Si2Mn的熱處理性能研究

蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文I摘 要通過對(duì) 60Si2Mn 進(jìn)行均勻化退火、奧氏體化、正火和回火處理，研究這種材料在高溫退火和回火處理下得到的組織，以及對(duì)這種材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。通過光學(xué)顯微鏡(OM),硬度計(jì)對(duì) 60Si2Mn 組織和性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，珠光體的片層間距隨轉(zhuǎn)變溫度的降低而減小，不受奧氏體化溫度和奧氏體晶粒大小的影響。珠光體是一種硬而脆的組織。60Si2Mn 在均勻化退火后可以得到均勻的組織。在相同的時(shí)間下等溫，溫度越高 60Si2Mn 析出的碳化物等組織越多。關(guān)鍵詞：退火，正火，組織，性能蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文IIABSTRACTBy 60Si2Mn the homogenization, austenitizing, normalizing and tempering treatment, study the material at high temperature annealing and tempering with the next to get the organization, as well as the mechanical properties of this material for testing. By optical microscopy (OM), hardness and properties of 60Si2Mn analysis. The results show that the pearlite lamellar spacing with the transition temperature decreases, from austenitizing temperature and austenite grain size. Pearlite is a hard and brittle tissue. 60Si2Mn after the homogenization of the tissue can be uniform. At the same time the lower temperature, the higher the temperature carbide precipitation and other organizations 60Si2Mn more.Keywords: Annealing, Normalizing, Organization, Performance蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文III目 錄摘 要 .IABSTRACT .II第一章 文獻(xiàn)綜述 .11.1 引言 .11.2 60Si2Mn 概述 .21.3 等溫處理 .61.4 力學(xué)性能 .8第二章 實(shí)驗(yàn)方案及過程 .152.1 實(shí)驗(yàn)方案 .152.2 實(shí)驗(yàn)過程 .152.2.1 試樣的制備 .152.2.2 均勻化退火 .152.2.3 奧氏體化 .162.2.4 正火 .162.2.5 等溫淬火 .172.2.6 磨樣、拋光、腐蝕及拍金相照片 .172.2.7 硬度 .17第三章 結(jié)果分析與討論 .183.1 顯微組織分析 .183.1.1 退火組織分析 .183.1.2 正火組織分析 .193.1.3 組織比較 .193.2 硬度測(cè)試 .223.2.1 維氏硬度試驗(yàn) .223.2.2 本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析 .22實(shí)驗(yàn)結(jié)論 .24參考文獻(xiàn) .25外文原文 .27外文翻譯 .33致 謝 .43蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文1第一章 文獻(xiàn)綜述1.1 引言60Si2Mn鋼具有較強(qiáng)的過熱敏感性，易產(chǎn)生淬火裂紋，且由于Si是強(qiáng)石墨化元素，從而呈現(xiàn)較明顯的脫碳傾向，即使有輕微的脫碳，也會(huì)對(duì)耐磨性、疲勞強(qiáng)度有顯著影響。錳的作用在于提高鋼的淬透性、耐磨性。60Si2Mn在950附近淬火，可獲得相當(dāng)多板條馬氏體，使K值升高，并且具有足夠的 K 值，最好的抗壓屈服強(qiáng)度，較高的抗彎強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度及優(yōu)量的耐磨性能。生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果證明，60Sin2Mn 采用930一95O的高溫淬火，金相組織中板條馬氏體數(shù)量增多，甚至可以獲得全部板條馬氏體組織，有較高的斷裂韌度，沖擊鋼度和優(yōu)良的耐磨性。60Si2Mn 鋼的臨界點(diǎn)： Ac0755 ，Ac3 810 ，Ms305 。冷沖頭淬火加熱溫度選擇在800 進(jìn)行，加熱過程中就會(huì)形成細(xì)小的奧氏體和少量的未溶鐵素體。若將結(jié)構(gòu)鋼在Ac1一Ac3，之間淬火、再回火(亞臨界處理或亞溫淬火) ，它可以提高鋼的低溫韌性和抑制回火脆性。單位晶界面積雜質(zhì)偏聚程度減少了，未溶鐵素體也較細(xì)小且分布均勻，有利于提高韌性。只有原始組織處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)，在臨界區(qū)某一范圍內(nèi)加熱淬火，韌化效果才顯著。近年來，對(duì)亞共析鋼進(jìn)行亞溫淬火，可獲得少量細(xì)小、均勻分布的鐵素體與馬氏體組織，即不降低硬度，還可以提高韌性和使用壽命 。由于細(xì)化強(qiáng)韌化及少量鐵素體的存在，使沖頭強(qiáng)韌性大大提高。60Si2Mn的熱處理規(guī)范是油淬火、回火。其工藝為預(yù)熱、加熱、保溫、冷卻、回火保溫、冷卻等。60Si2Mn 通常的淬火溫度為 860土10，淬火保溫時(shí)間可取0.50.6min/mm 1。淬火保溫時(shí)間關(guān)系到淬火的透燒時(shí)間，若控制不當(dāng)，鐵素體則不能全部溶解。在高于Ac0溫度以上的溫度保溫冷卻到常溫是奧氏體-馬氏體的轉(zhuǎn)變過程。淬火后的回火能消除淬火后出現(xiàn)的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。 “油淬回火”的主要過程是以鋼材通過加熱到Ac。以上的理想溫度后經(jīng)過過冷急劇冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，得到的晶粒組織不理想，淬火馬氏體組織回火后得到回火托氏體或索氏體組織；若淬火加熱和冷卻及回火溫度控制不當(dāng)，容易形成部分索氏體或全部索氏體。蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文260Si2Mn彈簧于860加熱， 320等溫30min，和普通熱處理比較(在等硬度HRC4849 條件下) ，前者的沖擊壽命為1430次，后者只有 620次，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。亞溫淬火是一種新工藝，其強(qiáng)韌化機(jī)理是使晶粒細(xì)化，少量未溶鐵素體能阻止裂紋的擴(kuò)展，使殘余奧氏體增多以及改善有害雜質(zhì)元素的分布等，因而提高了鋼的強(qiáng)韌性。此外，還能降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，抑制鋼的可逆回火脆性，因而被廣泛用于結(jié)構(gòu)鋼。60Si2Mn應(yīng)用亞溫淬火，也可取得一定的效果，有人建議要對(duì)其進(jìn)行亞溫貝氏體淬火的研究。研究結(jié)果表明，60Si2Mn 采用950的高溫淬火，可以得到明顯的板條馬氏體，有最好的強(qiáng)韌性。因此，在較高爐溫條件下進(jìn)行快速加熱，使60Si2Mn獲得細(xì)小晶粒和更多的板條馬氏體，能提材料的綜合機(jī)械性能。1.2 60Si2Mn 概述1.2.1 60Si2Mn的熱處理金屬熱處理是將固態(tài)金屬（包括純金屬和合金）通過特定的加熱和冷卻方法，使之獲得工程技術(shù)上所需的一種工藝過程的總稱。熱處理能獲得這樣的效果，是因?yàn)楣虘B(tài)金屬在溫度（也包括壓力）改變時(shí)，其組織和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化（通稱固態(tài)相變） ，如能根據(jù)其變化規(guī)律，采取特定的加熱和冷卻方法，控制相變過程，使可獲得所需的組織、結(jié)構(gòu)和性能 2。傳統(tǒng)熱處理包括退火、淬火、正火、回火。退火是將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，?jīng)過保溫后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以降低硬度、改善組織、提高加工性的一種熱處理工藝。正火是將鋼加熱到 AC3 或 Acm 以上 3050保溫，然后在室溫的靜止空氣中自然冷卻，正火可以細(xì)化晶粒，是組織均勻化，改善鑄件的組織和低碳鋼的切削加工性能，也可以作為預(yù)備熱處理，為隨后的熱處理做準(zhǔn)備。鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度（AC3 或 AC1）以上，保溫一定時(shí)間使之奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度的冷卻的一種工藝過程。淬火鋼的組織在多數(shù)情況下主要為馬氏體，有時(shí)也有主要為貝氏體或馬氏體與貝氏體的混合物，此外還有少量的殘余奧氏體和未融的第二相。一般來說，淬火后還必須有回火與之配合，已達(dá)到下列目的： 提高硬度和蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文3耐磨性，如刃具、量具、模具等； 提高強(qiáng)韌性，如各種機(jī)器零件； 提高硬磁性，如用高碳鋼和磁鋼制的永久磁鐵； 提高彈性，如各種彈簧； 提高耐蝕性和耐熱性，如不銹鋼和耐熱鋼?？梢?，淬火是使鋼強(qiáng)化和獲得某些特殊使用性能的主要方法?；鼗鹗菍⒋慊鸷蟮匿撛?A1 一下的溫度加熱、保溫，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s的工藝過程?；鼗鸬幕灸康氖翘岣叽慊痄摰乃苄院晚g性，回火的另一目的是降低和消除淬火引起的殘余內(nèi)應(yīng)力，這對(duì)于穩(wěn)定工具鋼制品的尺寸特別重要。一般來說，淬火零件不經(jīng)過回火就投入使用時(shí)十分危險(xiǎn)的，也是不容許的。某些含碳量較高的鋼制大型零件或復(fù)雜零件甚至淬火后在等待回火期間就發(fā)生突然爆裂，這更清楚的說明了淬火鋼的脆性和殘余亦應(yīng)力之大，也說明了回火和及時(shí)回火的重要性?；鼗鹂梢栽?A1 一下很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，鋼的性能也可以在很寬的溫度范圍內(nèi)變化。因此，淬火是調(diào)整鋼制零件的性能以滿足使用要求的有效手段。 化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮還有碳氮共滲。滲碳是將鋼件置于有足夠碳勢(shì)的介質(zhì)中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫，使其表層形成一個(gè)富碳層的熱處理工藝。根據(jù)使用的介質(zhì)的物理狀態(tài)，可以將滲碳分為氣體滲碳、液體滲碳和固體滲碳三種。氣體滲碳具有碳勢(shì)可控、生產(chǎn)率高、勞動(dòng)條件好和便于直接淬火等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用最為廣泛。滲氮是將氮滲入到鋼件表面，以提高其硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度地一種化學(xué)熱處理方法。它的發(fā)展比滲碳晚，但如今已獲得十分廣泛的應(yīng)用，尤其是在航空工業(yè)中，這主要是應(yīng)為具有以下幾點(diǎn)： 高的硬度和耐磨性； 高的疲勞強(qiáng)度； 變形小而規(guī)律性強(qiáng)； 較高的抗“咬卡”性能； 較高的抗腐蝕性能。1.2.2 熱處理工藝與性能關(guān)系熱處理工藝是獲得鋼使用性能的一種工藝手段。同一種鋼、相同的化學(xué)成分，而它們的力學(xué)性能可以根據(jù)工程上的要求通過不同的熱處理工藝獲得。當(dāng)然冶煉條件是影響材料性能的主要因素之一，但熱處理是個(gè)關(guān)鍵。最佳熱處理工藝能充分發(fā)揮材料潛在的材質(zhì)作用，從而提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。為了消化國(guó)外引進(jìn)技術(shù)，以及提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，很有必要對(duì)材料的熱處理進(jìn)行研究。不同熱處理下的力學(xué)性能（1） 在不同的加熱溫度下進(jìn)行淬火，然后均經(jīng)440進(jìn)行回火，以研蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文4究不同淬火溫度，相同回火溫度下材料的力學(xué)性能，如下表 3：（2） 在870進(jìn)行淬火，然后經(jīng)不同溫度進(jìn)行回火處理，以研究相同淬火溫度、不同回火溫度下的材料力學(xué)性能，如表所示：從表1可見不同淬火溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度 b、規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力 r0.2影響不大，并對(duì)伸長(zhǎng)率硬度影響也不大，但對(duì)疲勞極限-1影響比較大。因?yàn)樵嚇釉谂R界溫度A C3以上加熱，隨著淬火溫度的提高，奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大。淬火后得到的針狀馬氏體就較粗；同時(shí)奧氏體合金化程度隨著淬火溫度提高亦有多提高。它對(duì)性能的改善起著一定的作用。但它的作用不如奧氏體晶粒長(zhǎng)大對(duì)性能影響來的大。從表2可見不同回火溫度無論對(duì)拉伸性能，還是對(duì)疲勞性能-1影響都比較大。400回火的試樣雖然 b, r0.2都比較高,但對(duì)彈簧來說很重要的性能屈服強(qiáng)度比較高，但它的疲勞性能很不穩(wěn)定。1.2.3 淬透性鋼的淬透性是正確選用鋼材和制定熱處理工藝的重要依據(jù)之一。如果工件淬透了，則其表里的性能就均勻一致，能充分發(fā)揮鋼材的機(jī)械性能潛力；如果未淬透，則表里的性能便存在差異，尤其在回火后，心部的強(qiáng)韌性將比表層的低。因此多數(shù)結(jié)構(gòu)零件都希望能在淬透的情況下供使用。蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文5但是，也并非在任何情況下都要求淬透性越高越好。隨著各種零件的受力情況和工藝過程的不同，往往對(duì)淬透性有不同的要求。例如，冷沖模具主要要求表面硬而耐磨。故其回火溫度一般較低，如果淬透了，反而易于在沖壓是發(fā)生脆裂。又如，焊接零件若選用淬透性較高的鋼制造，往往容易在焊縫熱影響區(qū)形成淬火組織，從而增大焊接變形和開裂的傾向?？梢?，根據(jù)具體情況選擇具有適當(dāng)淬透性的鋼種十分重要 4。由于鋼的淬透性高低取決于其淬火臨界冷速的大小，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，凡是影響過冷奧氏體穩(wěn)定性的因素，也都將影響到鋼的淬透性。60Si2Mn鋼有較高的彈性 , 其綜合性能良好,在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。 60Si2Mn 可以制作汽車板簧, 但其淬透性差。鋼在正常淬火條件下，超過臨界淬火速度冷卻所形成的馬氏體組織能夠達(dá)到的最高硬度，主要與鋼的含碳量有關(guān)。如圖為淬火硬度與含碳量的關(guān)系：淬火硬度與含碳量的關(guān)系如圖可見，鋼的含碳量越高，淬透性越高；不考慮合金元素的作用，按照60Si2Mn鋼中C的成分范圍，正常淬火溫度應(yīng)在HRC50 63。如果鋼淬不透，淬火后表面得不到足夠數(shù)量的馬氏體，就會(huì)使得淬火硬度不足。增加提高淬透性的元素，有助于保證淬火硬度。絕大多數(shù)合金元素融入奧氏體后，均使C曲線蘭州理工大學(xué)本科畢業(yè)論文6右移，降低臨界淬火速度，從而顯著提高鋼的淬透性。如下圖所示：含碳 0.3%鋼中，合金元素對(duì)臨界冷卻速度的影響（如右圖所示）其中以Mn影響最為強(qiáng)烈， 其次是Mo、Cr 、Al、Si 、Ni。C 、Si、 M n 均是提高60Si2Mn 鋼淬透性的元素。 60Si2Mn 鋼中 C、Si 、Mn 含量高, 其正常淬火硬度必然會(huì)高。在相同的過冷度下, 奧氏體成分越均勻, 珠光體形核率越低, 轉(zhuǎn)變的孕育期增長(zhǎng), C 曲線右移, 臨界淬火速度減慢, 鋼的淬透性越高。奧氏體的實(shí)際晶粒度大小對(duì)淬透性也有影響。晶粒越粗, 臨界冷卻速度越小, 淬透性越高。但是, 奧氏體晶粒過粗, 機(jī)械性能下降。1.3 等溫處理1.3.1 等溫淬火有兩種等溫淬火法，即貝氏體等溫淬火法與馬氏體等溫淬火法。貝氏體等溫淬火法是將加熱好的工件置于溫度高于Ms點(diǎn)的淬火介質(zhì)中，保持一定時(shí)間，使其轉(zhuǎn)變成下貝氏體，然后取出空冷。馬氏體淬火法是將加熱好的工件置于溫度稍低于Ms點(diǎn)的淬火介質(zhì)中保持一定時(shí)間，使鋼發(fā)生部分的馬氏體轉(zhuǎn)變，然后取出空冷。1.3.2 淬火加熱溫度與保溫