【文章內(nèi)容簡介】 5℃； A3(℃ )=820℃根據(jù)對相變點的研究，試驗用淬火和回火的溫度選擇如下：在箱式熱處理爐中進(jìn)行，試樣淬火溫度是 860oC，保溫 35 分鐘，油淬冷卻。為了達(dá)到組織設(shè)計要 求，獲得馬氏體組織，進(jìn)一步回火?；鼗鹉苓M(jìn)一步細(xì)化晶粒，消除淬火應(yīng)力。對于低碳合金鋼而言，由于合金元素擴(kuò)散緩慢，因此保溫時間比較長。所以在試樣 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 淬火后選擇 200oC、保溫 4小時、空冷回火。 熱處理后的 組織觀察 低碳合金鋼熱處理后的最終組織為單相板條馬氏體。馬氏體組織首先為獲得高硬度、高耐磨性提供了保證；其次，單相的組織液有利于提高合金鋼的耐蝕性；板條為主的馬氏體形態(tài)可以改善韌性，另外合金設(shè)計中添加的韌化材料的元素，以及工藝設(shè)計中消除脆化因素的手段，都從多渠道提高了馬氏體性。 本實驗采用 BX41 型光學(xué)金相顯微鏡觀察每種材料的淬火和回火態(tài)金相組織，由于低碳高合金鋼有很好的耐蝕性，因此腐蝕劑選用了腐蝕性較強(qiáng)溶液 (4％的硝酸酒精溶液 )作金相腐蝕液，對其組織進(jìn)行觀察。 常規(guī)性能測試以及整理數(shù)據(jù) 主要測定了三種與材料的力學(xué)性能相關(guān)的常規(guī)性能，即硬度、沖擊韌性以及均勻腐蝕性能，均采用未經(jīng)磨損試驗的試樣進(jìn)行。下面分別對拉伸實驗、硬度測試、沖擊測過程作以下介紹： 拉伸試驗 拉伸試驗指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。本拉伸試驗是在Instron8801 電液伺服試驗機(jī)上進(jìn)行 ，測試過程符合 GB/T2282021；利用拉伸試驗得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強(qiáng)度、屈服點、屈服強(qiáng)度和其它拉伸性能指標(biāo)。 其實驗步驟如下： （ 1）劃線測量 利用游標(biāo)卡尺測量樣品的直徑，在不同的部位測量三次，參照下圖（圖 ），用直尺測量樣品的原始標(biāo)距，同樣取不同位置測量三次。然后使用劃線器在試樣上畫出試樣的標(biāo)距。 （ 2）按照試樣 將樣品安裝在萬能拉伸試驗機(jī)上，按照試驗機(jī)的操作流程，對樣品進(jìn)行拉伸，在電腦上記錄拉伸曲線。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 圖 拉伸試樣尺寸（ mm） (3)界面操作 設(shè)置電腦屏幕上的各種拉伸參數(shù)，將初始數(shù)據(jù)設(shè)置為零，點擊開始按鈕，開始拉伸試驗。當(dāng)拉伸量趨于平穩(wěn)，將引申計取下，避免破壞設(shè)備。 （ 4）拉伸過程 繼續(xù)拉伸試樣，直到試樣斷裂。將試樣從試驗機(jī)上取下，觀察端口形貌?？梢钥吹蕉丝谥苓叺募羟写健? （ 5） 測量斷后試樣 按照國標(biāo)精度，測量斷后試樣頸縮直徑、斷后標(biāo)距長度。試樣旋轉(zhuǎn) 90 度，再測量一遍。 （ 6） 輸出數(shù)據(jù) 根據(jù)拉伸過程中測得的應(yīng)力 、位移和塑形變形的數(shù)據(jù)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)給定的數(shù)據(jù)處理方式，計算機(jī)輸出拉伸試驗測得的三項拉伸強(qiáng)度和拉伸塑形的測試結(jié)果。 計算并整理得如下 22SiMnCrNi2Mo 低碳高合金鋼 相關(guān)數(shù)據(jù)表（表 ） 表 22SiMnCrNi2Mo低碳高合金鋼拉伸前后數(shù)據(jù) 鋼號 d0 L0 du Lu F σb σs 1 2 3 結(jié)合以上數(shù)據(jù)對伸長率、截面收縮率的處理： （ 1）伸長率 由測量得出的試樣斷后標(biāo)距以及試樣拉伸前的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)距可以得到伸長率。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 10 頁 樣品的伸長率計算方法為 A=LuL0L0 100% （ 2） 斷面收縮率 由測量的得到的試樣斷后的縮頸的直徑和試樣拉伸前的直徑可以得到截面收縮率。樣品的截面收縮率的計算方法為 Z=s0sus0 100% 利用以上公式和相關(guān)數(shù)據(jù)得到 此次拉伸實驗的 22SiMnCrNi2Mo 低碳合金鋼的拉伸力學(xué)性能如下表（表 ）。 表 22SiMnCrNi2Mo 低碳高合金鋼拉伸力學(xué)性能 鋼號 A （ %） Z（ %） F σb σs 1 2 3 硬度試驗 每種材料的淬火回火態(tài)分別測定硬度， 洛氏硬 度（ HR）測試當(dāng)被測樣品過小或者布氏 硬度 （ HB）大于 450時，就改用洛氏硬度計量。試驗方法是用一個頂角為 120度的金剛石 圓錐體或直徑為 ，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕 深度 求出材料的硬度最常用標(biāo)尺是 HRC、 HRB 和 HRA，其中 HRC 標(biāo)尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調(diào)質(zhì)鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業(yè)應(yīng)用最多的硬度試驗方法。 HRB 標(biāo)尺用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。 HRA 標(biāo)尺用于測試純銅、較軟的銅合金和硬鋁合金。 HRA 標(biāo)尺盡管也可用于大多數(shù)黑色金屬，但是實際應(yīng)用上一般只限于測試硬質(zhì)合金和薄硬鋼帶材料。 如 下圖 。 圖 洛氏硬度儀器 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁 因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的 強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。但各種材料的換算關(guān)系并不一致。 下面將試樣表面打磨平整以后在 HR150A 洛氏硬度計上測定 HRC 值，每種材料取 2 個試樣，每個試樣測 3 個點，獲得 HRC 值范圍。并取得其平均值，整理過后如下表所示（表 ）。 沖擊試驗 每種材料的淬火回火態(tài)分別測定韌性， 沖擊試驗 一般是確定軍民用設(shè)備在經(jīng)受外力沖撞或作用時 產(chǎn)品的安全性 、 可靠性 和有效性的一種試驗方法。 工程上常用金屬材料的沖擊試件一般在帶缺口槽的矩形試件，做成制品的目的是為了便于揭露各因素對材料在高速變形時的沖擊抗力的影響。缺口形狀和試件尺寸對材料的沖擊韌度值 αk 的影響極大，要保證實驗結(jié)果能進(jìn)行比較，試件必須嚴(yán)格按照冶金工業(yè)部的部頒布標(biāo)準(zhǔn)制作。故測定 αk值的沖擊實驗實質(zhì)上是一種比較性實驗。 沖擊實驗 方法與步驟如下： 1）測量試件尺寸，要測量缺口處的試件尺寸。 2）調(diào)整沖擊試驗機(jī)指針調(diào)到“零點”根據(jù)試件材料估計所需破壞能量，先空打一次，測定機(jī)件間的摩擦消耗功。 3）將試件裝入在沖擊試驗機(jī)上，應(yīng)使沒有缺口的面朝向擺錘沖擊的一邊，缺口的位置應(yīng)在兩支座中間，要使缺口和擺錘沖刃對準(zhǔn)。將擺錘舉起同空打時的位置，打開鎖桿。 使擺錘落下，沖斷試件，然后剎車，讀出數(shù)據(jù)并整理如下表（表 ）。做本實驗的應(yīng)注意：在實驗過程中要特別注意安全，絕對禁止把擺錘舉高后安放試件，當(dāng)擺錘舉高后，人就離開擺錘擺動的范圍，在放下擺錘之前 ，應(yīng)先檢查一下有沒有人還未離開，以免發(fā)生危險。 試件沖斷時消耗的功，以下式可計算出材料的沖擊韌度值α k 在 JBN300 擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上測定試樣缺口試樣的 ak值，每種材料淬火回火態(tài)各 2個試樣，測試獲得沖擊功 ,測試過程符合 GB/T2292021。 總結(jié)以上硬度和韌性每組測試數(shù)據(jù)取其平均值整理得到的數(shù)據(jù)如下（表 ）： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 12 頁 表 22SiMnCrNi2Mo 低碳高合金鋼 力學(xué)性能 鋼號 沖擊功 ak， J/cm2 洛氏硬度 HRC 組織 1 板條 M 2 47 板條 M 3 板條 M 對實驗結(jié)果討論 三種不同合金元素含量的低碳高合金鋼 l、 2和 3， 1碳量相對最高， 2碳量中等， 3碳量相對最低。三種合金元素含量的高低的低碳高合金鋼化學(xué)成分見表 2． 1。由表 、表 、表 、表 ，三種低碳高合金鋼的碳量雖然不同，但是基本都保持在低碳的范圍內(nèi)，且其他合金元素含量也基本相一致，這樣所作出的一系列比較 才是有意義的。才能相對比得出性能最佳的一組試驗材料。對比可知 1試樣的硬度普遍高于 3試樣，而其沖擊韌性則普遍低于 3試樣， 3試樣的淬火回火態(tài)硬度稍高于 2試樣的淬火回火態(tài)，韌性也高于 2， 1試樣的淬火回火態(tài)硬度明顯高于退火態(tài)，而韌性卻低于 2。初步得出 2實驗材料為最佳性能的一組材料。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 13 頁 第三章 實驗結(jié)果分析與總結(jié) 試樣材料的金相組織分析 根據(jù)鋼組織遺傳形成的條件和過程 ,我們對以上熱處理過后的 試樣 材料 磨平、拋光，用 4%的硝酸酒精侵蝕后在金相 顯微鏡下觀察顯微組織。 進(jìn)行金相組織采樣。其金相組織如下圖所示（圖 ）： 圖 由以上金相組織圖做出以下分析討論： 1試樣的淬火回火態(tài)組織均為單相板條馬氏體，這是因為低碳量和高的合金元素含量共同提高了淬透性，使得低碳高合金鋼即使在退火的緩冷條件下依然能夠得到全馬氏體組織如下圖所示： 2試樣的淬火回火態(tài)組織也均為單相板條馬氏體，金相組織如下圖所示。 3試樣的淬火回火態(tài)組織則明顯不同于 1和 2，不在是單相板條馬氏體，其金 相組織圖可以看出 :3試樣的淬火回火態(tài)象前倆種試樣為單相板條馬氏體，但馬氏體含量有了較大的提高，顧韌性值較高。 總結(jié) Mn、 Si 元素含量的變化對 22SiMnCrNi2Mo 低碳合金鋼性能 的 影響 通過 2以及 3試樣的金相組織，均能得到單相板條馬氏體，這是因為 Mn、 Si元素含量 的影響， Ms 點越高，越有利于得到板條狀馬氏體形態(tài)，同時高合金含量也極大的提高了鋼的淬透性，即使在退火緩冷的條件下也不會發(fā)生擴(kuò)散甚至是半擴(kuò)散性相變，而直接在 Ms 點以下固溶得到馬氏體。說明淬火確實可以起到均勻成分、細(xì)化晶粒的 作1 2 3 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 14 頁 用。 1試樣的硬度普遍高于 3試樣，而其沖擊韌性則普遍低于 3試樣，這是因為 1含碳量相對較高，合金元素含量較高，因此馬氏體中碳的固溶度也較高的原因。3試樣的淬火回火態(tài)硬度稍高于 2試樣的淬火回火態(tài)，韌性也高于 2，這主要是淬火均勻成分、細(xì)化晶粒，并使雜質(zhì)溶入基體的結(jié)果。但是， 1試樣的淬火回火態(tài)硬度明顯高于退火態(tài)，而韌性卻低于 2，這應(yīng)該是由于 2試樣 Mn、 Si 元素含量較低，導(dǎo)致 Ms點升高，退火過程中的自回火效應(yīng)增強(qiáng)，馬氏體中碳固溶度明顯不足，因而退火態(tài)硬度低而韌性卻很高。 結(jié) 合潛孔鉆頭高強(qiáng)度、高韌性、耐磨損、耐腐蝕、極高的沖擊疲 勞性、能較高的空冷淬硬性、熱處理工藝簡單、成本低廉等特點可知 2為力學(xué)性能最佳的一組合金成分的材料。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 15 頁 第四章 結(jié) 論 如何提高潛孔鉆頭在沖擊、腐蝕和磨損交互作用下的服役壽命一直是人們努力的目標(biāo)。目前研究使用較多的材質(zhì)主要是各類高錳鋼、中碳合金鋼系列和高鉻鑄鐵，雖然各有優(yōu)點，但綜合性能都不理想。從不同合金元素含量的金相組織來看第 2試樣材料22SiMnCrNi2Mo 低碳高合金鋼很好的解決了這一問題，本文對這一新型鋼種中合金元素的影響作了初步探討，主要結(jié)論如下： 1） Mn、 Si 固溶于鐵素體中產(chǎn)生強(qiáng)化的作用是最明顯的，實驗表明少量的 Mn、 Si卻反而能使塑性和沖擊韌性稍有提高。加錳、硅低碳高合金鋼的退火組織出現(xiàn)異常的最主要的原因可能在于錳的加入影響了結(jié)晶過程，加大了合金元素分布的不均勻性，使鑄態(tài)結(jié)晶組織中出現(xiàn)了合金元素的碳化物，如含量很高的鉻更加可能出現(xiàn)這種情況。 2）低碳高合金鋼的退火和淬火回火態(tài)組織均為完全單相板條馬氏體，淬火回火態(tài)板條較細(xì)；隨著碳 含量的變化，低碳高合金鋼的終態(tài) (淬火回火態(tài) )性能有所變化，這是由組織、成分的變化決定的。 3）單相板條馬氏體是低碳高合金鋼獲得優(yōu)良沖擊腐蝕磨損性能的最佳組織，在充分控制碳含量的前提下，以適量的合金元素加入鋼中提高鋼的淬透性以及其他的性能是可行的。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 16 頁 參考文獻(xiàn) ［ 1］ 郭勇、周振華 .潛孔鉆機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [M] ,2021 ［