40Cr钢的热处理及组织分析

1、毕业设计（论文） 40Cr钢的热处理及分析专 业: 金属材料与热处理技术 班 级: 金材二班 姓 名： 向星 学 号： 0903140205 指导教师： 苏光浩 武汉工程职业技术学院二零一二 年二 月摘 要随着中国经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，因而模具材料选择及其热处理工艺的选择已在模具制造业中引起广泛的重视。模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。它对模具的制造精度，模具的强度， 模具的制造成本，模具的工作寿命有着直接的影响。本文在分析模具材料和40Cr钢热处理及金相实验基础上，根据模具的选材条件、试样的材料性质，以及40Cr的热处理工艺和金相组织综合分析，根据实际制订出合理

2、的热处理工艺，并根据实验得出数据进行分析。这样,能使模具达到良好的使用性能和寿命要求的。同时，满足经济性要求，降低成本。关键词：模具材料；热处理；热处理工艺；金相组织；目 录前 言 3第一章 绪论 41.1 模具制造概况 41.2 我国模具的发展与现状 41.3 模具选材 51.4 合金元素对钢性能的影响 71.5 实验目的及意义 91.6 研究方案技术路线 10第二章 40Cr钢的热处理研究分析 11 2.1 钢的热处理概况 11 2.2 40Cr钢的热处理 12 2.2.1 40Cr钢特性 13 2.2.2 40Cr钢的物理性能 14 2.2.3 40Cr钢的化学成分 142.2.4 40

3、Cr钢的调质处理 15 40Gr热处理实验过程 15 2.3 热处理实验小结 24第三章 实验总结 314.1 热处理实验总结 314.2 合金元素对钢的影响分析 34谢 词 37参考文献 38前 言在国家推动经济体制改革、市场经济和国际接轨的形势下，我国模具制造企业和热处理企业像雨后春笋般的涌现。而模具制造、热处理技术和使用水平的高低是衡量一个国家工业水平的标志，它在基础工业中占有重要地位。在模具制造中，能否合理的选用模具材料是模具制造的关键问题。模具材料是模具制造业的物质基础，而材料的热处理则是模具制造的技术基础之一，正确和先进的热处理技术，可以充分发挥模具材料的潜力，可以延长模具的使用寿

4、命，保证模具和机械设备的高精度。随着科学技术的飞速发展，热处理技术也有了飞速的发展，如真空热处理，离子热处理，激光热处理，电子束热处理，气相沉积强化，强韧化热处理，各种复合热处理等，大大提高了模具的质量和模具的使用寿命。为了更好的理解和掌握模具材料的热处理，进一步熟悉常用热处理方法及其工艺，本书严格按照40Cr钢的热处理实验及金相实验真实数据编写，参照工程材料实验指导书，模具材料及热处理手册等书，重点针对钢的热处理（正火、淬火、回火）实验和钢的磨片实验，微观组织观察照相研究分析得出实验结论。本文重点介绍模具制造概况、模具制造的现状、我国模具制造技术的发展，模具制造展望、模具选材、合金元素对钢性

5、能的影响、钢的热处理工艺、40Cr钢的性能、40Cr钢的热处理工艺及分析、40Cr钢的金相试样制备及微观观察分析研究。限于学生水平和掌握的技术资料，本书中难免有不足和错漏之处，敬请各位老师读者批评指正。 向星 2012年2月第一章 绪 论1.1 模具制造概况在现代机械制造业中，模具工业已成为国民经济中一个非常重要的行业，它已成为衡量一个国家产品制造水平高低的一个重要标志。模具技术水平的高低，是衡量制造业水平高低的重要标志。在日本，模具被称为“进入富裕社会的原动力”；在德国，模具则被称为“金属加工业中的帝王”。模具所形成的最终商品的产值是模具自身产值的上百倍。用模具生产制件所表现出来的高精度、高

6、复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。因而，模具又被称为“效益放大器”。有人还把模具比作“印钞机”。随着我国加入WTO，我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。1.2我国模具的发展与现状1.2.1 我国模具的发展我国考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就就在世界领先。1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间，该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具。我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。在走过了温长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元（未包括港、澳、台的统计数字，下同。）各类

7、冲压模具的生产能力。1.2.2我国模具制造业现状概况中国经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。近10年来，中国模具工业的一直以每年15%左右的增长速度快速发展。 目前，中国约有模具生产厂点2万余家，从业人员有50多万人，全年模具产值达534亿元人民币。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。随着经济体制改革的不断深入，“三资”及民营企业的发展很快。 中国模具工业的发展在地域分布上存在不平衡性，东南沿海地区发展快于中西部

8、地区，南方的发展快于北方。模具生产最集中的地区在珠江三角和长江三角地区，其模具产值约占全国产值的三分之二以上。1.3 模具选材满足工作条件要求 1耐磨性 ：坯料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。 硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。 2强韧性 ：模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高

9、的强度和韧性。 模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。 3疲劳断裂性能 ：模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。 4高温性能 ：当模具的工作温度较高进，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。 5耐冷热疲劳性能 ：有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模

10、具失效的主要形式之一，帮这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。 6耐蚀性 ：有些模具如塑料模在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后分解析出HCI、HF等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。 满足工艺性能要求 模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。 1可锻性 ：具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。 2退火工艺性 ：球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，

11、球化率高。 3切削加工性 ：切削用量大，刀具损耗低，加工表面粗糙度低。 4氧化、脱碳敏感性 ：高温加热时抗氧化怀能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。 5淬硬性 ：淬火后具有均匀而高的表面硬度。 6淬透性 ：淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。 7淬火变形开裂倾向 ：常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。 8可磨削性 ：砂轮相对损耗小，无烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。 满足经济性要求 在给模具选材是，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在

12、满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。 另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。1.4、合金元素对钢性能的影响在现代工业生产中，含合金元素的钢已被广泛的采用，这是因为他们不但有较好的物理、化学性质，更重要的是它的机械性能也大为改善，特别是强度、韧度等有显著的增加。而且它具有优越的热处理性能；同时，热处理能十分显著的改善和加强他的机械性能。因此，我们必须详细的了解各个合金元素对钢在热处理时的影响。现将本实验试样40Cr（化学成分见下表1-1）各个元素对钢在热处理时的影响分述如下：40Cr钢的化学成分（GB/

13、T3077-1999）/%C Si Mn Cr S P Ni Cu 0.370.45 0.170.37 0.500.80 0.801.10 0.030 0.030 0.25 0.030 表1-1 40Cr钢的化学成分（一） 碳（C）的影响从铁碳平衡图中，我们能清楚的看到，钢随着含碳量的增加，钢的基本组织不同，而且在加热与冷却时，组织转变的温度也不相同。纯铁在加热与冷却过程中，仅发生晶格的变化（同素异形转变）。所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。但是随着含碳量的增加，热处理将发生显著地作用。如亚共析钢随着含金量的增高，淬火后强度、硬度都有显著提高；同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。例如亚

14、共析钢随着含碳量的增加，它的A3逐渐降低，因而退火、正火、淬火的加热温度都随之降低。而过共析钢的正火温度随着含碳量的增高而增高，但淬火温度都是在Ac1以上30-50摄氏度。而且随着钢中含碳量的增加，淬透性也有所提高，工件淬火后引起的变形也就越大，增加淬火时的困难；同时含碳量增加，使马氏体点下降残余奥氏体的数量增加。如低碳钢淬火后几乎不含残余奥氏体，而高碳钢则含大量残余奥氏体。（二） 铬（Cr）的影响 铬为碳化物形成元素。它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度与所提高。并使它在油中

15、便能淬硬。但他降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500和400-250。提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。（三）镍（Ni）的影响 Ni能强化铁素体，降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。增加了奥氏体的稳定性，降低了钢的临界冷却速度，对钢的淬透性略有增加；但它降低了钢的马氏体点，增加了钢的残余奥氏体量。对钢的强度和硬度有所提高，但阻止晶粒长大的作用不明显。（四）硅（Si）的影响 Si能升高Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度增高。能增加奥氏体的稳定性，降低临界冷却

16、速度，增加钢的淬透性很多，故能使Si合金钢在油中淬硬。对钢的马氏体区域有什么影响，增加残余奥氏体数量不多。对钢的强度、硬度增加不多，但却增加了钢的回火脆性和过热与脱碳的敏感性。（五）锰（Mn）的影响 Mn为碳化物形成元素。他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，同时增加钢的淬透性，但它使残余奥氏体量增加。可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。（六）硫（S）的影响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

17、求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 (七) 铜(Cu)和硼(B)的影响（1） 铜在合金钢中，使钢的Ac3下降，即使热处理的加热度降低；铜还能增加钢的淬透性和增加钢的强度。硼为钢中的微量元素，一般仅在0.001-0.005%之间，它能增加钢的淬透性，提高钢的热处理温度，而且能提高钢的强度与硬度。1.5 实验目的及意义1.5.1、实验目的 1、熟悉钢的常用热处理方法及工艺要点；2、掌握使用热处理的各种器材仪器；3、在淬火温度及变量相同的情况下回火温度对硬度的影响；4、认识合金元素对钢的热处理的影响；5、了解

18、金相试样的制备过程及方法，学会正确使用显微镜观察试样的显微组织；6、通过金相试样制备、显微观察得出微观组织；对组织进行分析研究。1.5.2、实验意义1.5.2.1、热处理实验的意义热处理是将材料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组织结构与性能的工艺方法。1、 通过适当的热处理能显著提高钢的力学性能，以满足零件的使用要求和延长零件的使用寿命；2、 通过热处理能改善钢的加工工艺性能(如切削加工性能、冲压性能等)，以提高生产率和加工质量；3、 通过热处理还能消除钢在加工（如铸造、焊接、切削、冷变形等）过程中产生的残余应力，以稳定零件的形状和尺寸。此外，有时还采用表面强化技术，以进一

19、步提高钢的表面硬度和耐磨寿命。1.5.2.2、磨片实验的意义我们研究金属材料的力学性能就是在研究其内部组织，金属材料的微观组织决定了材料的各种性能，改变金属材料的化学成分或通过各种热处理工艺方法，能改变金属材料的组织结构，从而可以达到改变其性能的目的。因此，了解金属材料的组织结构及其变化规律对于掌握金属材料及其性能有着必要的意义。1.6 研究方案技术路线通过对实验材料（40Cr钢）进行分析研究，得出实验方案（如图1-2） 试样: 40Cr钢 840淬火420中温回火试样2个580高温回火试样1个880淬火800淬火180低温回火试样1个取样、磨片实验参与回火试样对比分析得出组织结构，进行微观组

20、织分析回 火加 热结论研究分析 图 1-2 研究技术图本研究报告严格按照此技术图进行实验，并对实验结果进行分析总结。第二章 40Cr钢的热处理研究分析2.1. 钢的热处理概况热处理是将材料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组织结构与性能的工艺. 退火与正火钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺，例如各类铸、锻、焊生产的毛坯或半成品的预备热处理，目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷，改善组织和工艺性能，为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备。对于某些性能要求不高的机械零件，经退火或正火后可直接使用。此时，退火或正火也就成为最终热处理。退火：把钢加热到临界点Ac1

21、以上或以下的一定温度，保温一段时间，随后在炉中或埋入炉中或导热性较差的介质中，使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的稳定的组织。目的：（1）降低钢的硬度，改善切削加工性；（2）提高钢的塑韧性，便于成形加工；（3）细化晶粒（4）消除工件内的残余应力。正火：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50，适当保温后，从炉中取出在静止的空气中冷却至室温。目的：（1）细化晶粒，消除缺陷（2）调整钢的硬度（3 消除内应力既可做为中间热处理，也可用作最终热处理。 淬火与回火淬火：淬火是将钢奥氏体化后以大于Vk的速度冷却，已获得高硬度的马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。 目的：主要是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性

22、。 两个概念：淬透性，淬硬性淬火后强度和硬度有了较大提高，但塑性和韧性却显著降低，此外，淬火工件内部有较大内应力，如不及时处理，会进一步变形至开裂，为此，淬火后要及时回火。 回火：将淬火后的钢加热到Ac1线以下的某一温度，在该温度下保温一定时间（1-2小时），然后取出在空气或油等介质中冷却。 回火通常作钢件热处理的最后一道工序，因此，把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。目的： （1）降低脆性，减少内应力，防止变形开裂 （2）调整钢件的机械性能（3）稳定组织，保证工件尺寸、形状稳定。回火一般分为低温、中温、高温回火。低温回火：加热到150-250，保温1-3小时后空冷，得到回火马氏体。（保证高

23、硬度，如刃具、量具）中温回火：加热到350-450，保温后空冷，得到回火屈氏体。（高弹性极限，有一定韧度和硬度，如弹簧）高温回火：加热到500-650，保温后空冷，得到回火索氏体。（有一定强度和硬度，又有良好的塑性和韧性，如曲轴，齿轮）淬火+高温回火=调质处理2.2 40Cr钢的热处理实验实验试样: 40Cr 图2-1 40Cr直径30mm、高为15mm的圆柱坯料 5个2.2.1. 40Cr钢特性40Cr钢是最常用的合金调质钢，抗拉强度，屈服强度及淬透性均比40钢高，临界淬透直径；油中约为15-40 mm, 水中约为 28-60 mm。断面尺寸在50mm时， 油淬无自由铁素体析出，故有较高的疲

24、劳强度，当含碳量下降时，经淬火和回火后，除能获得较高的强度外，还有良好的韧性，水淬时，形状复杂的零件容易形成开裂，在450-680回火时，有第二类 回火脆性倾向，但可随着截面尺寸的减少而减弱，白点敏感性较大，所以锻后宜缓冷，冷变塑性中等，冷顶锻前最予以球化处理，正火或调质后，可削性很好，退火后可削性也较好；钢的焊接性较差，有开裂倾向，所以焊前需预热到100-150；一般经调质处理使用。用途：适用于制造中等载荷和中等速度工作的零件，如汽车的转向节，后半轴及机床正的齿轮，轴，蜗杆，花键轴等，经淬火及中温回火后可用于制造高载荷，冲击及中速工作的零件，如齿轮，主轴，油泵转子，套环等，也可用于制造 各种

25、 扳手，经淬火及低温回火后，可用于制造重载荷，低冲击及要求有耐磨性，截面尺寸（厚度）25mm的零件，如蜗杆，主轴，套环等，经调质并高频表面淬火后，可制作要求较高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮，套筒，轴，销子，连杆，进汽阀等，此外，还适用于进行碳氮共渗处理制造各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴等。因此，本实验试样直径30mm、高为15mm的圆柱坯料在下面的淬火中能够被淬透。2.2.2.40Cr钢的物理性能 40Cr钢的弹性模量和切变模量 弹性模量E(20) /MPa 200000211700 切变模量G(20) 80800 表2-240Cr钢的线（膨）胀系数温度/ 20

26、200 20300 20400 20500 20600 20700 备注 线（膨）胀系数/C-1 (11.912.0) ×10-6 (13.313.4)×10-6 (14.314.4)×10-6 (15.015.1)×10-6 (15.315.4)×10-6 (15.415.5)×10-6 12 表2-31 用钢成分（%）：0.37C，0.30Si，0.66Mn，0.95Cr，0.18Ni，0.016P，0.028S; 2 用钢成分（%）：0.42C，0.29Si，0.69Mn，0.87Cr，0.14Ni，0.010P，0.013S。

27、40Cr钢的热导率 温度/ 100 200 300 400 500 600 热导率/W·（m·K）-1 32.6 30.9 29.3 28.0 26.7 25.5 表2-42.2.3.40Cr钢的化学成分40Cr钢的化学成分（GB/T3077-1999）/%C Si Mn Cr S P Ni Cu 0.370.45 0.170.37 0.500.80 0.801.10 0.030 0.030 0.25 0.030 表2-52.2.4.40Cr钢的调质处理   Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。截面尺寸大或重要的调质工件，

28、应采用Cr钢。但Cr钢有第二类回火脆性。 40Cr工件调质的淬回火，各种参数工艺卡片都有规定，我们在实际操作中体会是：  （一）40Cr工件淬火后应采用油冷，40Cr钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。但是小型企业在供油紧张的情况下，对形状不复杂的工件，可以在水中淬火，并未发现开裂，只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。  （二）40Cr工件调质后硬度仍然偏高，第二次回火温度就要增加2050，不然，硬度降低困难。  （三）40Cr工件高温回火后，形状复杂的在油中冷却，简单的在水中冷却，目的是避免第二类回

29、火脆性的影响。回火快冷后的工件，必要时再施以消除应力处理。 2.2.5. 40Gr热处理实验过程常用仪器设备：温度计、加热炉、箱式电阻加热炉、冷却槽、夹钳、洛式硬度计、金相砂纸、放大镜与游标卡尺试样：直径30mm、高为15mm的圆柱坯料2.2.5.1、实验目的1、熟悉钢的常用热处理方法及工艺要点；2、掌握使用热处理的各种器材仪器；3、在淬火温度及变量相同的情况下回火温度对硬度的影响；4、了解钢普通热处理(淬火、回火)的操作方法。分析钢在热处理时含碳量、加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对钢热处理后组织与性能的影响。2.2.5.2、淬火工艺淬火是将钢奥氏体化后以大于Vk的速度冷却，已获得高硬

30、度的马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。钢的淬硬性是指淬火钢获得高硬度或马氏体硬度的能力。钢的淬硬性与合金元素无关，而主要取决于Wc。1、实验方法与步骤（1）先对试样进行倒角，表面的一些初步处理。（2）根据处理条件不同，进行分组试验。（3）只有第2组的试样要参与回火实验，其余的不参与。（4）加热保温时间的确定根据试样的有效厚度（D）计算加热保温时间（） 由公式： =kD 计算得： 保温时间为D=21min 式中：-加热保温时间，min； -加热系数，min/mm； k -工件的装炉方式修正系数； D -工件的有效厚度，mm；加热保温时间根据以上公式计算得出为21分钟。（5）淬火加热温度的确定

31、根据上图（参照工程材料书中图4.18）确定碳钢的加热温度，亚共析钢的淬火加热温度一般为A3以上30到50。本实验试样加热温度就是根据这个确定的。0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0Wc/%11001000 G900800700温度/淬火加热温度范围A3奥氏体AcmS奥氏体+铁素体A11图2-6 碳钢的淬火加热温度范围 （6）常用淬火方法由于实际冷却介质不能满足淬火要求，所以必须从淬火方法上加以弥补。1、 单液淬火法（普通淬火法）将加热后的钢件放入一种淬火冷却介质中冷却。单液淬火法操作简单，易实现自动化操作，但存在明显缺点：水淬易变形、开裂；油淬硬度不足，只适用于形状简单的工件。2、 双介

32、质淬火法（水淬油冷法）对于形状复杂的高碳钢零件，为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，可在水中淬火至Ms附近，然后立即放入油中（或空气）继续冷却，故双液淬火法又称水淬油冷法。用这种方法既能淬硬，又能防止淬裂。缺点：对操作技术要求较高。 3、分级淬火法不管是单液淬火法，还是双液淬火法，都存在零件表面与心部温差较大，易产生较大的热应力导致零件变形、开裂的问题，分级淬火法能很好地解决这个问题。所谓分级淬火法就是：先将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保持一定时间，使零件表面与心部的温度均匀并与热浴一致，然后取出空冷，在热浴中停留的时间以不发生奥氏体中温转变为宜。缺点：冷却能力较低，只适用于

33、小尺寸零件。4、 等温淬火法将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使奥氏体等温转变为下贝氏体组织，然后空冷至室温。等温淬火法可获得强、韧兼备的组织，且零件的内应力可减低到最小程度，不易变形。缺点：生产周期长，仅适用于形状复杂的小零件。本实验选用第二种淬火方法（水淬油冷法），为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，在水淬后在进行油淬。根据实验要求及技术方案得出淬火方案表如下图（表2-7）所示序号试样分组1231试样件数2622加热温度/8008408803保温时间/min2121214冷却方式先水后油淬先水后油淬先水后油淬5冷却时间（min）冷却到室温冷却到室温冷却到室温6

34、淬火后硬度/HRC表2-7 淬火方案注： 1、参与反应的试样硬度应取平均值。 2、水和油的温度均为室温。3、为下面回火实验及金相实验840淬火去试样6个注意事项：（1）“加热保温”时，打开对应加热炉的炉门，用夹钳将试样逐个放入炉膛中央，保持间隔均匀，关上炉门。待控温仪表上黑色控温指针升至红色控温指针（即拟定的加热温度）处，开始计算保温时间。（2）淬火冷却时，用夹钳夹住试样端部迅速将其浸入冷却液中，并连续搅拌至试样基本冷透为止，方可取出试样。（3）硬度检测时，应先将被检测面用砂纸打磨平整、去除氧化皮方可进行。经冷却液冷却后在用砂纸打磨去掉表面氧化层后用洛式硬度计测得如下表:第1组 800度试样序

35、号第1次测量硬度/HRC第2次测量硬度/HRC第3次测量硬度/HRC平均值/HRC158.5 585958.5 26058.559.559表2-8 800淬火下测得试样的硬度值第2组 （参与回火、磨片实验）840度试样序号第1次测量硬度/HRC第2次测量硬度/HRC第3次测量硬度/HRC平均值/HRC156 57.55957.5 259615759 357.5595958.5 45959.561.560 558595858.3表2-9 840淬火下测得试样硬度值综合上述数据分析：840度淬火下测得试样硬度值为58.5 HRC，其中试样4测出来硬度值为60 HRC，由于是在同一炉内加热，其它客观

36、条件都相同，原因可能有三个（1）、材料本身的原因，（2）、加热保温后冷却时水冷和油冷的时间没把握好，（3）、侧硬度时测的都是偏试样的边部，因为边部的硬度要高于心部。第3组880度试样序号第1次测量硬度/HRC第2次测量硬度/HRC第3次测量硬度/HRC平均值/HRC158 5656.557 258.5606059.5表2-10 880淬火下测得试样硬度值根据上述数据可得出如下表数据（续表2-7淬火方案）序号试样分组1236淬火后硬度|HRC596058表 2-11 不同淬火温度下测得的硬度值从上述测得的硬度值来分析，淬火温度在800到880对40Cr钢淬火后硬度影响不大，40Cr钢的理论最佳加

37、热温度在820正负10。2.2.5.3、回火处理回火是指将淬火钢重新加热至A1以下某预定温度并保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。回火的目的是：消除或减小淬火应力，降低淬火钢的脆性，达到零件要求的使用性能，稳定钢件的组织和尺寸。1、回火的作用提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。调整钢铁的力学性能以满足使用要求。回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的

38、平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提高。回火温度越高，这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化。2、回火方案的确定1、回火温度的确定:为了得到不同的回火组织，选择不同的会回温度进行实验，一般在选择不同的回火温度时都选择低温（150250）中温（350500）高温（500650）2、回火保温时间的确定，材料进行淬火后，必须进行充分的保温回火，一般根据材料的回火温度，工件的尺寸，对材料的性能要求和加热炉而定，一般由经验公式得出：规定不得小

39、于1h，一般取60120min。由于本工件比较小，且回火温度适当，则在本方案中取保温时间为60min。则在本实验中方案确定如表2-12所示：回火温度|180420580试样个数 1 2 1保温时间|min606060 冷却方式水冷水冷水冷回火后硬度|HRC表2-12 回火方案注： 1.参与反应的试样硬度应取平均值。 2.水和油的温度均为室温。3、回火后硬度测量 经加热保温后取出水冷后用砂纸打磨去除表面的氧化层，通过洛氏硬度计测得如下表不同回火温度下的硬度值。第1组180低温回火第1次测量硬度/HRC第2次测量硬度/HRC第3次测量硬度/HRC平均值/HRC153535353表2-13低温回火测

40、得硬度值第2组420中温回火第1次测量硬度/HRC第2次测量硬度/HRC第3次测量硬度/HRC平均值/HRC145 434444 245454545表2-14中温回火测得硬度值第3组580高温回火第1次测量硬度/HRC第2次测量硬度/HRC第3次测量硬度/HRC平均值/HRC132333432 234343434表2-15 高温回火测得硬度值4、实际测得值根据分析实际测得数据得出40Cr钢回火硬度变化图(图2-16)180 420 580 回火温度/544433硬度值/HRC图2-16 40Cr钢回火硬度变化图通过上面所得数据得出40Cr钢在低温回火时硬度值比中温回火要高，高温回火硬度值比中温

41、回火要低。原因是淬火钢在低温回火时，得到的组织为回火马氏体，其作用是在保证淬火钢的硬度不变或略有降低的条件下，降低其淬火内应力和脆性，稳定组织，以免使用时崩裂或过早损坏。5、理论数据通过查阅资料得出40Cr钢回火硬度变化理论值，得出理论曲线如下图：180 320 420 480 540 580 600 回火温度/54504441363331硬度值/HRC 图2-17 40Cr钢回火硬度变化理论值通过对比分析，发现实际实验测得值于理论数据相符合，淬火钢在随着回火温度的升高组织由回火马氏体到回火托氏体再到回火索氏体，硬度也随之降低。可得出下图:回火马氏体 回火托氏体 回火索氏体低温回火 中温 高温

42、硬度（高）HRC(低) 图2-18 回火组织变化图2.3 热处理实验小结2.3.1、淬火实验小结试样40Cr钢含碳量在0.37%0.45%，属于中碳（Wc：0.250.5）调质钢，根据铁碳合金状态图分析钢的淬火：AGQt/0 0.02 0.08 2.06 4.3 6.67Fe Wc/% Fe3CDFKCA1(723)SP910E 1147A（奥氏体）A3图2-20 铁碳合金状态图（一）最佳淬火加热温度由于40Cr的含碳量在0.5%以下，结合铁碳合金状态图分析，亚共析钢的淬火加热温度一般为A3以上30到50。选择温度过高会导致钢的奥氏体晶粒粗大，淬火后得到的马氏体的韧性较低，所以选择一个合适的加

43、热温度非常重要，则通过上诉实验分析得出40Cr钢的最佳淬火温度在840左右。800 840 880 淬火温度/605958硬度值/HRC 图2- 不同淬火温度下测得硬度值对于合金钢，由于奥氏体晶粒长大倾向受到合金碳化物等的抑制，故可适当提高淬火温度。（TC曲线右移）在其他条件（保温时间、淬火介质）不变的情况下800到880度（高于A3以上30到50）的加热温度对试样的硬度值影响不大，这个温度范围是该试样的最佳加热温度范围。 （二）组织转变 淬火钢在高于A3的淬火加热温度下转变为奥氏体组织，为了获得高硬度的马氏体组织以大于VK的冷却速度连续冷却。组织由全部奥氏体过冷至MS以下温度转变为马氏体，而

44、不发生其他转变。温度/A1V4 VK V3奥氏体温度/T/sT/sMSMfA3 图2- 钢的连续冷却曲线 图2- 钢的连续冷却转变图V3相当于油冷，冷却速度约为150/S，V3只与C曲线的转变起始线相交，表明一部分过冷奥氏体转变为托氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后冷却到Ms一下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其HRC=4555V4相当于水冷，冷却速度600/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有效部分残余奥氏体），HRC=6064VK与C曲线相切，称为临界冷却速度，它表示过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。VK取决于

45、C曲线的位置，C曲线右移，VK降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。本实验介于VK和V4之间，为连续冷却，组织由全部奥氏体过冷至MS以下温度转变为马氏体，而不发生其他转变。2.3.2、回火实验小结（一）低温回火实验总结（150250度） 低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC5064。本次实验回火温度为180度，保温时间60分钟，砂纸打磨后测得硬度值为53 HRC。（二）中温回火（350500度） 中温回火所得组织为回

46、火托氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。因此，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC3550。本次实验回火温度为420度，保温时间60分钟，砂纸打磨后测得硬度值为44 HRC。（三）高温回火（500650度） 高温回火所得组织为回火索氏体。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，韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200330。本次实验回火温度为580度，保温时间60分钟，砂纸打磨后测得硬度值为33HRC。 第三章 实验总结分析3.

47、1、热处理实验总结 3.1.1、钢在淬火时的组织转变一、奥氏体的形成大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1或A3），使钢具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727）以下，组织保持不变（相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1点以上时，珠光体全部转变为奥氏体。奥氏体的形成过程可以分为四个步骤： 奥氏体晶核的形成 奥氏体晶粒长大 残余渗碳体溶解 奥氏体成分均匀化对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢加热到A1以上时，除

48、珠光体全部转化为奥氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥氏体（过共析钢二次渗碳体溶解）,随着温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转变，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。本实验材料得到的淬火组织就为单相奥氏体。二、影响珠光体向奥氏体转变的因素1、温度的影响提高温度，原子的扩散能力增大。特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏体的形成速率加快。2、钢中含炭量增加，铁素体与渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。3、钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成强碳化合物减缓C的扩散，减缓A的形成非碳化物形成元素加速A形成。4、钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快（相界面积大）。加热速度越快，奥氏体形

49、成温度升高，形成速度越快。3.1.2、钢在回火时的组织转变通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终目的。高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到A1以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：转变开始与转变终了的时间不同；转变后产物的组织与性能不同一、 珠光体型转变高温转变（A1550）1、 转变过程及特点过冷奥氏体在A1550温度范围内，将分解为珠光体类组织。当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏

50、体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体珠光体。排列方向相同的铁素体与渗碳体区域，称为珠光体晶粒。珠光体一直长大到与相邻的珠光体互相接触，而奥氏体全部转化为珠光体为止。转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。2、 分类在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：A1650, 形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。650600，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。600550，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体。珠光体、索氏体、屈氏体都是珠光体类组织，本质上没有任何区别，只是渗碳体、铁素体片的厚度不同而已。从珠光体到索氏体、屈氏体，随着层间距的减小，强度和硬度依次升高。二、