T8钢热处理工艺及组织性能研究

T8钢热处理工艺及组织性能研究摘要：本次实验主要研究热处理工艺对T8钢力学性能的影响。通过制定不同热处理工艺方案，分别研究球化退火以及不同的回火温度对T8钢力学性能的影响。实验中采用180、200和240回火温度作为实验中的变量，观察热处理后T8钢显微组织结构和晶粒的粗细程度。另外为了解球化退火对T8钢力学性能的影响，试验中加入球化退火的热处理，以探究退火条件下对钢力学性能的提升程度。结果表明：淬火工艺钢的显微组织含有饱和碳的马氏体和奥氏体，因马氏体较多，所以钢硬度较高；低温回火后，其组织结构主要含有细小的回火马氏体，晶粒较细，提高了钢的韧性。关键字：T8钢，热处理，力学性能，显微组织T8steelheattreatmentprocessandorganizationalperformanceresearchAbstract：ThisexperimentstudiedthemicrostructuresandpropertiesofT8steelthroughdifferentheattreatmentprocess.Bysettingdifferentprocessofheattreatmentscheme,studiedontheeffectofthedifferenttemperingtemperaturesonthemechanicalpropertiesofT8steel.Experimentswith180,200and240temperingtemperatureasvariablesintheexperiment,observationofT8steelmicrostructurestructureandthedegreeofthicknessofgrainafterheattreatment.InordertounderstandtheinfluenceoftheannealingonthemechanicalpropertiesofT8steel,theheattreatmentoftheballisaddedinordertoexploretheimprovementofthemechanicalpropertiesofthesteelundertheconditionofannealing.ResultsshowthatThemicrostructureofthequenchedsteelcontainsalotofmartensiteandaustenite,whichismoreandmorehigh,sothehardnessofthesteelishigher.Bylowtemperaturetempering,themicrostructureofthestructuremainlyincludesfinetemperedmartensite,finegrainsize,andthetoughnessofthesteel.Keywords:T8steel,heattreatment,mechanicalproperties,microstructure目录1前言11.1研究的目的和意义11.2国内外研究进展11.3研究内容31.4本章小结42实验过程52.1热处理工艺制定52.1.1热处理工艺基础52.1.2热处理工艺过程62.1.3T8钢热处理工艺过程72.2试样制备和显微组织观察82.3材料力学性能测定92.3.1硬度测定实验92.3.2材料冲击韧性的测定112.3.3材料拉伸试验142.4本章小结153实验结果与分析173.1显微组织观察与分析173.2硬度测定结果分析233.2.1实验数据233.2.2数据分析233.3材料冲击韧性分析243.3.1实验数据243.3.2数据分析24I3.4材料拉伸实验结果与分析253.5本章小结294结论31参考文献32致谢3301前言1.1研究的目的和意义钢，可以说是现代物质社会的基础。中华人民共和国国家标准GB/T13304-91钢分类描述：“以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。”严格的说，钢是含碳量在0.0218%2.11%之间的铁碳合金。为了保证钢铁的塑韧性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢铁材料是工业中应用最广，用量最多的金属，其具有许多品种，力学性能也千差万别。T8钢的含碳量为0.75%0.84%，是一种平均含碳量为0.8%的高碳钢。含Si：0.35%；Mn：0.40%；P:0.035%；S0.030%，按冶金质量分类是一种优质钢。按用途分类T8钢是一种工具钢。含碳量的高低决定金属的焊接性，T8钢属于高碳钢，含碳量较高，导热性能较差，引起加热区和未加热区存在的温差较大。当冷却速度过快时，由于存在温差易产生裂缝；其次高碳钢对淬火温度变得更加敏感，临近裂纹区，易产生马氏体组织。由于焊接高温的影响，晶粒长大过快，碳化物易在晶界上集聚，使焊接接头强度变低1。高碳钢焊接时更容易比中碳钢产生裂纹。目前T8钢主要用作需要具有较高硬度和耐磨性的各种工具，如形状简单的刃具、模具，但是韧性低，不易制作承受较大载荷的工具。T8钢由于含碳量较高，过剩碳化物极多，如果采用的热处理工艺不合适，在服役早期易出现开裂和破碎的现象。通过对T8钢热处理的温度、保温时间、冷却介质等因素的研究，以及材料显微组织的观察，测定材料力学性能，从而确定合理的热处理工艺流程。这就极大地防止了失效现象的发生，从而提高设备的使用寿命。1.2国内外研究进展辽宁科技大学材料与冶金学院，中国科学院金属研究所通过热处理试验，研究了T8钢组织和性能随球化退火时间、淬火温度及回火温度的变化。结果表明:T8钢在600球化退火2h后，原始组织中的碳化物即可获得充分球化，以粒状形式细小均匀地分布在基体中，延长退火时间不显著改变碳化物的球化1效果；试样经(77010)保温，6min油淬后，获得的隐晶马氏体组织硬度最高，试样经180210回火1h空冷后，消除了淬火过程中产生的残余应力，最终获得有球状碳化物均匀分布的隐晶马氏体组织，回火试样硬度较淬火态略有下降2。内蒙古科技大学材料与冶金学院研究发现:T8钢中珠光体表面浮凸效应常被作为马氏体或贝氏体相变特征讨论对预先抛光3mm厚的T8钢试样进行真空热处理，加热到1050,保温40min炉冷。随后分别用Quanta-400型环境扫描电镜、Nanofirst-100扫描隧道显微镜和光学显微镜，对未浸蚀的试样观察分析，接着对试样进行腐蚀，进行金相分析。结果表明片状珠光体存在表面浮凸效应,并且呈型3。从而说明表面浮凸是奥氏体向珠光体转变时比容增加，体积膨胀的结果。同时通过对马氏体性和机制的研究，学术界普遍认为马氏体相变机制是切变机制,但与实际基本上不符。从理论分析和实验观察两方面综合论证了切变机制的缺陷指出:(1)表面浮凸是相变体积膨胀所致，不具备切变特征，表明切变机制缺乏实验依据；(2)马氏体相变驱动力不足以克服相变阻力。切变消耗的切变能量太大，达208320103J/mol远大于相变驱动力；(3)马氏体相变晶体学形核模型和切变长大模型均难以解释实验现象。并且进一步探讨了新机制，指出马氏体相变是原子集体、协同的、无扩散的热激活跃迁位移，在此过程中马氏体中产生极高的位错密度，与奥氏体保持半共格4。新的机制符合热力学条件，在晶体学、形态学上都可解释实验现象。早在1891年,美国冶金学家发表的专著认为:钢中随着碳含量的增加,塑性下降,含碳()10%17%的钢拉伸时的伸长率只有2%3%,主要原因是过共析钢中随着含碳量的增加,脆性的先共析网状碳化物增多增厚的缘故所致。超高碳钢(Ultrahighcarbonsteels简称为UHCS)是指含碳量为1.0%2.1%的过共析钢,具有高的超塑性和良好的综合力学性能5。通过深入了解国外超高碳钢的研究成果，超塑性及超塑处理工艺、合金元素的作用、力学性能及层状复合超高碳钢特点，提出了超高碳钢的研究方向,为以后研究提供理论依据。1.3热处理工艺应用2生产中金属工件具有理想的物理、化学和良好的力学性能，除了选用合理的成型工艺和材料外，热处理往往也具有至关重要的作用。钢铁的显微组织比较复杂，但在机械工业中应用却非常广泛。通过热处理工艺可以对其进行控制，从而满足生产中的需要。热处理的目的是改变钢内部结构，改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，进而延长机器零件的寿命。选择合理的热处理工艺不仅可以强化材料，而且可以挖掘材料性能潜力、降低机构重量、节省能源降低成本6。材料的热处理一般包括：正火，退火、淬火、回火四部分。而每一种热处理工艺的作用以及应用范围也是不一样的。正火工艺在消除工件生产过程中产生的开裂等过热缺陷的同时，对组织也有细化晶粒的作用，这也提高了材料力学性能。钢的退火工艺根据临界温度的不同，包括不同的类型。临界温度在Ac1或Ac3以上的退火有扩散退火、均匀化退火、不完全退火、完全退火、球化退火；在临界温度下的工艺包括去应力退火和再结晶退火。T8钢作为一种共析钢，适合采用球化退火的工艺。通过球化退火降低了钢的硬度，提高了塑性和切削加工性能。碳钢的淬火加热温度一般由铁碳合金相图决定的。由于存在高硬度的渗碳体和马氏体就能保证高的硬度和耐磨性7。淬火工艺应用最为广泛，其在机械制造业，化学与化工业、航空业都有应用。淬火工艺规范包括（1）淬火加热方式、（2）加热温度、（3）保温时间、(4)冷却介质及冷却方式等8。确定工件淬火规范的依据主要是通过铁碳合金相图，来确定淬火的温度，其次是根据工件的图纸及技术要求来确定保温时间和冷却方式。只有充分了解工件的性能，才能正确的确定合理的淬火工艺。回火具有稳定组织，消除淬火应力的作用，因此在进行淬火工艺后紧接着需要进行回火工艺，以此来调整钢的硬度、强度和塑韧性。T8钢由于含碳量较高，并且需要较高的硬度和耐磨性，以此采用的是低温回火工艺。多年来，这一钢种虽然已积累有丰富的生产与应用的经验，但在实际生产中，仍会出现许多使用不当之处，结果没有充分发挥该钢所具有的性能潜力，3造成大量浪费。其中，因热处理工艺的制订及操作不合理而引起工件开裂是一种常见现象。1.3研究内容本次课题主要是研究在不同的热处理工艺下对T8钢进行材料力学性能的测定。这其中包括了对试样进行显微组织的观察。进行拉伸试验，测定T8钢的屈服强度、抗拉强度和材料的塑韧性变化。硬度和冲击试验分别测量其在静载荷和动载荷作用下，试样的硬度和冲击韧性的变化。利用所得到的实验结果进行系统的分析，最终确定合理的热处理工艺。1.4本章小结本章主要介绍了热处理工艺在生产中的应用以及发展现状，正火和退火作为热处理预处理工艺，根据试样的力学性能选择合适的工艺。经过预处理后改善了材料的切削加工性能，为最终热处理做准备，而淬火和回火作为最终热处理两者一般密不可分。不同的热处理工艺在生产中扮演着不同的角色。金属材料进行热处理在生产中变得必不可少，经过热处理的材料力学性能得到优化，满足了生产的需要。此外还详细的介绍了T8基本结构以及主要的组成成分以及国内外对于T8钢研究进展。T8钢是一种优质的钢种，在我们生活中随处可以看到它的存在，说明它应用广泛。42实验过程2.1热处理工艺制定2.1.1热处理工艺基础铁碳合金相图是研究碳钢组织、确定其热处理工艺的重要依据。如2-1图所示，铁碳合金在室温的平衡组织均由铁素体（Ferrite,简称F）及渗碳体（Fe-3C又称Cementite）组成。图2.1铁碳合金相图表2.1铁碳合金相图各点的含义5符号温度含碳量%含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变合金成分C11484.30共晶点D12276.69Fe2C的熔点E11482.11碳-Fe在的最大溶解度F11486.69Fe2C的成分G9120H14950.09碳-Fe在的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69Fe2C的成分N13940P7270.0218碳-Fe在的最大溶解度S7270.77共析点Q6000.0057碳-Fe在的最大溶解度铁碳合金相图是进行热处理实验的基础，只有充分的了解相图中各点所代表的含义、各个相区的组织结构，才能对热处理工艺后的组织进行系统的分析。此外除了确定热处理的加热温度外，通过相图我们还可以确定试样的保温温度以及保温时间。2.1.2热处理工艺过程热处理工艺包括三部分：即加热、保温、冷却。而热处理包括预处理和最终热处理两部分。正火和退火作为两种预处理手段，根据实际的生产要求而选择其中一种。正火作用主要是消除网状的二次渗碳体，提高硬度，改善切削加6工性能。T8钢正火温度一般在800850范围内完全奥氏体化，内部组织有二次渗碳体转变为较细的珠光体组织。T8钢的球化退火处理使T8钢中珠光体中的层状渗碳体球化，变成球状渗碳体，为淬火作好组织准备。将T8钢加热到Ac1以上2040，保温一段时间，然后缓慢冷却到600以下再出炉空冷。在随后缓冷过程中，以原有细小渗碳体为核心，或在奥氏体中碳原子富集的地方产生新的核心，均匀地形成颗粒状渗碳体9。钢的淬火温度较高，与材料的淬透性有关。T8钢淬火温度为760780最为合适，冷却介质一般为水或油。T8钢的回火工艺是由钢的具体用途决定的。在实际的生产中要求T8钢具有较高的强度和硬度，因此一般采用低温回火热处理工艺，回火温度为150250。低温回火过程中残余奥氏体转变为回火马氏体而碳化物以渗碳体的形式保留下来。低温回火后，T8钢的组织为回火马氏体和渗碳体9。低温回火后T8钢的硬度和耐磨性较淬火态时的硬度和耐磨性略有下降，但相对于未经热处理的试样而言，其保持了淬火后的高硬度和高耐磨性。同时，还降低淬火内应力和脆性。2.1.3T8钢热处理工艺过程热处理实验主要仪器有箱式电阻炉、淬火用水槽、钳子等设备。试验中加热设备主要是箱式电阻炉（SX-5-12B），如图2.2所示。7图2.2型号SX-5-12B箱式电阻炉实验中采用的工件主要有两种：一种是用于拉伸试验的T8钢棒料；还有一种是具有“U型”缺口的标准块。将5个T8试样分别标记为方案1、2、3、4、5.五个方案采用不同的热处理工艺。方案1不进行任何热处理工艺，作为实验的对照组。方案2试样放入加热炉中，进行淬火工艺处理，炉温设定为760，保温30min，用水冷却到室温。进行低温回火炉温设定为200，保温30min，出炉空冷至室温。方案3试样先进行球化退火，温度设定为740，保温30min，随炉冷却到600，从加热炉中取出，在空气中冷却到室温。按照方案2进行淬火和低温回火工艺。方案4.5研究的是不同的低温回火温度对试样的影响，因此在控制球化退火和淬火温度、保温时间、冷却方式相同的前提下，改变低温回火工艺的温度，达到研究目的。方案4低温回火的温度设定为240，方案5低温回火温度设定为180，保温时间控制在30min，出炉空冷至室温。2.2试样制备和显微组织观察金相制备过程中主要用到各种型号的粗细砂纸，抛光机、研磨膏以及抛光时需要用到不同的抛光布和研磨膏。试样的浸蚀要使用4%的硝酸酒精溶液。试样的研磨是进行金相制备的第一步，包括两步:粗磨和细磨。材料试样先在粗砂纸上研磨，研磨时方向保持一致，待等到将表面的氧化膜磨掉后，再调换另一方向。研磨时要注意及时加水冷却，既可以粗磨效率，也可以防止粗磨温度过高而发生组织改变。细磨之前应先将试样的四周磨光，避免细磨时在将砂纸或抛光布划破。粗磨结束后先用清水清洗一下试样，防止表面残留粗颗粒划伤试样。细磨是消除粗磨时产生的磨痕，为试样磨面的抛光做好准备。粗磨平的试样经清水8清洗并吹干后依次在由粗到细的砂纸上研磨。握住试样使磨面与砂纸平行，在轻微压力的作用下把试样向前推磨，用力均匀，试样退回时不可与砂纸接触，防止划伤磨面10。金相试样的细磨不仅要使表面光滑平整，而且尽可能减少表层的二次损伤。最后一次细磨应该将产生的磨痕最大程度的磨浅，保证抛光可以去除磨痕。抛光是金相制备重要的环节，其主要作用是除去磨面上的划痕，使磨面光滑、平整。实验中采用的是机械抛光的方法，抛光机主要由电动机和抛光圆盘组成。转盘的速度为700900r/min。机械抛光就是靠极细的抛光膏与磨面的磨削和液压作用达到抛光目的。抛光时将试样的磨面均匀的压在旋转抛光布上，并沿着转盘的边缘到中心的顺序进行往复运动。抛光时间一般为35min，抛光后的试样，磨面应该光亮并且没有划痕。这时，先将试样用清水冲洗，再用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干。试样如果需要多次抛光处理，进行第二次抛光处理前应将抛光布放在清水中浸泡，并充分的清洗，防止抛光布残留的粗颗粒划伤磨面。试样的浸蚀是利用无机化学原理进行的。利用浸蚀剂对试样表面的化学溶解作用来显示组织，因此经过浸蚀的试样表面会出现轻微的凹凸不平，在垂直光线的照射下将显示明暗不同的晶粒10。将试样的磨面浸入浸蚀剂中，也可以用棉球蘸去浸蚀剂在试样磨面不停地擦拭直至试样磨面发暗就可以停止。浸蚀过程中应该注意控制腐蚀时间，可重复进行腐蚀，但时间要短。如果浸蚀过度金相就会受到破坏。浸蚀结束后可以用清水清洗，用吹风机吹干存放。2.3材料力学性能测定2.3.1硬度测定实验洛氏硬度计(HR-150A)是一种普及型的洛氏硬度测试仪器，主要适用于材料的洛氏硬度实验，如图2.3所示。9图2.3洛氏硬度计洛氏硬度的实验原理如图2.4所示，用金刚石圆锥体压头或一定直径的钢球压头，在初试验力和主实验力的先后作用下，压入试样表面，保持5秒钟时间，卸除主实验力，保留初实验力此时的压入深度为h1,在初试验力的作用下压入的深度为h0，它们之差e(h1-h0)来表示压痕深度的永久增量。每压入0.002mm作为一个洛氏硬度单位。10图2.4洛氏硬度原理图在实验原理基础上，进行硬度测定实验，具体步骤如下：1.根据试件的技术要求选择标尺，选择金刚石圆锥体压头和初实验力。2.将压头安装在测杆孔中，贴紧支撑面，把压头的紧固螺栓拧紧，将试件放在实验台上。3.加载初实验力。转动旋轮使丝杆上升，上升速度要平稳，速度不可过快。当压头与试件接触时，注意观察表盘上的大、小指针。小指针从表盘上的蓝点转到红点，大指针转过三圈至C位前后五小格范围内，初实验力加载完成。4.调零。大指针对准零位，加载实验力，保持5秒钟左右，卸载。此时大指针的读数即为材料的硬度值。5.下降试验台，则一次实验循环结束。如需重复试验，可按以上步骤重复操作。2.3.2材料冲击韧性的测定11冲击试验采用的仪器为摆锤式冲击试验机，是一种通过一次加载将试件打断的实验仪器，如图2.5所示。图2.5摆锤式冲击试验机衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。冲击韧度是通过冲击试验来测定的。这种实验是在一次冲击载荷作用下显示试件缺口的力学性能11。由于实验仪器等外部因素的影响，实验所得到的冲击韧性不能作为技术参数用在实际的计算当中，但是它给我们提供了一种判断材料力学性能和检查热处理工艺是否合理的方法。冲击试验用的是U型缺口的标准试样，尺寸为10*10*55mm。根据国家标准规定，标准块的加工技术要求如图2.6所示。12图2.6标准块技术参数要求冲击试验是根据冲击试样消耗的能量是摆锤分别在H1和H2处的势能差，忽略空气阻力和摩擦力，遵循能量守恒定理进行的。将试样按照图2.77所示放好，将摆锤举到高度为H1处自由落下冲断试样即可。摆锤在H1处具有的势能为:E1=GH=mgH1(式2-1)冲断试样后摆锤在H2处所具有的势能为:E2=GH=mgH2(式2-2)势能之差E-E1即为冲断试样所消耗的冲击功Ak:AK=E1-E2=mg(H1-H2)(式2-3)式中，G为摆锤的重力，H1为冲断试样前摆锤扬起的最大高度；H2为冲断试样后摆锤所扬起的最大高度。13图2.7摆锤冲击试验原理图进行冲击试验时应该按照实验步骤进行操作，避免因为操作不当发生危险。实验时要随时观察并记录数据。1.测量试样的几何尺寸和缺口的横截面积。2.根据估计材料的冲击韧性选择合适的摆锤和表盘。3.如原理图所示安放试样，试样的背面朝向摆锤下落的方向，尽量使断口位于摆锤冲击的正中位置。4.进行试验。将摆锤举起到高度为H1的位置锁住，然后释放摆锤，冲断试样后等到摆锤扬起到最高位置，即将回落时，锁住摆锤记为H2。5.记录表盘上所示的冲击功AK值，取下试样。观察断口。实验完毕，将试验机复原。6.冲击试验时要特别注意人身安全。142.3.3材料拉伸试验图2.8电子万能拉伸试验机拉伸试验采用的是电子万能试验机，型号为DNS200，最大负荷为20000千克，如图2.8所示。根据国家标准GB639786规定制作标准试样，如下图所示为常用的圆形截面试样。如图2.9所示15图2.9圆形截面标准试样技术参数试样中段的l0称为标距，比例试样按公式l0=K(A0),K通常为5.65或11.3分别为短试样和长试样。对于圆形试样l0=5d(式2-4)l0=10d(式2-5)根据本试验原理，按照具体实验步骤进行试验。1.试件的准备。用游标卡尺测量试件两端和中间的直径，多次测量取其平均值。取最小平均直径d0作为计算截面面积A0。2.试验机的准备。选择合适的量程，开机检查运转是否正常。3.安装试件。将电子牵引计与试件紧密连接在一起。4.进行试验。用电脑设定拉力的增加速率，观察试件受力和位移之间的关系。5.试样拉断后，停止设备，取下试件，将断面对齐，用游标卡尺量出拉伸后的l1和缩颈处的最小直径d1。2.4本章小结16本章节主要介绍热处理工艺制定原则，热处理工艺基础以及制定热处理方案。铁碳合金相图是研究热处理工艺的基础，只有充分了解图中各点的含义才能制定出合理的热处理方案。热处理工艺方案采用对比试验的方法，通过控制无关变量，改变研究的变量因素，完成要研究的课题。试样经过热处理后，观察材料显微组织，观察金相的过程包括金相的制备与金相的观察。金相的制备过程包括了试样的粗磨、细磨、抛光、浸蚀四部分。硬度试验主要测定热处理后，对试样的硬度进行比较，发现不同热处理后的组织对硬度改变的影响机理。T8钢韧性和脆性的测定主要是通过冲击试验和拉伸试验测定的。影响冲击韧性的的因素有化学成分、晶粒尺寸、显微组织等材质因素以及试样的形状尺寸，加载速率等外部因素。拉伸试样常采用标准的光滑圆柱试样，在已确定的实验条件下，测定试样的三种失效方式，即过量弹性变形，塑性变形，断裂。拉伸试验机通常带有绘图装置，通过拉伸时所产生曲线可以测出试样的屈服强度，断裂强度等。173实验结果与分析3.1显微组织观察与分析图3.1所示为T8钢退火态（方案一）状态的显微组织，显微组织中存在马氏体和珠光体。图3.1T8钢退火显微组织在进行球化退火处理时，渗碳体首先溶解，但未完全溶解，形成许多点状的渗碳体。等温加热一段时间后，以原有的细小渗碳体为核心均匀地形成颗粒状的渗碳体12。缓冷时，渗碳体聚集长大形成较大粒状。室温时得到粒状或球状渗碳体，为淬火做好准备。球化退火处理后T8钢的奥氏体化温度不得低于Ac1点，否则在淬火组织中将存在铁素体，从而降低了钢的强度和硬度。当T8钢加热到Ac1温度以上时，原组织将转变为奥氏体，并且出现一部分均匀细小的未溶的碳化物。而T8刚的力学性能主要取决于马氏体针叶的大小。针状马氏体的最大尺寸取决于原奥氏体晶粒的大小。转变相遇到未溶的球状渗碳体能绕行长大，未溶的球状渗碳体的弥散分布，使新相的形核率大大提高，有利于组织细化13。18晶粒的形成机制为形核和长大。T8钢在760温度下进行淬火处理。其组织内部的碳化物溶解加快，未溶解的细小碳化物却可以阻止奥氏体形核长大，组织中不存在较大奥氏体组织，从而达到细化组织的目的，如图3.2所示。马氏体转变的特点是无扩散过程，是原子经无需扩散的切变位移，进行平面应变保持不变的晶格改组的相变，形成的整合组织伴有极高密度位错或层错、精细孪晶等亚结构13。图3.2760淬火后水冷后显微组织马氏体的显著特点为高强度和高硬度，马氏体转变是在过冷奥氏体范围下的转变，其转变速率有马氏体的形核率决定的。相变终止时，只有进一步的降温才能使马氏体的形核与长大继续进行。当马氏体转变时，在T8钢中进行的是没有扩散过程的马氏体相变。经淬火处理后T8钢的硬度升高，但钢的韧性和塑性都降低了。不同的淬火温度硬度如图3.3所示，19图3.3淬火温度对T8钢硬度的影响由图可见，随着淬火温度的提高，T8钢的硬度也随之提高，并在760左右硬度达到最大值，并且伴随温度的增高钢的硬度有下降的趋势。在760780时，淬火时的硬度为6263HRC。对于T8钢，淬火后组织结构为饱和碳的马氏体和残余奥氏体，这也导致了T8钢具有高的硬度。当淬火温度较低时碳化物在奥氏体中的溶解量较小，饱和的碳含量也较少，因此钢的硬度较小。相反淬火温度过高加快了组织的碳化物溶解，而含碳量的增加抑制了奥氏体向马氏体转化的过程。相对的奥氏体含量高，马氏体含量低，导致钢的硬度降低。钢合适的淬火的温度为760780，在这一温度范围内，T8钢既可以达到高的淬火硬度又可获得细的马氏体组织。T8钢经淬火处理后，紧接着进行低温回火处理。低温回火的组织为回火马氏体和渗碳体。实验采用的是淬火态硬度最高的试样，760水淬后T8钢分别加热到180、200、240保温30min冷却到室温。低温回火过程中，马氏体中部分过饱和碳原子以-碳化物的形式析出。析出的此碳化物与基体保持着共格关20系，形成了新的组织结构回火马氏体14。如图3.4所示的是回火温度为200的图3.4200低温回火显微组织金相组织。在低温回火后，内部组织转变为回火细马氏体及少量残余奥氏体和未完全溶解细小的碳化物，回火后的组织对T8钢的韧性有一定的提高作用。21图3.5a回火温度为240的显微组织当回火温度达到了240时，组织变为回火马氏体、极少量的残余奥氏体，并且出现了点链状的碳化物。如3.5a图所示。T8钢进行回火时，力学性能随着回火温度的升高而发生一定的改变。回火温度升高，钢的硬度逐渐减小，弹性强度和抗拉强度也减少。高碳钢低温回火塑性较差，但是T8钢在实际生产中对塑性要求不严格，因此可以采用低温回火进行热处理实验。T8钢低温回火的温度不同，内部组织形状也不一样。当回火温度低于240图3.5b回火温度为180的显微组织时组织中除了马氏体和残余的奥氏体外，还有细小的碳化物。而回火温度温度超过240后，组织中细小的碳化物转变为点链状的碳化物，这对T8钢的力学性能是不利的。因此一定要注意控制低温回火的温度和加热、保温时间，防止产生危害钢力学性质的组织产生，造成实际生产中的人力物力以及经济上的损失。22图3.6回火温度对T8钢硬度的影响不同回火温度下的硬度如图3.6所示。随着回火温度的升高，钢的硬度略下降。回火温度在150时，硬度较高。这是由马氏体中碳原子的偏距作用导致的结果15。当温度达到180时，内部应力的消除使钢的硬度开始下降。但是随着温度持续的增加，下降的趋势变得平缓，趋于稳定。形成这种现象的原因有两种，一是马氏体分解导致钢的硬度下降，而另一种是因残余奥氏体转变是钢的硬度升高。两种因素相互影响促使钢的硬度保持稳定。T8钢回火温度过高时，一般高于240以后，就会出现对钢性能不利的点链状碳化物。所以在综合考虑硬度和回火组织的基础上，选合适的回火温度为180210。233.2硬度测定结果分析3.2.1实验数据表3.1不同热处理下T8钢洛氏硬度测定结果次数方案123平均一22.521.51921二56.55352.554三56.5555254.5四52554851.7五48.5534950.23.2.2数据分析洛氏硬度计实际是一种以压痕深度来衡量工件硬度的仪器。压入深度h越大，说明工件硬度值越小。为了便于计算，一般用常数k减去h来计算硬度值，于是洛氏硬度值的计算公式为HR=（k-h）/0.002(式3-1)式中HR洛氏硬度值的符号。当使用金刚石圆锥压头时，k取0.2mm；当使用小淬火钢球压头时，k取0.26mm16。通过检测试样硬度，我们可以清楚地发现T8经过淬火和低温回火以后硬度较未处理的试样硬度显著的提高。试样经过淬火后，其内部马氏体的饱和碳以24及残余奥氏体决定着钢的硬度。实验所采用的淬火温度为760，淬火后的马氏体具有较高的硬度。回火后的硬度比之前淬火态时的硬度相对降低，但总体变化不大，内应力和脆性也相对降低。此时回火态的试样内部组织主要是回火细马氏体以及少量的残余奥氏体和未溶解的细渗碳体。3.3材料冲击韧性分析3.3.1实验数据表3.2不同方案冲击试验冲击功Ak值（单位J）冲击试验冲击功断面尺寸（a*b）mm冲击韧性值（J/cm）方案一55.010*8.2466.7方案二4.010*8.104.9方案三4.210*8.105.2方案四5.210*8.006.5方案五5.110*8.206.23.3.2数据分析对于含有缺口的试样，缺口根部的单位体积将吸收更多的能量，使局部应变和应变速率大幅度提高，通过测定缺口试样在冲击载荷下的冲击韧性可以反映出加载速率和缺口效应对金属材料韧性的综合影响17。冲击吸收功的大小不能真正反映材料的抗脆的程度，因为缺口试样冲击吸收的功除了用于试样的变形和破断外还有一小部分功消耗在掷出和机身等处的摩擦，一般情况下这些功是忽略不计的。冲击韧性在工程上这样定义：采用标准实验方法将标准试样一次冲击断裂时试样吸收的能量叫做材料或者试样的冲击韧性。用冲击吸收功表示韧性大小18。25试样在实验中所收到的冲击功用符号AKV和AKU表示，根据下标不同分别表示V形缺口和U形缺口试样的冲击功。对于U形缺口，将冲击吸收功除以缺口的净断面积，即得冲击韧度aku,。aku=AKU/AN(式3-2)通过冲击韧性值定性判断材料的韧脆程度，脆性和低塑性金属材料断裂时所需的能量少，而高塑性金属材料所需的能量多。T8钢的冲击试验，所需的冲击功较小，说明其塑性和脆性较低。经过低温回火处理后，T8钢的冲击功远远低于没有做热处理的的试样，通过对比发现低温回火改善了钢的力学性能，降低了钢的韧性。3.4材料拉伸实验结果与分析表3.3拉伸试验数据方案弹性极限MPa屈服强度MPa抗拉强度MPa伸缩率%一23025456533.7二500脆断12109.9三520脆断115010.0四790脆断113912.5对拉伸试样进行应力应变分析，我们要清楚应力应变曲线上各临界点所代表的含义。试样受力时，头部在钳口处滑动比较大，因此绘图器绘出的拉伸图最初是26图3.7应力应变曲线一段曲线，以后试件的受力就与变形程度成正比关系，拉伸图显示的也是一条直线，当载荷超过比例极限A点时，力和变形程度的正比增加关系就改变了，拉伸图变弯，此时试件进入屈服阶段，屈服阶段拉伸图像为锯齿状，此阶段载荷变化较小，但是变形增加很快，在这一阶段出现的最小的力称为屈服载荷12。当屈服阶段结束后，试样承受更大的力而发生变形，图中CD段为试样的强化阶段，此阶段所对应的最高点即为试样所能承受的最大载荷。此后试样发生缩颈现象，承受的载荷急剧减小，直到最后断裂，其应力应变曲线如图3.7所示。退火钢的载荷-伸长曲线以及应力-应变曲线，两者在形状上基本相似，但横、纵坐标所表示的物理量和单位是完全不同的。T8钢退火态试样力与位移曲线和应力应变曲线如图3.8（a）、（b）所示，在图中可以明显的观察到材料受到的拉伸力与应变的关系。根据计算公式可以求出屈服强度和拉伸强度。根据观察，未经处理的试样，没有明显的屈服现象，而在强化阶段，拉伸力变化的比较平稳，基本处于稳定状态图3.8aT8钢退火状态力与位移曲线27图3.8bT8钢退火状态应力与应变曲线28图3.9a回火温度200T8力与位移曲线而经过热处理的工艺的试样应力应变曲线发生了显著的不同如图3.9b，3.10b所示。说明进过回火处理后钢的脆性降低，内应力也相对降低了。回火温度的增加，内用力慢慢消除，导致试样的硬度也降低了。图3.9b回火温度200T8应力应变曲线对比图3.8b和3.9b、3.10b应力应变曲线可以发现原始状态下的T8钢拉应力较低位移变化较大，而伸缩率也较大，说明T8钢的韧性低，塑性较高。相比之下，经过热处理后T8钢的伸缩率明显下降，拉应力增大，说明钢的韧性增强，强度增加，而塑性降低了。29由应力应变曲线所示，T8钢在200和240时发生“脆断”现象。淬火钢图3.10aT8钢回火温度240力与位移曲线回火时的冲击韧度并不是随回火温度的升高而单调增加，有些钢在一定温度范围内回火，其冲击韧度显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性5.T8钢出现的脆性为低温回火脆性，而这一现象几乎在所有的工业用钢中都存在。这主要是因为马氏体沿着马氏体条或马氏体片的界面分解时析出的薄壳状的碳化物降低了晶界的断裂强度，与此同时还为裂纹进一步扩展提供了所需的路径，最终导致发生脆断现象。目前为止还没有有效消除低温脆性的工艺方案，因此生产中往往避免在钢的脆化温度范围内进行回火工艺。30图3.10b回火温度为240应力应变曲线3.5本章小结本章主要介绍了对前一章节实验数据的整体分析，材料的常规力学性能包括强度、弹性、塑性、韧性、强度等。试样经过不同热处理过程，材料内部结构发生显著的转变。痛过测得硬度值，进行硬度分析，得到不同热处理工艺对材料硬度的影响。硬度不是材料独立的力学性能，其所代表的物理意义也随试验方法的不同而改变。压入深度综合反映了材料的弹性、塑变抗力、形变强化能力以及塑变抗力等性能。洛氏硬度试验的优点是操作简单，结果直观可以直接读出，可以在工件表面直接测定。广泛应用于热处理质量的检验。其缺点是压痕较少，由于材料组