鋼的淬透性與淬硬性分析

1、45、60Si2Mn鋼的淬透性與淬硬性分析摘要： 淬硬性1是指鋼在正常淬火條件下，所能達(dá)到的最高硬度。淬硬性主要與鋼中碳的含量有關(guān)。形狀、尺寸相同的不同鋼材淬火后，所獲得的硬度值大小是不相同的?？梢愿鶕?jù)所獲得的最高硬度來進(jìn)行淬硬性的比較，硬度越高的淬硬性越好，反之，硬度越低的淬硬性越差。淬透性1是指鋼材在理想條件下淬火所能獲得的馬氏體組織硬層深度的傾向。淬透性是鋼材固有的一種屬性，它取決于鋼的淬火臨界冷速1的大小。形狀、尺寸相同的不同鋼材，在相同條件下淬火后，它們所獲得淬層深度是不相同的，淬硬層深度越深，我們就說他的淬透性越好。相反，淬層深度越淺，它的淬透性越差。本次綜合實驗研究在正常淬火條件

2、下，45鋼和60Si2Mn的硬度差別與變化，來對比不同鋼種的淬硬性和淬透性的差別，通過金相組織的對比來說明影響45鋼和60Si2Mn的淬透性和淬硬性的組織因素。關(guān)鍵詞：淬透性淬硬性含碳量臨界冷卻速度Research on Quenched and Hardenability Characteristics of 45 and 60Si2Mn SteelsAbstract: Quenching rigid means steel can reach the highest rigiditys ability in normal quenching condition. Major in stee

3、l quenching rigid with carbon content. The same in different shapes, sizes steel quenching after hardness value is not the same size. According to the highest rigidity obtained to compare, the higher the better the quenching rigid, conversely, the lower the rigid quenching.Its quench-hardening abili

4、ty means steel can obtain martensitic organizations of hard layer depth in ideal quenching conditions. Its quench-hardening ability is an attribute of the inherent steel, which depends on the steel quenching cooling rate of critical size. Under the same conditions after quenching, the same in differ

5、ent shapes, sizes steel, obtain differ depth is quenched. The depth of hardening layer, the better its quench-hardening ability, instead the shallow depth of quenching, its quench-hardening ability. This comprehensive experimental research on normal quenching condition,the difference of hardness cha

6、nge between 45 and 60Si2Mn , to contrast different kinds of rigid and its quench-hardening ability. Through comparison of metallographic organization to illustrate the influence of 45 steel 60Si2Mn and its quench-hardening ability and organizational factors of rigid.Keywords: Quenched Characteristic

7、 Hardenability characteristic Carbon content Critical cooling rate 目錄第一章緒論11.1 45、60Si2Mn的綜合性能和應(yīng)用11.1.1 45鋼的工作條件及性能要求11.1.2 60Si2Mn的工作條件與性能要求11.2鋼的熱處理21.2.1調(diào)質(zhì)鋼的熱處理21.2.2彈簧鋼的熱處理21.3合金元素在45、60Si2Mn中的作用21.3.1合金元素在45中的作用21.3.2合金元素在60Si2Mn中的作用31.4 本次實驗?zāi)康?第二章 實驗方案和實驗過程321實驗材料及設(shè)備3211實驗材料45、60Si2Mn的化學(xué)成分3212

8、實驗設(shè)備32.2實驗方案32.1.2鋼的熱處理工藝參數(shù)32.1.3實驗過程42.3金相顯微組織觀察42.3.1金相組織的制備42.3.2 顯微攝影4第三章 實驗結(jié)果分析531實驗結(jié)果53.11硬度值記錄5312實驗試樣金相組織照片532 45、60Si2Mn淬火后組織分析633 45、60Si2Mn淬硬性和淬透性分析6第四章 實驗結(jié)論8參考文獻(xiàn)8第一章 緒論1.1 45、60Si2Mn的綜合性能和應(yīng)用 1.1.1 45鋼的工作條件及性能要求通常將經(jīng)過淬火和高溫回火處理而使用的結(jié)構(gòu)鋼成為調(diào)質(zhì)鋼。45鋼屬于典型的低淬透性中碳調(diào)質(zhì)鋼，調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體組織2。調(diào)質(zhì)鋼是應(yīng)用最廣的機(jī)器零件用鋼

9、，約占行業(yè)中機(jī)器零件用鋼的30%。為獲得良好的綜合機(jī)械性能，通常進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。許多機(jī)器設(shè)備上的重要零件如機(jī)床主軸、汽車拖拉機(jī)的后橋半軸、柴油發(fā)電機(jī)曲軸、連桿、剛強(qiáng)度螺栓等，都是在多種應(yīng)力負(fù)荷下工作的，受力情況比較復(fù)雜。例如汽車上的主軸，工作時即傳遞扭矩又承受彎矩，所受力是交變的動負(fù)荷應(yīng)力，其常見的失效形式是疲勞斷裂2。還有些軸，由于軸頸與滑動軸承的相配合而產(chǎn)生相對滑動、摩擦磨損。在極少數(shù)的情況下，當(dāng)機(jī)器啟動或急剎車換擋時，收到一定沖擊載荷的作用。因此，對調(diào)質(zhì)鋼的性能提出如下要求:高的屈服強(qiáng)度和疲勞極限、良好的沖擊韌性和塑性、軸的表面和局部要有一定的耐磨性，又強(qiáng)又韌，具有良好的綜合力學(xué)性能。在滿

10、足良好的力學(xué)性能要求的同時，還必須考慮材料的斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展速率等性能。一般調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能指標(biāo)范圍大體如下：s8001100MPa，0.27001000MPa，9%15%，45%55%，k60120J/cm,k-40。調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能的原因與其在使用狀態(tài)下組織為中碳回火索氏體有關(guān)。這種組織狀態(tài)具有以下特點： 強(qiáng)化相為彌撒均勻分布的顆粒狀碳化物，可以保證有較高的塑變抗力和疲勞強(qiáng)度。 組織均性好，減少了裂紋在局部薄弱地區(qū)形成的可能，可以保證有良好的塑性和韌性。 作為基體組織的鐵素體是從淬火馬氏體轉(zhuǎn)變而成的，其晶粒細(xì)小，使鋼的冷脆傾向大大減小。1.1.2 60Si2Mn的工作條件

11、與性能要求60Si3Mn是常用的彈簧鋼3鋼種。在各種機(jī)器設(shè)備中，彈簧的主要作用是吸收沖擊能量，緩和機(jī)械的振動和沖擊作用。例如，用于汽車拖拉機(jī)和機(jī)車上的疊板彈簧，它們除了承受車廂和在屋的巨大質(zhì)量外，還要承受因地不平所引起的沖擊載荷和振動，使汽車、火車等車輛運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并避免因受沖擊而過早地破壞。此外，彈簧還可儲存能量，使其機(jī)件完成事先規(guī)定的動作，保證機(jī)器和儀表的正常工作。由此可見，在外力作用下彈簧發(fā)生變形以吸收能量；外力去除后，彈性變形又恢復(fù)放出能量，從而保證彈簧本身不受損害，可見，彈簧也是在交變載荷下工作，其破壞形式是疲勞斷裂和由于塑性變形而失去彈簧作用。根據(jù)以上工作要求，彈簧應(yīng)具有如下性能：高

12、的彈性機(jī)箱、屈服極限和高的屈強(qiáng)比，以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力，并能承受大的載荷。 高的疲勞極限，以保證彈簧在長期的振動和交變應(yīng)力作用下不產(chǎn)生 疲勞破壞。 為了滿足成型的需要和可能承受的沖擊載荷，彈簧應(yīng)具有一定的塑性和韌性k20%。1.2鋼的熱處理1.2.1調(diào)質(zhì)鋼的熱處理由于調(diào)質(zhì)鋼中含碳量較高，又含有不同數(shù)量的合金元素，因而在熱加工后其組織將有很大差別。為了改善切削加工性以及改善因軋、鍛不適當(dāng)而造成的晶粒粗大和帶狀組織，調(diào)質(zhì)鋼在切削加工前需進(jìn)行預(yù)備熱處理。對于合金元素含量較低的調(diào)質(zhì)鋼可進(jìn)行正火或退火處理。對于合金元素含量較高的調(diào)質(zhì)鋼，因正火后可得到馬氏體組織，尚需正火后再在Ac1以下溫度進(jìn)

13、行高溫回火，使其組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w，降低硬度，便于切削加工。調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火。調(diào)質(zhì)鋼的最終性能取決于回火溫度的選擇。當(dāng)要求高塑性、高韌性及一定的強(qiáng)度時，采用500600回火，即調(diào)質(zhì)處理，獲得回火索氏體3組織。1.2.2彈簧鋼的熱處理為進(jìn)一步發(fā)揮彈簧鋼的性能潛力，在彈簧鋼熱處理時應(yīng)注意以下幾點： 彈簧鋼多為硅錳鋼，硅具有促進(jìn)脫碳的作用，錳有促進(jìn)晶粒長大的作用。表面脫碳和晶粒長大均使鋼的疲勞強(qiáng)度大大下降，因此加熱溫度、加熱時間和加熱介質(zhì)均應(yīng)注意選擇和控制。 回火溫度一般為350450。若鋼材表面狀態(tài)良好，應(yīng)選用低限溫度回火；反之，若表面狀態(tài)欠佳，可用上限溫度回火，以提高鋼的韌性

14、，降低對表面缺陷的敏感性。 彈簧鋼含硅量較高，鋼材在退火過程中易產(chǎn)生石墨化，對此必須引起重視。1.3合金元素在45、60Si2Mn中的作用1.3.1合金元素在45中的作用45鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。主加元素有Mn、Cr、Si、Ni、B等，這些元素加入或復(fù)合加入可以提高鋼的淬透性，并保證機(jī)械零件整體具有良好的綜合力學(xué)性能。輔加元素有Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素，他們一般不單獨加入，而是加在含有主加元素的鋼中，切含量較少。主要作用是細(xì)化晶粒、提高回火穩(wěn)定性和鋼的強(qiáng)韌性。1.3.2合金元素在60Si2Mn中的作用簧鋼中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，以保證高的彈性極限與疲勞極限1。Si、Mn是彈簧鋼中經(jīng)常應(yīng)用

15、的合金元素，目的是提高淬透性、強(qiáng)化鐵素體、提高鋼的回火穩(wěn)定性，使其在相同的回火溫度下具有較高的硬度和強(qiáng)度。其中Si的作用最大，但Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大事有石墨化傾向，且在加熱時使鋼易于脫碳。Mn能增加鋼的過熱敏感性3。加入Cr、W、V。為了克服硅錳鋼的不足，加入碳化物形成元素，它們可以防止鋼的過熱和脫碳，提高淬透性，W、V可細(xì)化晶粒，并保證鋼在高溫下仍具有較高的彈性極限和屈服極限。1.4 本次實驗?zāi)康谋敬螌嶒炇茄芯吭谡５拇慊饤l件下，通過洛氏硬度計在鋼件表面打洛氏硬度，比較兩種鋼硬度值的不同，進(jìn)一步比較不同鋼種的淬硬性；然后再鋼件的剖開面上沿徑向打一組硬度值、繪制U曲線描繪硬度的變化趨勢，打磨拋光制

16、作金相試樣、觀察內(nèi)部組織來比較45、60Si2Mn的淬透性。第二章 實驗方案和實驗過程21實驗材料及設(shè)備211實驗材料45、60Si2Mn的化學(xué)成分(w%)表2.1 45、60Si2Mn鋼化學(xué)成分4鋼號C/%Mn/%Si/%450.420.500.500.800.170.3760Si2Mn0.570.650.600.900.152.00212實驗設(shè)備實驗用箱式電爐、洛氏硬度計、淬火用水槽、油槽及淬火介質(zhì)、砂紙、電子顯微鏡和夾鉗2.2實驗方案2.1.2鋼的熱處理工藝參數(shù)5表2.2 45、60Si2Mn的熱處理工藝參數(shù)鋼號 Ac3/ 熱處理溫度/ 保溫時間/ min 冷卻介質(zhì)45 780 850

17、40 水或油60Si2Mn 810 850 40 油2.1.3實驗過程選擇2個2040mm的45鋼件標(biāo)記為1、2和2個1530mm 60Si2Mn鋼件標(biāo)記為3、4。將4個鋼件放入箱式保溫爐中850下保溫40min。將4個鋼件取出放入油中冷卻。將冷卻后1、3號鋼件在洛氏硬度計上不同的三個部位打硬度，記下硬度值并求出平均值。將2、4號鋼件在線切割機(jī)上沿中間部分徑向切開，然后打磨、拋光，制作金相試樣，觀察金相組織并照相。將剖開后的2、4號鋼件磨光沿徑向通過直徑方向打一組數(shù)據(jù)，記下每個硬度值。2.3金相顯微組織觀察2.3.1金相組織的制備(1)取樣(2)打磨：180240400600800100015

18、00金相試紙(3)拋光：先粗拋光，再細(xì)拋光，拋光劑為水，直至試樣表面像鏡面為止。(4)腐蝕:試樣拋光面侵入侵蝕劑中，面呈暗灰色，用水沖洗。(5)烘干：用熱風(fēng)吹干。2.3.2 顯微攝影用金相顯微鏡對拋光后腐蝕的表面進(jìn)行拍照。第三章 實驗結(jié)果分析31實驗結(jié)果3.11硬度值記錄表3.1 淬硬性實驗硬度值鋼號 HRC 平均值1 33 32 32.5 32.53 62 62 59 61.3表3.2淬透性實驗硬度值鋼號 HRC3 45 33.5 3231 29 27.5 26 27.5 26 27.5 29 31.5 324 63 62.5 62.3 62.3 62.2 62.1 62 62 62 62.

19、2 62.3 62.3 63312實驗試樣金相組織照片 圖3.1 45鋼淬火后組織（400x）圖3.2 60Si2Mn淬火組織(400x)32 45、60Si2Mn淬火后組織分析從所得的金相組織分析, 60Si2Mn淬火后的表面組織幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)獒槜l狀馬氏體，只含有少量鐵素體和顆粒狀珠光體6組織，這與60Si2Mn鋼含碳量較高和大量合金元素有關(guān)；45鋼淬火后組織為部分針狀馬氏體6，殘余大量的鐵素體和珠光體，這是因為在實驗中，鋼件沒有經(jīng)過正火的處理，沒有在淬火前使組織細(xì)化7，造成鐵素體沒有完全溶入奧氏體，而殘留在組織中。但是組織還是以馬氏體為主。這也是淬火后組織強(qiáng)化的重要原因。碳的影響是主要的，

20、當(dāng)C小于1.2時，隨著奧氏體中碳濃度的提高，顯著降低臨界冷卻速度，C曲線右移，鋼的淬透性增大；當(dāng)C大于時，鋼的冷卻速度反而升高，C曲線8左移，淬透性下降。其次是合金元素的影響，除鈷外，絕大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后，均使C曲線右移，降低臨界冷卻速度8，從而提高鋼的淬透性。33 45、60Si2Mn淬硬性和淬透性分析 圖3.3 45鋼淬透性曲線圖3.4 60Si2Mn的淬透性曲線從所得的硬度曲線分析,根據(jù)實驗前后測得硬度值的比較可繪制出45、60Si2Mn的硬度曲線，通過實驗后繪制的45、60Si2Mn的硬度曲線看到，60Si2Mn的淬透性比45鋼的淬透性好得多，且60Si2Mn的淬硬性較好，淬透

21、性與淬硬性不是一個內(nèi)容，其區(qū)別在于：硬度與淬硬性相關(guān)。鋼的淬透性主要取決于它的化學(xué)成分，特別是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加熱溫度5和保溫時間等因素有關(guān)。影響鋼的淬硬性的主要因素是：鋼的含碳量和鋼中Si,B等能提高淬透性的合金元素的含量。鋼材的化學(xué)成分是影響淬透性最重要的因素之一，凡是在鋼中引起“C”曲線右移或左移的合金元素，都對淬透性9有著極大的影響。使“C”曲線右移的元素將提高鋼的淬透性；使“C”曲線左移的元素將降低鋼的淬透性。由于鋼的淬透性高低取決于其淬火臨界冷速10的大小，而淬火臨界冷速的大小又取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性，因此，也都將影響到鋼的淬透性。45、60Si2Mn中都含有合金元素，且60Si2Mn中合金元素的含量明顯高于45鋼，可以使鋼的C-曲線發(fā)生顯著變化，即C-曲線向右移動，即減慢珠光體類型轉(zhuǎn)變的形成速度。并且它使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降。C-曲線右移的結(jié)果，降低了鋼的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性，這對于許多合金鋼來講是十分重要的。合金元素對淬透性的影響的大小取決于該元素的作用程度（單位含量對淬透性的提高量）及其可能的溶解量。除了有較強(qiáng)的提高淬透性的能力以外，還可以大量的溶入鋼中，故為提高