《鋼亞溫淬火設(shè)計》word版

1、 1 緒論金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量。 為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都

2、可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。 在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770前222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經(jīng)過淬火的。 1863年，英國金相學家和地質(zhì)學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內(nèi)部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N

3、較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。與此同時，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。 二十世紀以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個顯著的進展是19011925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進行氣體滲碳；30年代出現(xiàn)露點電位差計,使爐內(nèi)氣氛的碳勢達到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢的方法；60年代，熱處理技術(shù)運用了等離子場的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得

4、了新的表面熱處理和化學熱處理方法。 在長期的生產(chǎn)實踐和科學實踐中,人們對金屬內(nèi)部組織狀態(tài)變化規(guī)律的認識不斷深入。特別是從60年代以來，透射電鏡和電子衍射技術(shù)的應(yīng)用，各種測試技術(shù)的不斷完善，在研究馬氏體形態(tài)、亞結(jié)構(gòu)及其與力學性能的關(guān)系，獲得不同形態(tài)亞結(jié)構(gòu)的馬氏體的條件，第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布對力學性能影響等方面，都取得了很大的發(fā)展。建立在這些基礎(chǔ)上的淬火新工藝也層出不窮，其中亞共析鋼的亞溫淬火就是其中之一。亞共析鋼在之間的溫度加熱淬火稱為亞溫淬火。意即比正常淬火溫度低的溫度下淬火，其目的是提高沖擊韌性值，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度及回火脆性傾向。有人研究了35CrMnSi鋼不同淬火狀態(tài)的沖擊韌性及

5、硬度與回火溫度的關(guān)系，可知經(jīng)930淬火+650回火+800亞溫淬火的韌性，隨著回火溫度的升高而單調(diào)提高，沒有回火脆性。有人研究了直接應(yīng)用亞溫淬火時，淬火溫度對45、40Cr和60鋼力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)在和之間的淬火溫度對力學性能的影響有一極大值。在以下510處淬火時,硬度、強度都達到了最大值，且略高于普通正常淬火。第一重型機械集團冶金研究所的劉時雨等人所做的理論分析與實驗結(jié)果表明，20MnMo、12Cr1MoV鋼（亞共析鋼）在略低于的溫度奧氏體化淬火，可提高鋼的韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，并可消除回火脆性。亞溫淬火加熱溫度應(yīng)接近于，以避免出現(xiàn)過多的鐵素體而影響鋼的強度。同時生產(chǎn)實踐的結(jié)果表明大型低

6、碳合金鋼鍛件經(jīng)過亞溫淬火熱處理后，與正常調(diào)質(zhì)、正?；鼗馃崽幚砉に囅啾龋跐M足工件強度的條件下，不僅可以獲得更細化的晶粒組織，節(jié)省能源，為性價比極佳的一種熱處理方法。§1.1 45鋼性能應(yīng)用及傳統(tǒng)熱處理方式一 45鋼性能應(yīng)用45鋼用以制造蒸汽透平機、壓縮機、泵的運動零件；還可代替滲碳鋼制造齒輪、軸 、活塞銷等零件(零件需經(jīng)高頻或火焰表面淬火)；并可用作鑄件。 45鋼廣泛用于機械制造，這種鋼的機械性能很好。但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好， 45號鋼可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望發(fā)揮45鋼優(yōu)越的機械性能，常將45鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到需要的表面硬度。 1.

7、 45鋼淬火后沒有回火之前，硬度大于HRC55（最高可達HRC62）為合格。 實際應(yīng)用的最高硬度為HRC55（高頻淬火HRC58）。 2. 45鋼不要采用滲碳淬火的熱處理工藝。 調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨?？捎谜{(diào)質(zhì)表面淬火提高零件表面硬度。 滲碳處理一般用于表面耐磨、芯部耐沖擊的重載零件，其耐磨性比調(diào)質(zhì)表面淬火高。其表面含碳量0.81.2，芯部一般在0.10.25（特殊情況下采用0.35）。經(jīng)熱處理后，表面可以獲得很高的硬度（HRC5862），芯部硬度低，耐沖擊。 如果用45鋼

8、滲碳，淬火后芯部會出現(xiàn)硬脆的馬氏體，失去滲碳處理的優(yōu)點?，F(xiàn)在采用滲碳工藝的材料，含碳量都不高，到0.30芯部強度已經(jīng)可以達到很高，應(yīng)用上不多見。0.35從來沒見過實例，只在教科書里有介紹?？梢圆捎谜{(diào)質(zhì)高頻表面淬火的工藝，耐磨性較滲碳略差。二 傳統(tǒng)熱處理方式牌號: 45推薦熱處理/|正火: 850推薦熱處理/|淬火: 840推薦熱處理/|回火: 600力學性能|b/MPa: 600力學性能|s/MPa: 355力學性能|5(%): 16力學性能|(%): 40力學性能|AKU/J: 39鋼材交貨狀態(tài)硬度HBS10/3000，|未熱處理鋼: 229鋼材交貨狀態(tài)硬度HBS10/3000，|退火鋼:

9、197 §1.2 鋼的亞溫淬火處理 §1.2.1 亞溫淬火簡介亞溫淬火是亞共析鋼在Ac1Ac3溫度之間兩相區(qū)內(nèi)加熱，經(jīng)充分保溫后淬火，又稱臨界區(qū)淬火 在機器制造業(yè)中, 廣泛采用著低、中碳碳鋼或低、中碳低合金鋼等結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)鋼傳統(tǒng)的熱處理工藝是調(diào)質(zhì), 即完全淬火加高溫回火。淬火所得組織為馬氏體, 高溫回火后為回火索氏體。此種顯微組織提供了強度和韌性的良好配合。對亞共析結(jié)構(gòu)鋼采用完全淬火的理由是避免出現(xiàn)未溶鐵素體而使鋼的性能變壞。但近年來, 隨著強韌化工藝的發(fā)展, 人們在生產(chǎn)實踐和科學試驗中發(fā)現(xiàn),對亞共析鋼采用不完全淬火有助于在不降低材料強度的同時提高其韌性。所謂亞溫淬火,亦即

10、亞共析鋼的不完全淬火, 或稱臨界區(qū)淬火、兩相區(qū)加熱淬火, 是將鋼加熱至奧氏體和鐵素體兩相區(qū)進行淬火。亞溫淬火及隨后回火是一種使鋼強韌化的新工藝此工藝對鋼的原始組織有一定要求, 一般在亞溫淬火前均需進行一次完全淬火或調(diào)質(zhì)處理 §1.2.2 亞溫熱處理的強韌化效果 1.2.2.1 提高鋼在韌性狀態(tài)下的沖擊韌性許多文獻均報導了亞溫淬滅可以提高鋼的室溫和低溫沖擊韌性值。例如, 可以提高C r 一5 1一N i 鋼1 一6 、 1 2H3 鋼7、45鋼、40X鋼和60 CZ鋼8、22CrMnSiMo鋼*和35CrMo鋼9以及5%Ni鋼10等在韌性狀態(tài)下的沖擊韌性經(jīng)調(diào)質(zhì)的和經(jīng)亞溫淬火并回火的35

11、 x r c 鋼, 在b相同的情況下, 后者的室溫沖擊韌性較前者約高1 倍(見表1 )。30X F C 鋼經(jīng)780ºC或800ºC亞溫淬火可使5 5 0 ºC回火后的室溫沖擊韌性較920ºC常規(guī)淬火并550ºC回火后的約高2 3 倍(見表l ) 1 1 。 表11 亞溫淬火對35 X C鋼室沮。二的影響1 熱處理規(guī)范在下列 b （公斤/毫米²）下的（公斤*米/厘米²）1101201001109510090 930ºC淬火+高溫回火（空冷） 930ºC淬火+800ºC淬火+高溫回火（空冷）3.54

12、.563.54.489510117.512對2 2 CrsiM o 鋼、3 5 C r Mo 鋼、4 0 x 鋼、4 2 Cr M。鋼和4 5 鋼所進行的試驗結(jié)果示于表2 。由表2 可見, 與一般調(diào)質(zhì)工藝相比, 在硬度、即強度相同的情況下, 亞溫淬火使2 2-C r Mn s iM。鋼于一60ºC 的沖擊韌性提高了20 0 % (結(jié)合斷口分析可知, 此處包括了因脆性轉(zhuǎn)變溫度下降而使斷裂從脆斷轉(zhuǎn)變?yōu)轫g斷所導致的沖擊韌性的提高), 使35 Cr M。鋼提高了8 3 % , 使4 0 C r 鋼提高了1 7 % , 而對4 2Cr Mo 鋼和4 5 鋼效果不明顯 表1-2 各種鋼經(jīng)最佳亞沮

13、處理與調(diào)質(zhì)后的性能對比9 鋼號熱處理規(guī)范HRCk（公斤*米/厘米²）25ºC-60ºC22CrMnsiMo860ºC油淬+575ºC回火*860ºC油淬+575ºC回火*860ºC油淬+575ºC回火+785ºC油淬+500ºC回火860ºC油淬+575ºC回火+785ºC油淬+550ºC回火29.827.529.624.42.202.774.526.3535CrMo860ºC油淬+575ºC回火860ºC油淬+57

14、5ºC回火+785ºC油淬+550ºC回火860ºC油淬+575ºC回火+800ºC油淬+550ºC回火36.437.336.88.0314.5814.5340Cr860ºC油淬+630ºC回火860ºC油淬+630ºC回火+770ºC油淬+660ºC回火30.729.87.859.1742CrMo860ºC油淬+600ºC回火860ºC油淬+600ºC回火+765ºC油淬+550ºC回火36.038.71

15、2.2511.0645830ºC水淬+600ºC回火830ºC水淬+600ºC回火+780ºC水淬+600ºC回火17.020.214.8715.5735CrMo鋼的Ac1為755ºC,Ac3 為800ºC；40Cr鋼的Ac1為743ºC，Ac3為782ºC42CrMo鋼的Ac1為730ºC,Ac3為780ºC； 45鋼的Ac1為724ºC，Ac3為780ºC* 2CrMnsiMo鋼的臨界點未查出, 但由金相組織看出, 該鋼經(jīng)860悴火后的組 織中無鐵素體

16、存在。而經(jīng)800淬火后的組織中則有鐵素體, 故該俐的A cs 界于800ºC 860 之間。 * 此處22CrMnsiMo鋼系將母材35CrMo鋼用08CrMnSiMo鋼焊絲進行CO2氣體保護半自動焊接后的焊縫成份。焊后為類似鑄態(tài)的粗大組織。由此看來, 亞溫悴火的強韌化效果與鋼中含碳量有關(guān)。這可能是由于含碳量低時,亞溫淬火后仍得到強韌性好的板條馬氏體,而含碳量高時, 亞溫淬火后得到的組織中片狀馬氏體量增多的緣故。這一看法與對金相組織的觀察基本符合。斷口分析進一步證明了亞溫淬火的強韌化效果: 于一60ºC 沖斷的宏觀斷口上看出, 經(jīng)最佳亞溫淬火規(guī)范處理后的22CrMnSiMo

17、鋼, 只有標志韌性破斷的纖維區(qū)及剪切唇, 而沒有標志脆性的放射區(qū)(3 s c r M。鋼亦然) ; 從微觀電子掃描斷口可以看出,22CrMnSiMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后為呈現(xiàn)大量撕裂棱的準解理破斷( 圖1) , 而經(jīng)最佳亞溫淬火規(guī)范處理后則為準解理及韌窩混合斷口( 圖2) 。3 5 C r Mo 鋼經(jīng)一般調(diào)質(zhì)后于一6 0 沖斷為準解理及解理斷口( 圖3) , 而經(jīng)亞溫處理后于一60 沖斷則合部呈現(xiàn)出韌窩( 圖4) 。綜上所述, 亞溫淬火對許多結(jié)構(gòu)鋼的室溫和低溫韌性有不同程度的提高, 亦即在不犧牲強度的情況下提高了韌性狀態(tài)下的沖擊韌性 圖 1 圖 3 材 料 22CrMnSiMo鋼 材 料 35CrMo鋼

18、 熱 處 理 860油淬+ 575回火 熱 處 理 8 60 油淬+ 5 75 回火 沖斷溫度 一60 沖斷沮度 一6 0 放大倍數(shù) ×1 0 0 0 放大倍數(shù) x 10 0 0 斷口形態(tài) 準解理(有裂旅、溝道) 斷口形態(tài) 解理+ 準娜理 圖 2 圖 4材 料 2 C r Mn siM o 鋼 材 料 3 5 C rM o 鋼 熱 處 理 8 6 0 油淬+ 5 7 5 回火 熱 處 理 60油淬+575回火 + 785油摔+55D回火 +785油悴+550回火 沖斷沮度 一6 0 沖斷溫度 一60 放大倍數(shù) 議2 0 0 0 放大倍數(shù) ×1000 斷口形態(tài) 準解理+ 韌窩

19、 斷口形態(tài) 韌窩 1.2.2.2降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度亞溫淬火還可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。例如, 可降低3 5 x r e 鋼l、1 2 H s鋼7、35CrMo鋼9 、低碳錳鋼(15%C、0.38%51、1.13%Mn、0.25%Cr0.03%V、0.07%AI) 12以及3.5%Ni一Cr一Mo一V轉(zhuǎn)子鋼13 等的脆性轉(zhuǎn)變溫度。如表1-3 所示, 亞溫淬火使低碳錳鋼(0 . 1 5 %.C 、0.3 8.%5 1、1.1 3 %M n 、0.2 5 %c r 、0.03 % v 、0.07 %A I) 的脆性轉(zhuǎn)變溫度下降了20ºC而保持一般調(diào)質(zhì)后的強度水平 表1-3亞溫淬火對低錳鋼*

20、機械性能的影響12熱處理規(guī)范3(公斤/毫米²）b(公斤/毫米² )（%）夏比V 一1 5 英尺磅的脆性錢變溫度()5 0%F A T T ,( )930×30分淬火+600x40分回火930x3分淬火+540x5分淬火+600x 4 0 分回火57.460.865.569.227.936.8-50-70-24-47成份為0.15%C,0.35%Si,2.13%Mn,0.25%Cr,0.03%V,0.07%Al,Ac1為745,Ac3為880 .表1-4 亞溫淬火對3.5%Ni-Cr-Mo-V轉(zhuǎn)子鋼的形響13 鋼號熱處理規(guī)范硬度（HRC）非脆性狀態(tài)脆性狀態(tài)FATT（

21、ºC）Ab（英尺-磅）FATT（ºC）Ab（英尺-磅）25Ni3CrZMo(0.054%P,0.008%Sn)845x40小時,油淬+(625、620)回火各l小時750x80分再加熱,油淬+570xl小時回火333433-35-60115+220-1010225Ni3Cr2Mo(0.010%Sn,0.015%Sb)845x40小時,油淬+620x1小時回火(二次)750×40小時再加熱,油淬+530 x40小時+560x1小時回火344526-105-120129187-40-9510817225Ni3Cr2(0.022%P)845x40小時,油淬+ 570x1

22、小時回火750x40小時再加熱,油淬+580x40小時+5651小時回火343526+95-595136+210+8525Ni3Cr2Mo(0.010%Sn,0.015%Sb)545x40小時,油淬+(615、610 )回火各1 小時750x40小時再加熱油淬+550 x40小時+565x1小時回火343626+10-30106165+60-25102163注: 原淬火條件為845x40小時油淬。 回火后水冷為非脆性狀態(tài), 回火后按下列工藝分級冷卻為眠性狀態(tài):540×15小時525x24 小時495x48小時,爐冷至315出爐空冷。 表1-4表明, 亞溫淬火降低了3.5%Ni -Cr

23、-Mo-V轉(zhuǎn)子鋼在回火脆性狀態(tài)和非脆性狀態(tài)下的脆性轉(zhuǎn)變溫度。 1.2.2.3抑制鋼的可逆回火脆性亞溫淬火在抑制或減小某些鋼的可逆回火脆性方面效果不一，例如,可抑制35xrC鋼1、30XrC鋼11、40CrNi鋼9、2¼Cr-Mo鋼14、25Cr2Ni4MoV鋼13、含P的Ni一Cr鋼15以及40xrc鋼6的可逆回火脆性。文獻16報導,在淬火和回火之間增加一次亞溫淬火或最初就加熱至兩相區(qū)可以減小可逆回火脆性。圖1表明35Xrc鋼經(jīng)亞溫淬火后其可逆回火脆性已被抑制,k值隨回火溫度升高而單調(diào)上升。但國內(nèi)某些未發(fā)表資料17、18表明,亞溫淬火不能有效抑制30XrC鋼的可逆回火脆性,原因不詳。

24、表1-5、1-6為40Cr鋼的試驗結(jié)果由表1-5、1-6可見,亞溫淬火不能抑制40Cr鋼的可逆回火脆性,不論采用何種淬火規(guī)范,在脆化溫度回火時,回火后不論快冷或慢冷,沖擊韌性值均低高于脆化溫度回火時,回火后快冷的沖擊韌性值均高, 回火后慢冷的均低。40CrNi鋼則不然,如表1-7所示,一般調(diào)質(zhì)時,回火冷速對所得沖擊韌性值有明顯影響,冷速愈慢,韌性愈差,反映出可逆回火脆性的存在。調(diào)質(zhì)后再進行一次亞溫淬火,則回火后沖擊韌性值對回火冷速基本上已不敏感,爐冷的K值僅略低于快冷的,且在所有回火冷速下均較調(diào)質(zhì)后的K值為高。掃描電鏡觀察的斷口見圖。對比圖7a與圖7c可見,亞溫淬火抑制了40CrNi鋼的可逆回

25、火脆性, 獲得了韌窩斷口,而調(diào)質(zhì)的為沿晶斷口。文獻19亦指出,經(jīng)回火脆性區(qū)回火后,常溫淬火試樣在室溫及一196ºC沖斷后的斷口為沿奧氏體晶界脆斷的; 而亞溫淬火試樣則為沿奧氏體晶界韌斷的無光澤斷口。據(jù)文獻15報導,采用亞溫淬火幾乎可以完全抑制加0.06%P(重量)的Ni一Cr鋼的回火脆性敏感性。該工作對常規(guī)熱處理采用了三種奧氏體化溫度(1200ºC 、1050ºC和850ºC)以獲得一系列不同的原奧氏體品粒度, 然后油淬。對于亞溫淬火采用同樣的預(yù)先奧氏體化處理, 奧氏體化后油淬, 再于745ºC加熱水淬。常規(guī)淬火試樣于625ºC回火1

26、小時,亞溫淬火試樣于560ºC回火2小時,以使二者獲得相同的硬度,然后于480ºC時效3000小時以產(chǎn)生回火脆性。結(jié)果表明,亞溫淬火后在脆化溫度長時間回火不發(fā)生脆化。金相分析表明,亞溫淬火后斷裂仍沿晶界發(fā)生, 但由于亞溫淬火時在原粗大的奧氏體晶界上形成了新的細小的奧氏體晶粒( 14 16級),而斷裂是沿小奧氏體晶粒邊界發(fā)生的,故使K值升高。此外,俄歇電子譜儀分析證實亞溫淬火亦使磷在奧氏體晶界的偏聚量減少。同一作者又研究了加0.06 %Sb的影響20。結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞溫淬火不能抑制該鋼的可逆回火脆性, 但對此尚不能下肯定結(jié)論綜上所述,亞溫淬火在某些情況下可以有效抑制某些鋼的可逆回火

27、脆性,但對有的鋼效果不明顯。即使對同一鋼種,有時不可抑制,而有時則不能抑制。由此看來, 亞溫淬火對抑制可逆回火脆性是有條件的。此外, 亞溫淬火的上述強韌化效果在其它低碳錳鋼(0.15%0.21%c、1.46.7%Mn)21、低碳復(fù)雜合金鋼2、超高強度鋼23、24以及別的鋼種25上均得到反映。亞溫淬火還可消除18MnV鋼距熔合線。.25毫米處熱影響區(qū)的過熱對韌性所造成的不良影響26。亞溫淬火這一強韌化措施對發(fā)展低溫用鋼亦有相當貢獻2730。 表1-5 550ºC回火后冷卻速度對40Cr栩沖擊韌性的形響9 No熱處理規(guī)范最后一次回火后的冷去方式HRCk-60ºC（公斤*米/厘米

28、²）1234567860油淬+630回火+770油淬+550回火2小時860油淬+630回火+770油淬+550回火4小時860油淬+630回火+760油淬+550回火2小時860油淬+630回火+760油淬+550回火4小時860油淬+630回火+860油淬+550回火2小時860油淬+630回火+860油淬+550回火4小時860油淬+630回火+550回火4小時單件散放快冷斷電開爐門緩冷單件散放快冷斷電開爐門緩冷單件散放快冷斷電開爐門緩冷斷電開爐門緩冷34.332.534.432.135.133.132.56.506.436.626.106.206.806.60注: No14為

29、最佳亞溫淬火工藝。 No56為二次調(diào)質(zhì)。No7為一次調(diào)質(zhì)。 表1-6 600ºC以上回火后冷卻速度對40Cr銅沖擊韌性的影晌9No熱處理規(guī)范最火一次回火后的冷去方式HRC k-60ºC（公斤*米/厘米²）12345860油淬+630回火860油淬+630回火+770油淬+600回火860油淬+630回火+770油淬+600回火 860油淬+630回火+860油淬+600回火860油淬+630回火+860油淬+600回火 毛坯堆放緩冷單件散放快冷斷電開爐門緩冷單件散放快冷斷電開爐門緩冷30.729.829.231.27.859.178.009.037.06注: No

30、1為一次調(diào)質(zhì) No23為最佳亞溫淬火工藝No45為二次調(diào)質(zhì)。 表1-7 亞沮淬火對40CiNi鑰可逆回火脆性的影響9No熱 處 理 規(guī) 范k15ºC（公斤*米/厘米²）1830油淬+650x2小時油冷。16.162830ºC油淬+650x2小時空冷。15.643830油淬+650x2小時爐冷。12.314830油悴+650x2小時空冷+760油淬+650x2小時油冷18.805830ºC油淬+650x2小時空冷+760ºC油淬+650ºCx2小時空冷18.456830油淬+650x2小時空冷+760油淬+650x2小時爐冷17.35*

31、 毛坯鍛后均經(jīng)750退火。 圖 5 圖 6 材 料 40CrNi鋼 材 料 40CrNi鋼 熱 處 理 830油悴+650回火爐冷 熱 處 理 830油淬+650回火油冷 沖斷溫度 15 沖斷溫度 15 放大倍數(shù) xl000 放大倍數(shù) x1000 斷口形態(tài) 沿晶 斷口形態(tài) 韌窩 圖 7 圖 8材 料 40CrNi鋼 材 料 40CrNi鋼熱 處 理 830油淬+650回火空冷 熱 處 理 830油淬+650回火空冷 +760油淬+650回火護冷 +760油淬+650回火油冷沖斷溫度 15 沖斷溫度 15ºC放大倍數(shù) X500 放大倍數(shù) X500斷口形態(tài) 韌窩 斷口形態(tài) 韌窩(原材料有

32、裂墳、夾雜沿梅氏試祥長度方向分布） §1.2.3 影響亞溫淬火強韌化的因素 1.2.3.1原始組織的影響有人認為原始組織對亞溫淬火效果的影響不大,如文獻s對45、40和60鋼進行了常規(guī)淬火與直接亞溫淬火試驗對比,全部試樣鍛造后經(jīng)正火(45鋼和40鋼)和退火(60鋼), 測得的硬度、強度極限和沖擊韌性值示于（附錄1）。由圖8得知,于Ac3以下510ºC處進行亞溫淬火時, 在HRC、b和k值曲線上均出現(xiàn)一個最大值。該最大值較完全淬火后的數(shù)值略高, 這表明原始狀態(tài)(正火態(tài)或退火態(tài))對亞溫淬火對強韌化效果的影響不大。 然而, 大多數(shù)工作均表明原始組織對亞溫淬火的強韌化效果確有影響。

33、有人認為亞溫悴火前的原始組織必須是象馬氏體或貝氏體那樣與預(yù)處理時的奧氏體有一定位向關(guān)系的組織才有效。例如,文獻11指出,原始組織必須保證為有一定取向的細針狀鐵素體析出物時( 如經(jīng)等溫淬火所得的貝氏體組織),亞溫淬火方有效。若原始組織為粒狀、片狀等無一定取向的組織時就不能提高沖擊韌性值。但更多的工作表明, 原始組織為調(diào)質(zhì)態(tài)時,亞溫淬火可獲得良好效果。文獻1報導,將35xre鋼加熱至兩相區(qū)( 500ºC)淬火, 然后于550ºC回火4小時,結(jié)果表明原始組織為調(diào)質(zhì)態(tài)時,K值高達12.5公斤·米/厘米²,而原始組織為退火態(tài)時僅為5公斤·米/厘米

34、8;。文獻10報導了10Ni5鋼的原始組織對亞溫淬火后機械性能的影響( 見表1-8 ) 。數(shù)據(jù)表明, 原始組織為淬火態(tài)和正火態(tài)時均有效。文獻的報導了40CrNi鋼的不同原始組織( 退火態(tài)、正火態(tài)、淬火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài))對亞溫淬火效果的影響, 所得結(jié)果見表1-9 。由表1-9可見,除退火態(tài)( 金相組織中有大塊鐵素體) 外,均得到了相近的良好效果。用掃描電鏡觀察斷口亦表明, 除退火態(tài)呈沿晶斷裂外, 其余皆為韌窩斷口。這表明亞溫淬火對原始組織并無特殊要求, 只要求不存在大塊鐵素體即可。這與過共析鋼不完全淬火對原始組織不得有網(wǎng)狀碳化物存在的要求是一致的。 表1-8 10Ni5鋼的原始組織對亞溫淬火效果的影響

35、10熱處理規(guī)范拉伸性能夏比沖擊值CV （公斤-米）S（公斤/毫米²）b（公斤/毫米²）s（%）（%）850正火+850水淬+760770水淬+560回火爐冷5766.53280.52118.221211921.723.710.58.77.81.61.5850正火+760770水淬+560ºC回火爐冷505930.781.523.422.820.417 表1-9 40CrNi鋼的原始組織對亞溫淬火效果的影響9 No原始組織亞溫淬火溫度（ºC）回火后k15ºC（公斤*米/厘米²）600ºC×2小時空冷650º

36、C×2小時空冷123456840ºC退火態(tài)840ºC正火態(tài)830ºC淬火態(tài)840ºC正火+830ºC淬火態(tài)830ºC淬火+600ºC回火態(tài)830ºC淬火+650ºC回火態(tài)76076076076076076011.2014.4917.35-18.48-12.0617.8817.6818.74-18.80 表1-10 進人兩相區(qū)的方式對152鋼機械性能的影響31淬 火回火溫 度（ºC）s（公斤/毫米²）b（公斤/毫米²）（%）（%）-60ºC沖斷加熱保 溫（&

37、#186;C）冷卻a（公斤*米/毫米²）纖維斷口（%）從室溫加熱從室溫加熱900ºC以上900ºC以上 850770750650水水水水65065065065040354149565255533436343481787678323224251001003550成份：0.13%C,0.25%Si,1.62%Mn,0.14%V,0.02%S,0.018%P；Ac1為720,Ac3為900ºC,Ar1為610ºC，Ar3為780ºC 1.2.3.2進入兩相區(qū)方式的形晌鋼以哪種方式進入+兩相區(qū)( 臨界區(qū)) 將影響鐵素體的形態(tài)及分布, 從而影響

38、亞溫淬火后的強韌化效果。進入兩相區(qū)的方式有兩種, 一種是將鋼先加熱至Ac1以上奧氏體花, 然后冷待至兩相區(qū), 即所謂“從上進入兩相區(qū);另一種是將鋼從室溫直接加熱至兩相區(qū), 即所謂“從下”進入兩相區(qū)。文獻31報導了15r2中鋼進入兩相區(qū)的方式對亞溫淬火效果的影響(見表1-10)。由表1-10可見,“從下”進入兩相區(qū)的效果較佳。這是因為“從下”進入兩相區(qū)時, 鐵素體是未溶解完而殘留的相,一般較細小且分布均勻. , 而“從上”進入兩相區(qū)時, 鐵素體則沿原奧氏體晶界析出或在奧氏體晶內(nèi)成堆析出, 一般較粗大且分布不均勻。這兩種方式所得組織不同,故對韌性所起的作用也不同。文獻11報導了30XrC鍋預(yù)淬火加

39、熱溫度和亞溫淬火加熱速度對亞溫淬火強韌化效果的影響。所用預(yù)淬火加熱溫度為950ºC和1250ºC,亞溫淬火的加熱速度為1ºC/ 分和一般加熱爐加熱速度, 淬火后均于脆化區(qū)(550ºC)回火4小時,結(jié)果示于圖9（見附錄2）。圖9的曲線表明, 預(yù)淬火加熱溫度和亞溫淬火加熱速度的影響不大。在所有曲線上, 于780-800之間均出現(xiàn)一個僅位置及寬度略有不同的K峰值, 比調(diào)質(zhì)(900淬火+50ºC回火)后的K約高23倍。預(yù)處理, 再經(jīng)不同加熱溫度淬火并不同溫度回火, 測得的沖擊韌性和強度示于圖10用膨脹法測得其AC1為720ºC、Ac3為830

40、ºC。由圖10可見, 經(jīng)780ºC和800 ºC 亞溫淬火者,雖然硬度較低,但回火后的a*值均較高,且氣值隨回火溫度的升高而不斷增加,不出現(xiàn)回火脆性而經(jīng)82OºC(已趨于Ac3)和950ºC(已超過Ac3)淬火者淬火后的K值均低,且均出現(xiàn)回火脆性。這表明,30xrc鋼的亞溫淬火加熱溫度以Ac3以下3050ºC為宜。文獻25指出25CrNiMoV鋼的亞溫淬火加熱溫度也以不低于Ac3以下5OºC為佳。文獻14報導的2¼Cr-Mo鋼的試驗結(jié)果表明,在Ac1 Ac3之間提高奧氏體化溫度,由于減少了鐵素體量, 使屈服極限和強

41、度極限均得到提高,但超過Ac3則不好。文獻32報導的20、40、12×M、20x3MB中和15×1M1中鋼的試驗結(jié)果表明, 在Ac1一Ac3之間升高淬火加熱溫度,由于降低了奧氏體中的含碳量, 使MS點升高而得到較多的在高溫下轉(zhuǎn)變的且已自回火的板條馬氏體(HB400),因而不會引起鋼的脆化。若降低亞溫淬火加熱溫度, 則硬的高碳片狀馬氏體(HB600700)將導致鋼的脆化。對45、40X和60C2鋼的試驗結(jié)果表明,亞溫淬火加熱溫度以Ac3,以下51OºC為最佳,愈接近Ac1,則K值愈低, 鋼呈脆性8。據(jù)文獻10報導,對5%Ni鋼(Ac1 為630ºC,Ac3

42、為790ºC) 于760770ºC加熱淬火,既能保持較高強度,又獲得高塑性及低溫韌性。降低淬火加熱溫度,鐵素體量不斷增加,回火索氏體量相應(yīng)減少, 導致鋼的性能下降。對于含0.42%C的Ni一Mo鋼, 以鐵素體量小于14%時為佳,大于14%后所得的0.2偏低33。文獻9報導了35CrMo鋼的試驗結(jié)果。試樣預(yù)先經(jīng)調(diào)質(zhì)處理, 經(jīng)不同加熱溫度淬火并不同溫度回火后的沖擊韌性和硬度示于圖10（見附錄2）。所得結(jié)果表明,隨著火淬溫度的升高、亦即隨未溶鐵素體量的減少,淬火及回火后的硬度均不斷升高,沖擊韌性的變化則較復(fù)雜,一般隨淬火溫度的升高,淬火并回火后的沖擊韌性先降后增,以后又降。對2C

43、rMnSiMo鋼和40Cr鋼亦得出類似結(jié)果,這與文獻8所報導的規(guī)律是一致的。K值之所以隨淬火加熱溫度的升高而如此變化, 目前尚未弄清,一般認為K值最低處可能對應(yīng)于獲得大量鐵素體和非常硬的高碳馬氏體區(qū)。綜上所述, 各種鋼均有一個對應(yīng)于獲得HRC、s、b、沖以及K值最佳配合的適宜淬火加熱溫度,盡管該溫度高低不等,但均以離Ac3不太遠的溫度為宜,在該溫度下淬火后的組織保留少量韌性的鐵素體。高于此溫度即為完全淬火,已不存在少量未溶鐵素體的有利作用。接近Ac1則大量未溶鐵素體將使鋼的性能顯著變壞。但應(yīng)指出,對鐵素體的作用至今尚未完全弄清,文獻9報導,當鐵素休量減至零時, 強韌化效果并未減弱, 有關(guān)此問題

44、將在后面闡述。至于有關(guān)亞溫淬火后保留下來的鐵素體對鋼的疲勞性能的影響了解得還不多。文獻34報導,將40X鋼加熱至760780ºC (每間隔10一15ºC取一溫度) 油淬并經(jīng)600ºC回火后, 得到030%的鐵素體。疲勞彎曲試驗表明, 鋼的疲勞強度隨鐵素體量的增加而下降, 疲勞斷裂起源于鐵素體。看來, 有關(guān)鐵素體對疲勞性能的影響尚需進一步研究。 §1.2.3.3亞盆淬火加熱時間的影晌 文獻9的報導了亞溫淬火加熱時間對35CrMo鋼沖擊韌性的影響。結(jié)果認為亞溫淬火時在保證組織充分轉(zhuǎn)變的情況下延長保溫時間對鋼的性能影響不大。 §1.2.3.4亞沮淬火

45、次數(shù)的影晌文獻35報導了多次亞溫淬火對低碳錳鋼高溫回火后性能的影響。研究結(jié)果見表1-11。一次亞溫淬火后在鋼的硬度稍有降低情況下提高了沖擊韌性, 降低了脆性轉(zhuǎn)變溫度。二次亞溫淬火后硬度不再降低, 進一步提高了沖擊韌性并降低了脆性轉(zhuǎn)變溫度。文獻36指出,增加亞溫淬火的次數(shù),可進一步改善中碳合金鑄鋼的低溫韌性。據(jù)文獻10報導,對5%Ni鋼進行二次亞溫處理(重復(fù)二次760 77 0ºC水淬+560ºC回火爐冷),進一步細化了晶粒,改善了過熱組織。綜上所述, 增加亞溫淬火的次數(shù)對鋼的強韌化是有貢獻的, 但應(yīng)根據(jù)對性能的要求和工藝力求簡單而予以綜合考慮。表1-11 亞溫淬火對低碳錳鋼

46、高回火后性能的形響35鋼熱 處 理-120ºC夏比沖擊值 （公斤*米/厘米²）-9ºC夏比沖擊值（ 公斤*米 /厘米²）50%脆性斷口轉(zhuǎn)變溫度（ºC）HV第一次淬火（ºC）第二次淬火（ºC）第三次淬火（ºC） 回 火 （ºC）0.09%C,1.11%Mn(Ac1為877 ,A c3,為726 )9009009009009009008008008008007507506006506006506006502.53.05.18.99.14.0-90-73-115-100-108-9615415113713713

47、31370.13% C , 1.22%（A c1為870, Ac3為720ºC）900900900900900900 80080080080075075060065060065060065011.016.516.719.018.518.5-22-20-63-62-64-60254207195188191189 §1.2.3.6亞溫淬火后回火溫度的影響低于200ºC回火往往不能充分發(fā)揮亞溫淬火時兩相組織的強韌化效果。隨回火溫度的升高,該組織的優(yōu)越性才愈加明顯。在200ºC以上回火時,隨回火溫度的升高, 鋼的硬度逐漸下降,韌性明顯上升。文獻37認為,回火溫度

48、低時,馬氏體與鐵素體的強度差別大,微裂紋多起源于鐵素體,鋼反映出較高的脆斷傾向?；鼗饻囟雀邥r,微裂紋主要發(fā)源于馬氏體和鐵素體相界面上,鋼將呈現(xiàn)韌斷。目前尚無更令人信服的解釋。但可肯定,溫度低時, 二相強度差別大,易引起應(yīng)力集中,而高溫下二相強度差別減小,有利于改善應(yīng)力分布。圖6示出35XRC鋼經(jīng)常規(guī)淬火和亞溫淬火后由250至600回火時沖擊韌性和硬度的變化規(guī)律。在所有回火溫度下, 亞溫淬火的硬度雖較低, 但隨回火溫度的升高, 硬度差別減小, 而沖擊韌性值則隨回火溫度的升高而遠遠高于常規(guī)淬火的。一般均認為亞溫淬火時,由于有鐵素體存在,鋼的硬度下降。但因亞溫淬火抑制了可逆回火脆性,沖擊韌性曲線不出

49、現(xiàn)低谷,而是單調(diào)增高,故可采用比常規(guī)淬火后較低的回火溫度而不必回避回火脆化區(qū),以獲得與常規(guī)淬火并回火相當?shù)挠捕? 且兼具更高的韌性。文獻9所報導的22CrMnSiMo鋼、32CrMo鋼和40Cr鋼*的試驗結(jié)果亦表明,隨亞溫淬火后回火溫度的升高,硬度下降,韌性上升。但以550600ºC效果最佳,即在保持所要求的相同硬度前題下,亞溫淬火比常規(guī)淬火的K值為高。 §1.2.4 論文的目的與意義如前所述,亞溫淬火可以提高鋼在韌斷時的沖擊韌性,降低脆性轉(zhuǎn)變溫度以及抑機可逆回火脆性。至今為止,對于亞溫淬火的這種作用的機理尚未完全弄清。已經(jīng)提出的有以下幾種看法,其中有的可用以解釋沖擊韌性的

50、提高,有的則用以闡明回火脆性的抑制。現(xiàn)分述如下。1. 晶粒細化:由于亞溫拌火加熱溫度低,且存在未溶鐵素體可阻止晶粒長大,故淬火前的實際晶粒較細。電鏡觀察表明13,在Ac1Ac3兩相區(qū)加時,鐵素體與原奧氏體晶界的面積,即/r 界面較常規(guī)淬火組織里的奧氏體晶界面積約大1050倍。如所周知,強度指標與晶粒尺寸之間存在著Hall一Petch關(guān)系,晶粒愈細,強度愈高,對兩相合金亦然38。由于晶粒細化所提高的強度可以部分彌補由于保留少量鐵素體而引起的強度下降。同時,晶粒細化又對韌性有所補益。 文獻15中指出,亞溫淬火時,沿淬火前原粗大奧氏體晶界形成新的極小的(14 16級)奧氏體晶粒。作者認為這是亞溫悴火

51、后在脆化區(qū)長期回火仍能獲得高韌性的主要原因 2.未溶鐵素體阻礙裂縫擴展:亞溫淬火的主要特點是保留一部分未溶鐵素體。鐵素例勺存在對于抑制可逆回火脆性的作用還是比較肯定的(這一點將在下面討論), 降低強度和硬度也是公認的, 但對沖擊韌性的影響爭議則比較大。文獻10、14、39、40、41等認為,硬度低塑性好的鐵素體的存在能防止應(yīng)力集中和阻礙裂紋擴展,故能提高鋼的沖擊韌性。但文獻9指出,亞溫淬火加熱溫度愈接近Ac3,未溶鐵素體量愈少,回火后在強度與調(diào)質(zhì)時相同的情況下, 沖擊韌性愈高。若進一步提高淬火加熱溫度(略高于Ac3),結(jié)果發(fā)現(xiàn)沖擊韌性并未因鐵素體消失而下降(見表1-12及表1-2 )。據(jù)此,文獻9認為,韌性的提高主要是由于晶粒細化而非因存在未溶鐵素體所致。如果不考慮抑制可逆回火脆性的作用, 鐵素體的存在對強度和韌性均無好處,這也說明了僅在亞溫淬火加熱溫度接近A c3、未溶鐵素體量很少、