【文章內(nèi)容簡介】 本章主要從 45鋼的研究現(xiàn)狀和本次實驗的目的、意義等方面進行基本的介紹。研究現(xiàn)狀主要從 45鋼的成分、性能、當(dāng)前的熱處理及國內(nèi)外研究進展進行說明，而實驗?zāi)康暮鸵饬x則引出了本次實驗的進行。本次實驗主要從熱處理工藝方面入手，對熱處理工藝進行改進，控制變量，進行對比分析，得出有用的、具有實用價值的結(jié)論。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 2 實驗過程 影響 45鋼力學(xué)性能的最主要的因素為 45鋼的組織，故組織分析具有重要的研究意義。 45鋼組織隨著熱處理方式的不同有較大的差異，對其性能也就產(chǎn)生較大的差異。近年來，即使熱處理工藝有了長足的進步，但仍需不斷的研究探索，不斷更新，必將在不久的未來產(chǎn)生新的研究成果！本次實 驗主要通過熱處理過程中的兩大因素：保溫時間和冷卻方式進行對比分析實驗。 本次試驗研究方案的制定 本次實驗擬采用三種類型的試樣：圓柱形試樣（ 5個）、帶切口的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣（ 5個）、標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（ 5個），然后將每種試樣分為一組，根據(jù)不同工藝分為 ABCDE 五組。其中圓柱形試樣是用來制備金相試樣和硬度測定，帶切口的沖擊試樣用來測定沖擊功，標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣用來測定拉伸性能?，F(xiàn)擬熱處理工藝方案如下表 。 表 熱處理實驗工藝方案 名 稱 工 藝 A 組 不做熱處理（對照組） B 組 正火： 840℃ 保溫 20min 空冷 C 組 淬火： 840℃ 保溫 20min 水淬 回火： 600℃ 保溫 25min 空冷 D 組 淬火： 840℃ 保溫 20min 油淬 回火： 600℃ 保溫 25min 空冷 E 組 淬火： 840℃ 保溫 0min 水淬 回火： 600℃ 保溫 25min 空冷 實驗設(shè)備 本次熱處理實驗采用型號為 SX512B 的電阻爐。如下圖 。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 圖 型號為 SX512B 的電阻爐 本次實驗涉及的熱處理工藝 45鋼的退火 退火是將鋼加熱至臨界點 Ac1以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝 [13]。在機械制造行業(yè)，退火常作為工件制造過程中的預(yù)備熱處理工序。其主要目的是： （ 1）均勻鋼的化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)。 （ 2）細化晶粒，調(diào)整硬度，消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化。 （ 3）為淬火做好組織準(zhǔn)備。 45鋼的正火 正火是將鋼加熱到 Ac3(或 Accm)以上適當(dāng)溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝 [13]。 正火的主要應(yīng)用范圍： （ 1）作為低碳鋼和某些低合金鋼、鍛件的預(yù)備熱處理 以消除應(yīng)力、細化晶粒、改善切削加工性能和淬火前的準(zhǔn)備。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 （ 2）消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，以便于球化退火。 （ 3）消除中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄件、鍛、軋件以及焊接件在熱加工過程中較易出現(xiàn)魏氏組織、粗大晶粒、帶狀組織等缺陷。 （ 4）作為某些結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。 45鋼的調(diào)質(zhì) 習(xí)慣上將淬火和隨后的高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱之為調(diào)質(zhì)處理 [13]。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，鋼具有了優(yōu)良的綜合力學(xué)性能以滿足如發(fā)動機曲軸、連桿、汽車半軸、機床主軸及齒輪等機器零件在使用過程中要求具有較高的強度以及承受較強的沖擊和交變負荷的作 用。 淬火是將鋼加熱至臨界點 Ac3或 Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到的馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝 [13]。淬火雖然能夠顯著提高鋼的強度以及硬度，但是在淬火鋼中殘留有內(nèi)應(yīng)力。這就需要配以不同的回火以滿足不同強度、硬度和韌性的性能需求。 回火是將淬火鋼在 A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)?shù)睦鋮s方式冷卻到室溫的工藝過程 [13]。其主要目的是調(diào)整工件的強度、硬度、塑性、韌性和紅硬性等以滿足各種用途工件的性能要求。回火根據(jù)工件不同的性能要求可分為：低溫回火、中溫回火和 高溫回火。其中： 低溫回火：將淬火件加熱到 150~250℃ ，穩(wěn)定組織，得到的組織主要為具有高的硬度和耐磨性的回火馬氏體。 中溫回火：將淬火件加熱到 350~500℃ ，穩(wěn)定組織，得到的組織主要為具有良好的塑韌性、較高的強硬度和高的彈性極限的回火托氏體。 高溫回火：將淬火件加熱到 500~650℃ ，穩(wěn)定組織，得到的組織主要為具有良好的綜合力學(xué)性能的回火索氏體。 因此， 45鋼作為結(jié)構(gòu)鋼一般需要調(diào)質(zhì)處理即淬火 +高溫回火。 金相試樣的制備 研究金屬內(nèi)部組織最重要的方法為顯微分析。在百年來金相學(xué)的發(fā)展歷 史中，大部分的研究工作是借助于光學(xué)顯微鏡完成的。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 用光學(xué)顯微鏡觀察和分析金屬內(nèi)部組織形貌，一般需要經(jīng)過三個階段： （ 1） 制備所截取試樣的表面。 （ 2） 顯示表面的組織需要采用適當(dāng)?shù)母g操作。 （ 3） 需要用顯微鏡觀察和分析試樣表面的組織形貌。 實驗設(shè)備 本次實驗需要使用的設(shè)備有拋光機、金相顯微鏡、吹風(fēng)機等。 實驗材料 本次實驗需要使用的材料有熱處理后的各組 φ1515的圓柱形試樣（ 5個）、砂紙（粗細）、 4%的硝酸酒精溶液和棉球等。 實驗步驟 取樣 —— 粗磨 —— 細磨 —— 拋光 —— 侵蝕是金相試樣的制備過程的五個步驟。本次金相試樣制備采用如下步驟： （ 1）取樣：選擇圓柱形試樣的底面部分作為取樣部位。 （ 2）粗磨：采用 400、 600的砂紙進行打磨，直到出現(xiàn)光亮為止。 （ 3）細磨：采用 800、 1000的砂紙進行打磨，直到出現(xiàn)可映出清晰的人像即可。 （ 4）拋光：采用 Al2O3磨料加水配成的懸浮液倒在拋光機上進行機械拋光。 （ 5）侵蝕：采用 4%的硝酸酒精溶液作為腐蝕液進行腐蝕數(shù)秒至一分鐘。 最后，在金相顯微鏡下觀察組織形貌檢驗金相試樣是否合格。 本章 小結(jié) 本章是對本次畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容的宏觀概述，主要介紹了本次實驗中 45鋼熱處理工藝方案的制定以及實驗中涉及到的熱處理工藝并給予簡介，進一步對熱處理工藝有更深層次的理解。另外，本章還介紹了對熱處理后金相試樣的制備過程，太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 這對于不同試樣熱處理后組織形貌的觀察以及熱處理后工件的力學(xué)性能分析有著很重要的意義。太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 3 實驗結(jié)果與分析 45鋼熱處理前后試樣的組織觀察和分析 45鋼是重要的結(jié)構(gòu)材料，在實際生活中應(yīng)用廣泛。因此，其力學(xué)性能對新時代工業(yè)的發(fā)展有重大的意義。所以，其力學(xué)性能的提升對未來工業(yè)發(fā)展將 產(chǎn)生重大影響。然而，影響其力學(xué)性能的最主要的因素是 45鋼的組織，故具有重要的研究意義。通過觀察其組織結(jié)構(gòu)和成分，可以更加有依據(jù)的分析其與力學(xué)性能之間的關(guān)系，為最后結(jié)論提供微觀理論依據(jù)。 實驗設(shè)備 不同試樣組織的觀察需要使用的實驗設(shè)備有：型號為 XJP6A 的金相顯微鏡和數(shù)碼照相機等。如圖 。 圖 型號為 XJP6A 的金相顯微鏡和數(shù)碼照相機 實驗材料 為了便于觀察，金相組織的觀察采 用各組 φ1515的圓柱形試樣（ 5個）處理后的金相試樣。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 實驗結(jié)果 我們知道隨著熱處理工藝方案的改變，工件的組織成分有很大的差異，我們將對其產(chǎn)生的差異進行具體研究并分析原因。 大多數(shù)熱處理都需將工件加熱至臨界點之上，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，即奧氏體化，然后再根據(jù)不同的冷卻方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧慕M織。鋼加熱形成的奧氏體組織形態(tài)對熱處理后組織性能有很大的影響。因此，加熱轉(zhuǎn)變是鋼件進行不同熱處理的基礎(chǔ) [14]。 珠光體是鋼鐵材料熱處理過程中的另一個重要組織。珠光體轉(zhuǎn)變發(fā)生在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的高溫區(qū)，又稱高溫轉(zhuǎn)變，屬于擴散性 轉(zhuǎn)變 [15]。鋼材在退火和正火中都要求發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，而淬火時則力求避免發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變 [16]。另外，研究鋼熱處理后組織將參照按組織分區(qū)的鐵碳合金相圖 [12]，如圖 。 圖 按組織分區(qū)的鐵碳合金相圖 （ 1）本次實驗 A 組試樣可視為退火態(tài)，制備的金相試樣通過金相顯微鏡觀太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 察，放大 500倍的室溫金相組織形貌如下圖 。 圖 未作處理的金相組織形貌 在圖 ，其組織為先共析鐵素體和珠光體，其中 60%左右黑色組織為珠光體、 40%左右白色為鐵素體。珠光體是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵 素體和滲碳體的共析體，其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相物，也稱片狀珠光體，用符號 P 表示，含碳量為ω c=%[17]。鐵素體表現(xiàn)為軟韌性，滲碳體表現(xiàn)為硬脆性，而珠光體則是由鐵素體和滲碳體組成，故珠光體的強韌性較好。另外，白色條狀鐵素體沿著晶界析出并呈網(wǎng)狀分布，鐵素體強度、硬度不高，但塑韌性較好。 （ 2）本次實驗 B 組試樣可作為正火態(tài)，制備的金相試樣通過金相顯微鏡觀察，放大 500倍的室溫金相組織形貌如下圖 。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 圖 840℃正火處理的金相組織形貌 在圖 ，組織 為先共析鐵素體和珠光體，但相比于圖 ，該組織中鐵素體和珠光體都細而均勻 [18][19]，故該組織具有比圖 、硬度和塑韌性。 （ 3）本次實驗 CDE 組試樣均可作為調(diào)試處理，其中 C 組淬火時采用水淬，D 組淬火時采用油淬，而 E 組則采用新工藝 [20]在淬火時保溫時間為 0min。 CDE組制備的金相試樣通過金相顯微鏡觀察，放大 500倍的室溫金相組織形貌分別見圖 、圖 。 圖 840℃水淬 +600℃回火處理的金相組織形貌 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 圖 840℃油淬 +600℃回火處理的金相 組織形貌 圖 840℃水淬零保溫 +600℃回火處理的金相組織形貌 水淬調(diào)質(zhì)：在圖 ，外圍組織為細而均勻的保持馬氏體位向分布的回火索氏體，而內(nèi)部則出現(xiàn)除了回火索氏體以外還呈有網(wǎng)狀分布的白色鐵素體組織，其原因有可能的因為加熱不足導(dǎo)致馬氏體組織中殘留有塊狀的鐵素體或者是因為冷卻過程不足而在馬氏體晶界周圍形成網(wǎng)狀