【正文】 在新鋼種開發(fā)中，除了應(yīng)重視耐疲勞性能，抗彈減性能和淬透性，還應(yīng)重視耐蝕性能。 國外現(xiàn)有彈簧鋼鋼號比較齊全，力學(xué)性能、淬透性和疲勞性能等基本上可以滿足目前的生產(chǎn)和使用要求。目前生產(chǎn)使用并列入 GB/T 12222020 中的彈簧鋼有 15 個鋼種。尤其是淮鋼特鋼公司的鐵道壓簧、扣件用彈簧鋼市場占有率在 80%。 彈簧鋼的生產(chǎn)工藝 彈簧鋼比較難于連鑄，由于碳含量高，鋼中碳和雜質(zhì)元素磷、硫的宏觀偏析比較嚴(yán)重，鑄坯的凝固收縮率高，因而造成很大的中心縮 孔。 為實(shí)現(xiàn)彈簧鋼的連鑄，在連鑄過程中有必要深入研究鋼水過熱度、拉坯速度和 F段電磁攪拌強(qiáng)度等工藝參數(shù)的合理配合，以減輕或基本上消除中心偏析，采用全保護(hù)澆注、鋼水控溫、加雙層覆蓋劑、穩(wěn)定拉速、二次冷卻水制度、中間包涂料控制等措施，以獲得高質(zhì)量 的彈簧鋼鋼坯。國內(nèi)產(chǎn)品在質(zhì)量上與日本、韓國同類產(chǎn)品相比還有差距，但因價格相 對較低，已為相關(guān)企業(yè)提供制造微型汽車懸架彈簧、面包車懸架彈簧、摩托車減震彈簧等線材。采用先進(jìn)的高速無扭軋機(jī)進(jìn)行軋制，盡可能設(shè)計(jì)孔 型輥縫最小，并讓自由表面最小 。 開發(fā)變截面鋼板彈簧和錐形棒材彈簧。使用錐形油淬火棒材可解決后懸架負(fù)荷變化率大的問題。 合金彈簧鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)加入一種或幾種合金元素來提高鋼的力學(xué)性能、淬透性和其他性能，以滿足制造各種彈簧所需性能的鋼。熱軋 (鍛 )鋼材包括熱軋軋圓鋼、方鋼、扁鋼、鋼板，鍛制圓鋼、方鋼；冷拉 (軋 ) 鋼材 包括鋼絲、鋼帶、冷拉材 (冷拉圓鋼 )。 鋼件 在室溫時的力學(xué)性能不僅與加熱時奧氏體晶粒大小、化學(xué)成分均勻程度有關(guān)。 珠光體轉(zhuǎn)變 珠光體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在臨界溫度 A1 以下比較高的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)變 ， 7 珠光體轉(zhuǎn)變是由含 %C 的奧氏體分解為碳含量很高的滲碳體和碳含量很低的鐵素體，轉(zhuǎn)變中同時完成了原子擴(kuò)散和點(diǎn)陣重構(gòu)兩個過程，珠光體轉(zhuǎn)變可分為形核和長大兩個階段， 形核與生長當(dāng)過冷度不很大時，珠光體核一般在奧氏體晶界上形成 ，也可在奧氏體晶界處的先共析 相上形核，通過縱向或者橫向長大。 根 據(jù)滲碳體的形態(tài)不同，珠光體分為片狀珠光體和粒狀珠光體。它是由高溫奧氏體冷卻到 723℃ 共析反應(yīng)后所得到的產(chǎn)物，含碳量為 %。 片狀珠光體有較高的強(qiáng)度，塑韌性偏低。在硬度相同的 8 情況下，粒狀珠光體的拉伸性能比片狀珠光體的好。產(chǎn)物稱為馬氏體，通常具有板、片狀的外形。由此帶動鄰近的母相呈山峰狀凸起 (另一側(cè)下凹 )，原始態(tài)表面的直線刻痕轉(zhuǎn)入新相后仍為直線，在界面處不斷開，保持連續(xù)。 (3)慣習(xí)現(xiàn)象。作為母相的一個原子面， ABCD 在相變過程中既無畸變，又不轉(zhuǎn)動，連位置都沒有變化 (稱中脊面 )。 （ 1）板條狀馬氏體 9 板條狀馬氏體是在低、中碳鋼及馬氏體時效鋼、不銹鋼、 FeNi 合金中形成的一種典型的馬氏體組織，其特征是每個單元的形狀呈窄而細(xì)長的板條，并且許多板條總是成群地、相互平行的連在一起，故稱為板條狀馬氏體，又因這種馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是位錯，其位錯密度為（ ~） 1012cm2，故也稱為位錯馬氏體。因此通過各，種手段，在保證足夠強(qiáng)度、硬度的前提下，盡可能減小孿晶馬氏體的數(shù)量，是改善強(qiáng)韌性，充分發(fā)揮材料潛力的有效途徑 [6,7]。由于貝氏體中鐵素體和碳化物的形態(tài)與分布情況多變，使貝氏體顯微組織呈現(xiàn)為多種 形態(tài)。 10 （ 1）上貝氏體 上貝氏體是在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)較上部的溫度范圍內(nèi)形成的。 （ 2）下貝氏體 下貝氏體是在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)下部溫度范圍內(nèi)形成的，它也是由鐵素體和碳化物構(gòu)成的復(fù)相組織，在低碳鋼中，這種被尸體鐵素體的形態(tài)通常呈板條狀，若干個平行排列的板條便構(gòu)成藝術(shù)，與板條狀馬氏體很相似，在高碳鋼中，貝氏體鐵素體則往往呈片狀，各個片之間互成一定的交角，與片狀馬氏體很相似。 （ 4）粒狀貝氏體 低、中碳合金鋼在正火后、熱軋空冷后或在焊縫熱影響區(qū)中由于連續(xù)冷卻會得到粒狀貝氏體組織。 （ 5）反常貝氏體 這類貝氏體出現(xiàn)在過共析鋼中，形成溫度在 350℃ 稍上，以滲碳體為領(lǐng)先相。 連續(xù)冷卻 轉(zhuǎn)變曲線與熱模擬試驗(yàn)技術(shù) 連續(xù)冷卻相變曲線的建立與分析 鋼的熱處理基本上由加熱和冷卻兩個階段組成，鋼在冷卻時發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變，既可在某一恒定溫度下進(jìn)行，也可以在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行，隨著冷卻條件不同，奧氏體可在 A1 以下不同的溫度發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此 CCT 曲線與實(shí)際生產(chǎn)條件相當(dāng)近似，所以它是制定工藝時的有用參考資料。 用熱模擬機(jī)可以測出不同冷速下試樣的 膨脹曲線。保溫一定時間后，以一定的冷卻速度進(jìn)行冷卻。 13 物理模擬是通過實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)物理過程的方法。 在實(shí)驗(yàn)中，一般只能獲得有限點(diǎn)上的測量值。隨著物理模擬技術(shù)水平的提高，不同功能的熱 /力模擬試驗(yàn)裝置不斷研制開發(fā)。 本課題的研究目的、內(nèi)容和意義 在機(jī)械零件的制造方面， 彈簧 鋼因具有很好的綜合機(jī)械性能而得到了廣泛的應(yīng) 14 用， 尤其是 50CrMnVA 鋼。 第 2 章 研究方法 CCT 曲線圖， 又稱為過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖 ， 它反映了在連續(xù)冷卻 15 條件下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，是分析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織與性能的依據(jù)，也是制訂熱處理工藝的重要參考資料。然后 在實(shí)驗(yàn) 鋼 板上沿軋制方向截取靜態(tài)熱模擬實(shí)驗(yàn)用 試樣 ，試樣尺寸如圖 所示 。 先將試樣用熱電偶焊樣機(jī)把極性不同的 16 兩只電偶焊在試樣中間 凹坑里，然后將試樣放入相變儀 中， 接好熱電偶，通過 傳感器測定實(shí)驗(yàn)鋼的膨脹量。 Orgin 是在 windows 平臺下用于數(shù)據(jù)分析，項(xiàng)目繪圖的軟件。 圖 CCT 曲線的實(shí)驗(yàn)方案示意圖 熱模擬實(shí)驗(yàn)后將試樣沿橫向在靠近熱電偶焊點(diǎn)處剖開，然后將所得試樣經(jīng)如下步驟以備金相檢驗(yàn)所用，步驟如下： 400、 800、 1200、 1500、 2020砂紙上 磨平， 至 磨痕均勻一 致。浸蝕劑采用 4％硝酸酒精溶液。 FormastorFII 全自動相變 儀 、 顯微 硬度計(jì) 和金相顯微鏡分別如圖 、 和圖 所示。長期以來，熱膨脹法已成為材料研究中常用的方法之一。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光體或馬氏體時，鋼的體積將膨脹；反之，鋼的體積將收縮。 圖 是兩種方法確立相變點(diǎn)的一個圖示 ,其中 A、 D 為切線法 ， 相變開始溫度（ A點(diǎn) ） 698 度 ， 相變結(jié)束溫度（ D 點(diǎn)） 523 度 ； B、 C 為頂點(diǎn)法，相變開始溫度（ B 點(diǎn) ）648 度，相變結(jié)束溫度（ C 點(diǎn)） 579 度 。 同時還可以看出，隨著冷卻速度的增加，鐵素體 、珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度都降低 。 由圖 可以看出，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的冷卻速度范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織基本由鐵素體 F、珠光體 P、貝氏體 B 和馬氏體 M 組成。 (d)℃ /s。 (h)2℃ /s。 冷 卻 速 度 的提高使奧氏體向鐵素體 、珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變的開始轉(zhuǎn)變溫度降低。 當(dāng)冷卻速率 進(jìn)一步增加到 1~2℃ /s 冷卻速率范圍內(nèi)時，相變組織為貝氏體和馬氏體 。相變產(chǎn)物主要是鐵素體、珠光體、貝氏體和馬氏體。 在 ℃ /s 冷卻速率下，顯微組織為珠光體 、貝氏體和極少量的鐵素體 。 （ 3） 隨著冷卻速度的提高，實(shí)驗(yàn)鋼的相變組織由鐵素體 +珠光體，逐漸過渡為 珠光 體 +貝氏體，最后為 單相 馬氏體 組織 ，與此同時，其維氏硬度 逐漸升高， 數(shù)值逐漸由 295 升高到 728。在論文的選題、研究和撰寫過程中，她傾注了大量的心血，對論文進(jìn)行了精心 地評閱與指教。這份親情一句感謝是不足以表達(dá)的，我能做的就是努力的工作，爭取做出更大的成績來回報(bào)父母的關(guān)愛！ 最后感謝 機(jī)械工程 學(xué)院和我的母校 — 遼寧石油化工大學(xué)所有的老師 四年來對我的栽培 和教育 。 感謝金志 澎 ，甄名 楊 ，陳永鋒，于鵬，關(guān)德滿，符冶同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過程中的大力支持，使我的論文得以順利完成。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)、淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及對事業(yè)的熱愛與不懈追求和忘我的工作熱情，深深地激勵著我。當(dāng)冷卻速率 為 1~2℃ /s 時，相變組織為貝氏體和馬氏體 。 （ 2）相變產(chǎn)物隨冷卻速度的改變而 改變。 隨著冷卻速度的增加， 實(shí)驗(yàn)鋼的相變產(chǎn)物逐漸由高溫的相變產(chǎn)物過渡到中溫的相變產(chǎn)物，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏剞D(zhuǎn)變產(chǎn)物單一的馬氏體組織，同時，其硬度顯著提高， 維氏硬度 數(shù) 值 逐漸增大 由 295 增加到 728。在 ℃ /s 冷卻速率下，顯微組織為珠光體 、 貝氏體和極少量的鐵素 體 。 (j)10℃ /s 實(shí)驗(yàn)鋼的 維氏硬度 表 為實(shí)驗(yàn)鋼對應(yīng)不同冷卻速度下的顯微組織和維氏硬度值，由表 看出，隨著冷卻速度的增大，相變組織逐漸由高溫相變產(chǎn)物鐵素體 +珠光體過渡到中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物貝氏體組織，最后為單相的馬氏體組織， 與此同時，其 硬度顯著升高， 維氏硬度數(shù)值逐漸由 295 升高到 728。 (f)℃ /s。 (b)℃ /s。 顯微組織 金相試樣經(jīng)研磨、拋光后用 4％硝酸酒精溶液腐蝕，在實(shí)驗(yàn)室 ZEISS 型金相顯微鏡上對實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行顯微組織觀察。 圖 50CrMnVA 鋼的靜態(tài) CCT 曲線 實(shí)驗(yàn)鋼 的 靜態(tài) CCT 曲線 上 每一條冷 卻曲線 代表著一定的冷卻速度 ，從右向左冷卻速度分別為 ℃ /s、 ℃ /s、 ℃ /s、 ℃ /s、 ℃ /s、 ℃ /s、 1℃ /s、 2℃/s、 5℃ /s 和 10℃ /s。 通常膨脹法測量 CCT 曲線的時候，相變點(diǎn)有兩種方法： 1. 頂點(diǎn)法， 2. 切線法。 鋼的密度與熱處理所得到的顯微組織有關(guān) ， 鋼中膨脹系數(shù)由大到小的順序?yàn)椋簥W氏體 ＞ 鐵素體 ＞ 珠光體 ＞ 上、下貝氏體 ＞ 馬氏體；比容則相反，其順序是：馬氏體＞ 鐵素體 ＞ 珠光體 ＞ 奧氏體 ＞ 碳化物（但鉻和釩的碳化物比容大于奧氏體。 當(dāng)材料在加熱或冷卻過程中發(fā)生相變時，若高溫組織及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物具有不同的比容和膨脹系數(shù)，則由于相變引起的體積效應(yīng)疊加在膨脹曲線上，破壞了膨脹量與溫度間的線性關(guān)系 ，從 19 而可以根據(jù)熱膨脹曲線上所顯示的變化點(diǎn)來確定相變溫度。 ZEISS金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀測。然后用酒精洗凈，吹風(fēng)機(jī)吹 干，收起備用。其特點(diǎn)是：使用簡但，采用直觀的，圖形化的，面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮?，全面支持鼠?biāo)右鍵，支持托方式繪圖等。 并且運(yùn)用切線法求出個相變點(diǎn)溫度，從而繪制出 實(shí)驗(yàn)鋼的靜態(tài) CCT 曲線。我們采用的是熱膨脹法 結(jié)合金相 — 硬度法相結(jié)合的手段。 本文主要研究 50CrMnVA 鋼 的靜態(tài) CCT 曲線，分析其 連續(xù)冷卻過程中的 顯微組織 轉(zhuǎn)變規(guī)律 ，為制定該鋼種的實(shí)際生產(chǎn)工藝提供理論指導(dǎo)。該鋼在制造汽車，拖拉機(jī)等工業(yè)上發(fā)揮了很大的作用， 因此，開發(fā)出具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的 該類型的彈簧 鋼具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 FormastorFⅡ 全自動相變測定裝置由高頻感應(yīng)加熱和高 壓氣體噴射冷卻系統(tǒng)組成，能同時控制調(diào)節(jié)加熱能力和冷卻氣體流量，從而在很寬的溫度范圍內(nèi)以任意速度加熱、冷卻并可以在一確定溫度無限保溫，控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成。而數(shù)值模擬能提供整個計(jì)算域內(nèi)所有有關(guān)變量完整而詳盡的數(shù)據(jù)，因此，熱加工中很 多過去難以用物理模擬機(jī)分析方法求解的非線性