织。其中750、850、950保温时间20min热处理后的金相组织分别见图4.1、4.2和4.3。图4.1750淬火+高温回火后的显微组织22图4.2850淬火+高温回火后显微组织图4.3950淬火+高温回火后显微组织由图4.1、4.2、4.3可以观察到750热处理温度下形成回火索氏体和铁素体组织，在索氏体之间有白色的铁素体存在。750并没有达到正常淬火温度，加热后转变为铁素体和奥氏体，水冷得到组织为铁素体和马氏体，回火过程中马氏体分解变成索氏体，而铁素体不变被保留下来。此时的材料性能不能达到要求，不是理想状态。850是40Cr钢正常的淬火温度，得到的组织是回火索氏体。此时的索氏体分布均匀，晶粒大小适中，没有粗大或过小现象，40Cr钢具有良好的机械性能，强度和硬度都达到要求，韧性也合格，综合性能很好16。950淬火时，由于温度过热得到粗大的回火索氏体组织。很高温度淬火容易造成工件变形，甚至开裂，冲击韧性很低。粗大的回火索氏体使材料的机械强度降低，韧性降低。此淬火温度不适宜，23无法得到正常的回火索氏体，材料经此处理后并不具备良好的机械性能和使用性能。850保温时间20min、40min、60min热处理后的金相组织图分别见4.2、4.4和4.5。图4.4保温40min淬火+高温回火后显微组织24图4.5保温60min+高温回火后显微组织根据图4.2、4.3、4.4分析，在850热处理条件下随着保温时间的增加，回火索氏体晶粒不断变大。20min的时候晶粒大小均匀，此时已经没有铁素体了。在40min的条件下晶粒有所长大，但不是很明显，分布更加均匀，与20min相比组织的变化不大。到了60min的时候回火索氏体已经很明显的长大，此时的回火索氏体颗粒粗大，分布也不均匀，这个直接影响合金钢的性能17。总体来说850是40Cr钢钢正常的淬火温度，这是淬火的最佳状态，由于得到的组织是回火索氏体，此时40Cr钢钢具有良好的机械性能，强度和硬度都达到要求，韧性也合格，综合性能很好。4.5.2硬度试验硬度是工程实践中应用最多的一种力学性能指标。硬度试验方法很多，这里主要用到的方法是压入法中洛氏硬度。（1)原理：以一定形状的压头压入金属表面，测量压痕深度，以无量纲的深度表示材料的硬度值。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加初始试验力F0，在试样表面得一压痕，深度为h1.此时，测量压痕深度的指针在表盘上指零。然后加上主试验力F1，压头压入深度为h，表盘上指针以逆时针方向转动到相应刻度位置。试样在F1作用下产生的总变形h包括弹性变形和塑性变形，当将F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（h-h1）,这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度，而指针顺时针方向转动停止时所指的数值就是洛氏硬度值18。试验所用的压头有两种：一种是圆锥角=120的金刚圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。（2）优点：1.操作简便、迅速，硬度可直接读出；252.压痕较小，可在工件上进行试验；3.采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和薄厚不一的试样的硬度（3）缺点：1.压痕较小，代表性差；2.若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；3.用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。（4）选择：主要用于热处理质量检测，由于洛氏硬度试验所用试验力较大，不能用来测定较薄试样、渗氮层及金属镀层等表面层的硬度。基于对上述硬度测试方法的比较，可以确定处理前的试件应采用布氏硬度方法来测，热处理后的试件应该用洛氏硬度。处理过的洛氏硬度值可见表4.2和4.3。表4.2不同加热温度保温20min后热处理硬度数据热处理点1的硬度/HRC点2的硬度/HRC点3的硬度/HRC平均硬度/HRC75020min16.616.918.017.285020min32.330.831.731.695020min21.522.622.122.1从表4.2可以看出，850的时候硬度最高，950次之，750条件下硬度最低。说明750的加热温度不够高，其组织中有铁素体存在，这将影响组织的硬度，所以钢的硬度达不到预想的要求，其结果明显低于850条件下的钢的硬度。而950的条件下由于温度过高，回火索氏体晶粒长大，晶粒粗大容易降低钢的结构强度。850淬火是在Ac3以上3050的区间内进行，是其的淬火最佳温度，得到的都是回火索氏体，而且此时的回火索氏体以得到均匀化，而又不至于晶粒长得粗大，所以钢的硬度是最好的。表4.3同一加热温度不同保温时间后热处理硬度数据热处理点1的硬度点2的硬度点3的硬度平均硬度26/HRC/HRC/HRC/HRC85020min32.330.831.731.685040min26.924.325.225.585060min21.623.422.922.6根据表4.3的结果数据可以分析出，850的20min条件下硬度最好，依次是40min、60min。可见在20min的保温时间晶粒已经得到了细化，奥氏体化比较均匀，硬度相对来说也高。在40min和60min的保温时间下，回火索氏体晶粒长大，晶粒粗大，这可以导致淬火时试件变形和增加试件开裂倾向，所以硬度都有所降低。4.5.3拉伸试验拉伸试验原理是夹持均匀横截面两端，用拉伸力将试样沿轴向拉伸，一般拉至断裂为止，通过记录力位移曲线测定材料的基本拉伸力学性能。实验试件标长50mm，圆珠直径为10mm的短比例试件。热处理后的拉伸数据见表4.4和4.5。表4.4不同加热温度保温20min热处理后的拉伸数据从实验结果可以看出850的屈服和抗拉强度都优于其他两组，而断裂强度过低，主要是由于拉伸的时候拉伸速度过快，导致断面没有来得及收缩就断了，断面面积过大，直接影响断裂强度19。750的时候由于温度过低，钢未完全淬透，奥氏体热处理伸长量/mm最小直径/mm延伸率断面收缩率屈服载荷/N断裂载荷/N屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断裂强度/MPa75020min186.300.360.3703800062000484790198785020min159.100.300.0907100077000904980118595020min109.400.200.10064600750008239551086未处理196.480.380.3524900069800624889211527化不均匀，所以钢的强度不好，但是此时有铁素体存在，可以提高合金钢的韧性。而950由于温度过高，回火索氏体粗大，影响钢的强度，但是总体来说强度比850下降的不多。表4.5同一加热温度不同保温时间热处理后的拉伸数据热处理伸长量/mm最小直径/mm延伸率断面收缩率屈服载荷/N断裂载荷/N屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断裂强度/MPa85020min159.100.300.0907100077000904980118585040min177.140.340.2867000078000892994195085060min168.600.320.14070500770008989801328根据实验数据来看，当保持其他变量不变化时，保温时间为20min时，40Cr的综合力学性能较好。当保温20min时，能得到组织均匀、晶粒大小适合的回火索氏体，它具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度，综合力学性能较好，故其性能最好；当保温时间为40min时，得到的组织晶粒明显大于20min时，粗大的晶粒影响试件的综合性能；当保温60min时，组织粗大，各项性能指标都处于较低的状态20。4.6本章小结本章通过对40Cr钢的热处理实验，观察金相组织，并结合硬度试验、拉伸试验和冲击试验来进行对比。通过各个实验，可以看出40Cr在850保温20min热处理的条件下各性能得到了适当配合21。加热温度过低会导致淬火不均匀，有残留铁素体存在，影响试件的组织和性能。而加热温度过高会使回火索氏体晶粒粗大，使试件的硬度、强度都有所下降。28结论热处理是机械零件加工工艺过程中的重要环节，通过恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。本次毕业设计是通过控制热处理变量，即加热温度和保温时间来分析热处理工艺对40Cr钢组织和性能的影响。对实验结果对比分析可以得到下面的规律：40Cr钢的热处理工艺中加热温度不能太高，但也不宜过低，850附近最好；保温时间对其组织性能的影响也是很大的，太长的保温时间容易造成晶粒粗大，直接影响其组织性能。通过对ANSYS软件的模拟学习，可以快速方便的模拟出40Cr钢热处理过程。这样的方法能够了解工件在加热过程中各个温度在各时间的情况，还可以分析工件整体在加热过程中的温度变化情况，从而为分析热处理后续过程的温度分布情况提供依据。在毕业设计过程中，通过查阅资料发现，许多科学工作者在研究钢的热处理工艺时，其影响变量除了加热温度和保温时间之外还有加热速度和冷却速度以及冷却方式，这也是我进行试验所欠缺的。只要对所有的影响热处理工艺的参数进行分析对比，才能得到更完整的结论。由于本次试验时间和条件的限制，所以没有研究更多的影响因素，希望自已能在以后的工作中继续研究分析。29参考文献1崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理M.北京：机械工业出版社，2007.2王金龙，王清明，王伟章.ANSYS12.0有限元分析与范例解析M.北京：机械工业出版社，2010.43ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用J.冶金能源，2004（05）4钢件淬火过程温度场的数值模拟J.热加工工艺技术与材料研究，2008（11）5淬火过程数值模拟研究进展J.兵器材料科学与工程，1999（03）6那顺桑，李杰，艾立群.金属材料力学性能M.北京：冶金工业出版社，2011.7745钢零件淬火过程温度场分布的