金属材料工程毕业论文

1、辽宁科技大学继续教育学院毕业设计题 目：化学成分对钢材热处理组织、硬度的影响学院、系： 继续教育学院 专业班级： 学生姓名： 张天祥 指导教师： 年 月 日辽宁科技大学毕业论文摘 要为了提高机械产品的质量及使用寿命,几乎所有重要的机械零件都需要进行热处理。合金化配合适当的热处理能够显著提高工件的性能，使钢能够满足所需的力学、工艺及其他特殊性能。本文以化学成分不同的A3、A6两种钢为研究对象，对实验钢进行不同的热处理之后，分析化学成分和热处理工艺对实验钢组织和硬度的影响规律，为提高实验钢的使用性能提供实验依据。本研究借助于金相显微镜和硬度测试仪，研究了实验钢在不同退火温度、淬火温度、回火温度下的

2、组织和硬度，分析了化学成分、加热温度对实验钢退火组织及硬度、淬火组织及硬度、回火组织及硬度的影响。研究了实验钢正火处理对组织及硬度的影响。结果表明：随着退火温度的升高，A3钢中珠光体片间距逐渐增大，A6钢中的珠光体形态由粒状向片状转变；A6钢在正火处理空冷时发生马氏体转变；A3钢的淬火组织由马氏体和托氏体组成，A6钢淬火组织由马氏体和未溶碳化物组成；A6钢中由于合金元素的作用，回火稳定性提高；在所有相同的热处理条件下，A6钢的硬度均远大于A3钢的硬度。关键词：热处理；化学成分；组织；硬度IIIAbstractIn order to improve the quality of mechanic

3、al products and service life, almost all the important mechanical parts are required for heat treatment. Alloying with appropriate heat treatment can significantly improve the performance of the workpiece, so that the steel can meet the required mechanical, processing and other special properties. I

4、n this paper, A3, A6 two steels of different chemical compositions are used as the research objects, after different heat treatments on the experimental steels, the paper analyzes the influence of chemical composition and heat treatment processing on the microstructure and hardness of the experiment

5、al steels to provide the experimental basis for improving the properties of the steel.In this study, by means of metallographic microscope and hardness tester, the experiment researches the hardness of the steel at different annealing temperature, quenching temperature and tempering temperature.In a

6、ddition,it analyses the influence of chemical composition and heating temperature on the microstructure and hardness after annealing,quenching,tempering.The paper studied the influence on Microstructure and hardness of the experimental steel after normalizing treatment. The results show that, with t

7、he increase of annealing temperature, the distance of the pearlite in the A3 steel increases gradually, the pearlite morphology transformed from granular to sheet; The A6 steel produces martensite transformation after normalizing air cooling; The microstructure of A3 steel after quenching consists o

8、f martensite and troostite, The microstructure of A6 steel after quenching consists of martensite and undissolved carbide; Due to the effect of the alloy elements,the tempering stability of A6 steel is improved; in all the same heat treatment conditions,the hardness of the A6 steel is far greater th

9、an the hardness of the A3 steel.Keywords: heat treatment; Chemical composition; microstructure; hardness目录摘 要IAbstractII第一章 文献综述11.1 实验钢A3钢、A6钢的概述11.2 合金元素在钢中的作用11.2.1 钢中主要的合金元素及其分类11.2.2 合金元素在钢中的存在形式及分布11.2.3 合金元素与铁的相互作用21.2.4合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响21.2.5 合金元素对钢强度的影响21.3 热处理技术的发展及展望21.4 本文选题意义及研究内容4第二章

10、实验材料及方法62.1 实验材料62.2 实验设备62.3 实验步骤62.3.1热处理前的试样制取62.3.2 试样热处理保温时间的确定72.3.3 退火实验72.3.4 正火实验82.3.5 淬火实验92.3.6 回火实验102.3.7 金相试样的制备112.3.8 金相组织观察112.3.9 硬度测定12第三章 实验结果与分析123.1 实验钢退火组织及硬度分析123.1.1 实验钢退火组织分析123.1.2 退火组织的硬度分析153.2 实验钢正火组织及硬度分析163.2.1 化学成分对实验钢正火组织的影响163.2.2 化学成分对实验钢正火硬度的影响173.2.3 正火与退火工艺对A3

11、钢组织及硬度的影响173.3 实验钢淬火组织及硬度分析183.3.1 实验钢淬火组织分析183.3.2 实验钢淬火组织的硬度分析213.4 实验钢回火组织及硬度分析233.4.1 实验钢回火组织分析233.4.2 实验钢回火的硬度分析26结 论28参考文献29致 谢31第一章 文献综述1.1 实验钢A3钢、A6钢的概述A3钢以前又被称作Q235，是一种普通碳素结构钢。Q是屈的拼音的大写首字母，代表屈服极限，后面的数字则是指这种钢的屈服值。普通碳素结构钢的含碳量，性能和P、S和其他残余元素含量可以在较大范围内变化。由于含碳量在0.20%左右的A3钢价格便宜，含碳量适中，综合性能良好，使其成为我国

12、当前生产和使用最多的钢种。A3钢在建筑及工程结构中得到广泛的应用，常用来制造钢筋、建造厂房的钢结构房架，并在道路、桥梁、船舶、工业等各个领域均有广泛应用，同时也大量用于制造对性能要求一般的机械零件1。A6钢是美国合金工具钢标准(ASTM A6811999)中冷作工模具钢系列A2-A10中的一个钢号。由于其良好的淬透性、较小的淬火变形倾向及较高的淬火硬度，良好的耐磨性和韧性，而被广泛用于制造冲裁模、成型模、轧辊、冲头、滚丝模及剪刀片等工模具2。由于模具钢在工作时，所加工的材料会产生很大的变形抗力，模具与被加工材料的接触部分将承受巨大大的压力、弯曲力以及摩擦力。因此，冷作模具常常有以下几种失效形式

13、：断裂失效、过载失效和磨损失效。1.2 合金元素在钢中的作用1.2.1 钢中主要的合金元素及其分类工业生产中为了保证钢材能够获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能，往往需要向钢中加入某些特定的化学元素，称为合金元素。往钢中添加合金元素主要是为了使钢能获得更加优良的使用性能及工艺性能。其中使用性能包括钢材的力学性能、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等。工艺性能包括钢的热处理性能、焊接性能、铸造及锻造性能、切削加工性能等。按元素的性质可以将合金元素分为金属元素和非金属元素两类。工业上常用作合金元素的金属元素有Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Ni、Co、Al、Cu、RE；常用的非金属元素有C、N、

14、Si、B、P等。按照是否能与碳结合形成碳化物，合金元素又可以分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两类。1.2.2 合金元素在钢中的存在形式及分布不同的合金元素可以以不同的形式存在于钢中，但主要包括以下几种：溶于Fe的四面体或八面体间隙时形成铁基间隙固溶体，取代Fe原子时形成铁基置换固溶体；某些元素与碳原子氮原子结合形成合金渗碳体、特殊碳化物或氮化物；形成金属间化合物；形成各种非金属相及非晶体相；部分合金元素可以以游离态存在，例如碳；有些合金元素能与晶体缺陷发生作用，在晶体缺陷处聚集。合金元素的分布还与钢的加工工艺状态有关。如，变形条件会影响合金元素的存在状态和析出条件；热处理的加热温度、加热时

15、间会对合金元素的溶解有影响；热处理冷却速度则会对过饱和固溶体中合金元素的析出程度的影响比较大5。1.2.3 合金元素与铁的相互作用根据合金元素对奥氏体及铁素体转变的影响，合金元素可以分为促进-Fe相形成的奥氏体形成元素和促进-Fe相形成的铁素体形成元素。1.2.4合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响钢淬火后的组织通常是不稳定的组织，一般包含马氏体和残留奥氏体两个亚稳相，在回火过程中马氏体和残留奥氏体两个亚稳相将发生相应的转变。合金元素可以提高钢的回火稳定性，即提高刚在回火处理时的软化抗力，大大减慢回火过程中各个阶段的转变速度，并提高各个阶段的转变温度。合金元素的影响主要包括以下几个方面：合金元

16、素对马氏体分解的影响即过饱和固溶体中碳化物析出的影响；合金元素对残余奥氏体转变的影响；合金元素对碳化物形成、聚集、长大的影响；合金元素对铁素体回复再结晶的影响；合金元素对钢回火脆性的影响。1.2.5 合金元素对钢强度的影响金属的强度一般是指金属材料对塑性变形的抗力。而钢的强化机制的基本原理是阻碍位错的运动。据此，为了提高钢铁材料的强度，常利用合金元素对钢的如下四种强化方式：固溶强化、晶界强化（细晶强化）、第二相强化及位错强化。1.3 热处理技术的发展及展望热处理的过程基本分为加热、保温和冷却三个阶段，通过对材料不同的性能要求，制定不同的热处理参数，如加热温度、保温时间、冷却速度，可以改变材料表

17、面或内部的组织结构,以达到控制、改善材料的性能的目的。同其他学科一样，金属热处理工艺学也是随着生产力的发展而不断发展的一门学科。在我国，热处理工艺拥有悠久的发展历史，据考证铁器时代我国就已经出现了热处理。铸铁一出现人们就需面对如何提高铸铁韧性的问题。为了解决这一问题就发展了铸铁的柔化处理工艺，如铸铁的石墨化退火及脱碳退火8。公元前六世纪，铁制品已得到相当大的发展，并在兵器的制作上得到了广泛的应用。人们发现快冷时铁的硬度会明显升高，为了提高兵器等铁制品的硬度，钢的淬火工 艺随之得到了快 速发展。后来人们又发现，不同的冷却介质对钢的淬火质量有一定的影响，例如三国时期陕西有位铁匠给诸葛亮打造兵器时淬

18、火使用的水就是从成都取来的。到了西汉，我国的热处理技术就已经得到了相当大的发展，据考古出土的一些铁制品就证明了那时的中国已经有了进行局部热处理的工艺。如西汉中期墓葬中出土的宝剑，就已经应用了渗碳工艺。1930年贝茵通过对过冷奥氏体的等温变化的研究，制定了钢的过冷奥氏体等温转变曲线以及等温淬火工艺，这些均为以后各种热处理工艺的制定提供了理论依据9。与此同时，为了避免金属在热处理过程中发生脱碳及氧化等，热处理过程中金属的保护方法也得到了全面快速发展，例如真空热处理或在热处理过程中加入保护气氛等。二十世纪以来，随着热处理技术和其他新技术交汇融合发展，金属热处理工艺得到了前所未有的快速发展。例如炉内碳

19、势的控制技术的发展，20世纪初，利用转筒炉进行气体渗碳的技术在工业上得到了广泛应用；接着露点电位差计的出现，使人们可以控制炉内气氛的碳势，以后又相继发明了用二氧化碳红外仪、氧探头等技术与仪器，使炉内气氛碳势达到进一步可控；60年代，随着等离子场技术在热处理中的应用，出现了离子渗氮、渗碳的新工艺；而激光技术、电子束技术也被广泛的用于钢的表面热处理和化学热处理中。现代机械制造及生产生活中，为保证机械产品的质量和机械零件的使用寿命,几乎所有的机械零件都需要热处理后才能够使用。据统计，在机床的制造中需要进行热处理的零件占到总体的6070%；汽车制造业中要进行热处理的零件更是占到了70一80%,而工模具

20、制造业中的所以零件均必须进行热处理后才能使用。对于机械零件，如果材料的选择适当，再配合适当的热处理工艺,就能成倍地提高机械零件的使用寿命10，从而提高产品质量，节约使用成本。常用的热处理工艺主要是四把火，即退火、正火、淬火和回火，同时固溶处理和时效处理及表面热处理在工业生产中也都应用广泛。随着其他学科技术的发展，热处理设备的发展，热处理手段和技术得到不断完善，各种新技术在热处理中的应用，包括真空热处理技术、等离子热处理技术、激光热处理技术等一大批新型热处理新技术得到了迅猛发展。21世纪的今天，要想让我国热处理技术迎头赶上西方发达国家,我们应对国内外热处理技术的现状和水平有一个更全面的了解,掌握

21、热处理技术的发展趋势，弥补自身的不足，发挥自身的优势,提高对先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备研制的投入力度,并将新技术用于传统热处理技术的改造,实现我国热处理技术的“优质、节能、高效、可持续发展”11-12。1.4 本文选题意义及研究内容本文以化学成分不同的A3、A6两种钢为研究对象，对实验钢进行不同的热处理之后，分析化学成分和热处理工艺对实验钢组织和硬度的影响规律，为提高实验钢的使用性能提供实验依据。通过本课题的研究，对金属材料学、金属热处理、金属固态相变等专业知识有一个更全面系统的认识。在实验中培养自己的动手能力，分析问题及解决问题的能力以及科研能力，为即将面对的工作打下更坚实的

22、基础。本课题的内容主要包括以下几部分：1、收集文献资料：A3、A6钢临界点、CCT曲线和TTT曲线，为制定热处理工艺和分析组织做准备。2、研究化学成分、退火温度对实验钢退火组织、硬度的影响：退火温度Ac1Ac3之间、稍高于Ac3、远高于Ac3，对两种钢试样进行不同温度退火处理，观察组织，测定硬度，研究碳、合金元素和退火温度对实验钢退火组织、硬度的影响。3、研究化学成分对实验钢正火组织、硬度的影响：制定实验钢高于Ac3的正火工艺，对试样进行正火处理，观察组织，测定硬度，研究碳、合金元素对实验钢正火组织、硬度的影响。并将实验钢的正火组织、硬度分别与高于Ac3的退火实验钢组织、硬度进行比较，分析正火

23、与退火工艺的影响。4、研究化学成分、淬火温度对实验钢淬火组织、硬度的影响：淬火加热温度在Ac1Ac3之间、稍高于Ac3、远高于Ac3，进行不同温度加热，直接淬水。观察淬火组织形貌，分析淬火温度、化学成分对实验钢组织影响。测定两种钢不同温度加热淬火后试样的硬度，分别做两种钢淬火加热温度硬度曲线；分析淬火温度、化学成分对实验钢硬度的影响。5、研究化学成分、回火温度对实验钢回火组织、硬度的影响：实验钢回火温度为200、350、500、650（回火保温时间为1小时），选取两种实验钢高于Ac3加热淬火试样，进行回火实验。观察回火后的组织形貌特征：分析回火温度、化学成分对实验钢回火组织的影响。测定不同温度

24、回火后硬度：做出回火温度硬度曲线，分析回火温度、化学成分对实验钢回火硬度影响。第二章 实验材料及方法2.1 实验材料本文以化学成分不同的A3、A6两种钢为研究对象，对实验钢进行不同的热处理之后，分析化学成分和热处理工艺对实验钢组织和硬度的影响规律，为提高实验钢的使用性能提供实验依据。A3钢与A6钢的成分见表2.1。表2.1 实验钢的化学成分（质量百分比，%）13-14CSiMnCrMoPSA30.200.190.420.0380.046A60.65-0.750.10-0.501.80-2.500.90-1.200.90-1.400.0300.030通过查阅相关文献可知A3钢的临界温度为：Ac1

25、为729，Ac3为85013；A6钢的临界温度为：Ac1s为710，Ac1f为760，Ac3为85014。2.2 实验设备（1） 自动控温电阻炉，型号 SX12-BLL，功率 12KW；（2） （落地式）砂轮机、台式砂轮机；（3） 砂轮打磨机；（4） P-2型金相试样抛光机；（5） 洛氏硬度计；（6） Axiovert25型蔡司金相显微镜2.3 实验步骤2.3.1热处理前的试样制取首先用切割机将拿到的较大试样切割为尺寸基本一致的若干小试样（1cm1.5cm2.0cm）。为了使实验结果更加准确可靠，将切割完的试样在高于Ac3的温度900下进行一次完全退火（随炉加热，到温后保温20min，再随炉冷

26、却），使同一种实验钢的不同试样在接下来的热处理前具有相同的组织。然后将一个A3钢、A6钢编为一组，共设置13组分别编号为1、2、3、12、13。其中1-4组进行不同温度的退火处理，5组进行正火处理，6-9组进行不同温度的淬火处理，10-13组进行淬火加不同温度的回火处理。2.3.2 试样热处理保温时间的确定通过查阅相关文献知，传统碳素钢及低合金钢的加热时间的计算公式:=K*D；式中是指加热时间，单位为分钟；K为修正系数，反映了不同的装炉状况,K值的选取范围一般在1.01.3之间；表示加热系数,一般情况下在0.70.8min/mm之间；D表示的是工件的有效厚度，单位为mm。在实际生产中发现，当炉

27、温仪表指示的温度达到设置的温度后,1min时间足够烧透3mm厚的工件。由于碳素钢基本不含除碳以外的其他合金元素，加热保温时基本没有合金碳化物,不需要长时间的保温使奥氏体成分均匀化；而合金结构钢中由于添加了一些合金元素,合金元素与碳结合形成合金碳化物，合金碳化物的溶解及合金元素在钢中的扩散速度较慢，故在加热保温过程时需要更多的时间以保证奥氏体成分均匀化。而对于含有较多合金元素的高合金工具钢钢种,由于碳与合金元素结合生成的合金碳化物较多,需要更长的保温时间以保证奥氏体成分的均匀化。根据从实践中总结出的369法则，根据碳及合金元素的含量不同，碳素钢及低合金钢、合金结构钢、高合金工具钢的加热保温时间只

28、要分别达到传统保温时间的30%、60%、90%即可保证组织完全转变15。在本文的研究中，所有的试样的加热方式均为随炉加热。根据以上加热保温时间的计算公式，根据试样的尺寸厚度计算得知：A3钢的保温时间=K*D=（1.01.3）（0.70.8min/mm）20mm30%6min；A6钢的保温时间=K*D=（1.01.3）（0.70.8min/mm）20mm90%18min，由此确定对于本次实验的试样热处理保温时间为20min，此时20min的保温时间足够两种钢的组织转变。2.3.3 退火实验退火是基本的热处理工序，是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却，以达到接

29、近平衡状态组织的热处理工艺，它能够均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织9。根据实验钢的临界点选取退火温度Ac1Ac3之间的780、840、稍高于Ac3的900、远高于Ac3的960四个温度作为实验钢的退火温度，分别对应1-4组试样进行退火处理。退火工艺为，随炉加热，保温20分钟，然后关闭加热炉电源随炉冷却至室温，实验钢的退火工艺曲线如图2.1所示：图2.1 实验钢的退火工艺曲线2.3.4 正火实验正火时工业上常用的热处理工艺之一，它是将钢材或钢件加热到Ac3以上适当温度，保温适当时间后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。一般钢铁的正火

30、处理与退火处理相似，但正火冷却速度稍快，得到的组织较退火组织晶粒更细密。对于有些临界冷却速度很小的钢，在空气中冷却就可以使奥氏体转变为马氏体，这种处理不属于正火性质，而称为空冷淬火。正火既可作为作为预备热处理工艺，为后续热处理工艺提供适宜的组织状态，也可以作为最终热处理工艺，提供合适的机械性能。此外，正火处理也常用来消除某些处理缺陷，例如，消除粗大铁素体块和魏氏组织等9。根据实验钢的临界点，选取实验钢的Ac3+（3050）的900作为两种实验钢的正火温度。将第5组试样随炉加热到900后保温20分钟，然后出炉空冷至室温。实验钢的正火处理工艺曲线如图2.2所示：图2.2 实验钢的正火工艺曲线2.3

31、.5 淬火实验淬火是热处理工艺中最重要的工序，把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并随之以大于临界冷却速度（Vc）冷却，一得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。这是一种将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，

32、如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等9。本实验根据实验钢的临界点，及方便整个实验之间的对比分析，选取淬火温度Ac1Ac3之间的780、840、稍高于Ac3的900、远高于Ac3的960四个温度作为实验钢的淬火温度。然后将第6-9组试样分别在780、840、900、960下进行淬火处理。选取水作为淬冷介质。将6-9组试样分别随炉加热到相应温度，保温20分钟，然后出炉水淬，使其完全冷却。实验钢的淬火处理工艺曲线如图2.3所示：图2.3 实验钢的淬火工艺曲线2.3.6 回火实验回火是将淬火后的合金过饱和固溶体加热到低于相变临界点温度（Ac1）以下某一温度，保温一段时间，亚稳的马氏体及残留

33、奥氏体发生某种程度的转变，然后再冷却到室温的热处理工艺方法。钢经过淬火得到的马氏体组织一般不能直接使用，需要进行回火处理。回火过程本质上是在一定温度范围内加热粹火钢，使钢中的热力学不稳定组织结构向稳定状态过渡的复杂转变过程。将第10-13组试样先在Ac3+（3050）的900进行淬火（水淬）处理，然后选取在低温200、中温350、500、高温650四个不同温度下分别进行回火处理。四组试样随均炉加热，达到相应温度后保温1小时，然后出炉空冷至室温。实验钢的回火工艺曲线如图2.4所示。图2.4 实验钢的回火工艺曲线2.3.7 金相试样的制备金相试样的制备流程为：取样磨光抛光侵蚀观察照相磨光的目的是为

34、了获得一个平整光滑的表面。试样的磨制过程中，首先选取试样的一个较平的面，用砂轮机将这个面上的氧化层磨掉并尽量保持磨面的平整，然后将这个面倒角倒边。然后进行的是细磨，实验中共选取五种不同粒度的金相砂纸（120、240、400、600、800），并根据砂纸磨粒的粒度大小由粗到细对试样进行磨制。磨前将砂纸在玻璃板铺平，并保证砂纸与玻璃板之间无硬质颗粒。试样不能来回磨制而是单方向向前推磨，力度要适中且用力应均匀，保证磨面的平整。当磨面上旧划痕消失时换下一号磨粒更细的砂纸，同时需要将试样的磨面旋转90，以此类推，当用到粒度为的800砂纸时，可以将玻璃板放在自来水中进行磨制，这样可以明显减少划痕数量。试样

35、细磨完成后，将试样冲洗后吹干，准备抛光。由于砂纸并不能去除磨面上的细微划痕，而抛光通过加入更细微的磨粒，能消除这些划痕，从而使试样的磨面如镜面般光亮无痕。抛光时，应先将抛光布清洗干净，平整的铺在抛光盘上，试样磨面均匀的轻压在抛光盘上。并将试样由中心逐渐向边缘移动。在抛光过程中要适时的向抛光布上喷洒金相抛光剂，抛光时湿度既不能过大也不能过小。湿度太大的话，会使抛光布磨削力降低，导致试样中的硬质相因磨损较小而呈现出浮雕状。而如果湿度太小，则因试样与抛光布摩擦产生的热会使试样升温，使试样抛面上变得晦暗而不光亮。抛光压力不宜太大，时间也不宜太长，压力过大或抛光时间过长均会使磨面上出现点状小坑。直到抛光

36、面变成光亮无痕的镜面。如果抛光时，抛面上出现了点状小坑，则应将试样用600号的砂纸重新磨制。用清水将抛光面冲洗干净，用吹风机吹干后即可进行腐蚀。然后用先前配制好的4%的硝酸酒精溶液对抛光面进行腐蚀。腐蚀时应注意腐蚀的时间，时刻注意观察腐蚀面的颜色变化，待腐蚀面由光亮变为灰暗后即可停止腐蚀，然后立刻用酒精将腐蚀面上腐蚀剂冲洗干净，最后用吹风机将腐蚀面吹干，腐蚀好的试样就可以放在金相显微镜观察组织并拍照。2.3.8 金相组织观察将腐蚀好的试样放在金相显微镜下进行观察，试样观察面在载物台上必须处于水平面上，否则镜像会出现模糊的虚像。调整目镜旋钮及聚光孔，直到电脑屏幕上出现清晰的图像，如果发现屏幕上的

37、图像只有部分清晰，而另一部分为虚像时，应首先检查试样在载物台上是否放置水平。如果为水平放置，则说明观察面磨的不平，此时需将试样重新磨制直到磨面水平然后再抛光、腐蚀和观察。转换不同倍数的物镜，使试样分别在100、200、500及1000倍的放大倍数下观察金相组织并选取组织的不同位置进行拍照，然后将照片按放大倍数标上标尺。2.3.9 硬度测定观察完试样的组织后接下来应测量试样组织的硬度。本研究中所使用的硬度计为洛氏硬度计。洛氏硬度计HRC硬度的测试范围为20-70HRC，适用于硬度较高的材料；而HRB的测试范围为20-100HRB，只适用于硬度较低的材料。由于A3钢中碳及合金元素的含量很低，退火、

38、正火及回火处理后硬度很低，达不到20HRC，为了使测量数据的更加准确，退火、正火及回火态的A3钢的硬度使用HRB来进行测定。第三章 实验结果与分析3.1 实验钢退火组织及硬度分析3.1.1 实验钢退火组织分析不同温度下退火后实验钢的组织形貌如下所示。A6钢A3钢 图3.1 实验钢780退火后的组织形貌780退火下A3钢的组织为珠光体+铁素体，A6钢的组织为粒状珠光体。A6钢A3钢 图3.2 实验钢840退火后的组织形貌840退火下A3钢的组织为珠光体+铁素体，A6钢的组织为粒。状珠光体，珠光体颗粒较780退火时大且多。A3钢A6钢 图3.3 实验钢900退火后的组织形貌900退火下A3钢的组织

39、为珠光体+铁素体，A6钢的组织为（片状+粒状）珠光体。A6钢A3钢 图3.4 实验钢960退火后的组织形貌960退火下A3钢的组织为珠光体+铁素体，A6钢的组织为片状珠光体+马氏体。由图3.1-3.4对比分析知：相同温度下退火，A3钢与A6钢退火组织形貌明显不同。A3钢退火组织为珠光体+铁素体，且随着退火温度的升高，珠光体含量逐渐增多，铁素体含量降低。A6钢在较低温度下进行退火时，组织为粒状珠光体，随着退火温度的升高，组织由粒状珠光体向片状珠光体转变，当退火温度达到明显高于Ac3的960时，组织中出现了少量马氏体。珠光体是共析铁素体与共析渗碳体（或碳化物）有机结合的整合组织。由于A6钢中含有较

40、高的碳,降低了奥氏体转变温度，扩大了奥氏体相区,增加了奥氏体的稳定性。退火处理冷却过程中发生共析转变时能得到较多的共析铁素体与共析渗碳体，所以相同温度下退火，A6钢较A3钢能形成更多的珠光体组织。合金元素锰、碳、铬、钼等均能提高过冷奥氏体的稳定性,相同退火温度下缓慢冷却过程中A6钢较A3钢易出现贝氏体及马氏体转变。当A6钢在较低温度下退火时（780、840），合金元素锰、铬、钼等与碳形成的碳化物不能完全溶入奥氏体中，使奥氏体成分不均匀。而不均匀的奥氏体缓慢冷却过程中，合金碳化物抑制了碳的扩散，形成的共析渗碳体或碳化物会以颗粒状存在于铁素体基体上，且随着温度的升高（840），粒状碳化物会增大。当

41、退火温度高于Ac3时（900），奥氏体成分趋向于均匀，过冷奥氏体缓慢冷却时，碳化物能以片层状长大，故而在900下A6钢会出现片层状珠光体组织。随着温度的进一步升高，明显高于Ac3时，由于合金元素的作用，C曲线明显右移，增加了过冷奥氏体的稳定性，Ms点上升，所以在960退火冷却时，A6钢中的仍有少量过冷奥氏体转变为马氏体组织14-15。A3钢由于碳及合金元素含量很少，退火冷却时基本不存在未溶碳化物，碳的扩散较容易，Ms点很低，退火时得到的组织均为铁素体+片状珠光体。且由图3.1-3.4可知，随着退火温度的升高，组织成分趋于均匀，增大了过冷奥氏体的稳定性、碳的扩散速度，冷却过程中更易转变为珠光体，

42、所以A3钢中的珠光体含量逐渐增多。高倍光学显微镜下不同退火温度的A3钢中的珠光体组织如图3.5所示。ba dc 图3.5 A3钢不同温度退火后的组织如图3.5所示，a、b、c、d分别为A3钢780、840、900、960退火后的组织。由图可以看到，随着退火温度的升高，A3钢中珠光体片层间距逐渐加大。这是因为随着退火温度的升高，奥氏体晶体长大，奥氏体成分越来越均匀，碳的扩散越来越快，过冷奥氏体转变为珠光体的形核基底减少，珠光体片层间距越来大。3.1.2 退火组织的硬度分析实验钢不同温度下退火后的硬度如下表所示：表3.1 实验钢不同温度退火后的组织硬度退火温度/780840900960A3钢/HR

43、B74.875.378.979.7A6钢/HRC29.634.238.440.2由上表可知，化学成分对退火硬度的影响规律，在同一温度下退火，A6钢的硬度要明显高于A3钢的组织硬度，随着退火温度的升高，A3钢、A6钢的硬度均逐渐升高，特别是A6钢的硬度随退火温度升高而大大增加。在同一温度下退火，A6钢的组织硬度要明显高于A3钢的组织硬度。这是由于，一方面由于A6钢中含有较多的碳及合金元素，在同一温度下退火时，A6钢中珠光体的含量要明显高于A3钢，而铁素体的含量则低于A3钢，导致A6钢的硬度要高于A3钢。另一方面由于A6钢中含有较多的碳、锰、铬、钼等合金元素，碳原子可以溶入铁的基体中形成间隙固溶体

44、，而锰、铬、钼则溶入铁基中形成置换固溶体。从而引起晶格畸变，固溶强化作用明显，导致A6钢退火组织硬度的硬度明显高于相同温度退火下A3钢的组织硬度。随着退火温度的升高，A3钢、A6钢的组织硬度均逐渐升高。因为：对于A3钢，随着退火温度的升高，加热时未溶铁素体减少，奥氏体量增加。当退火温度超过Ac3后，加热时得到全部的奥氏体，且随加热温度升高，碳原子扩散速度加快，奥氏体成分趋向于均匀，过冷奥氏体转变为珠光体的含量越来越高，而铁素体含量则越来越少。由于组织的变化而导致A3钢的硬度逐渐升高。但是，当退火温度再升高时，退火组织的硬度基本不会发生变化。对于A6钢，由于A6钢中含有较多的碳及合金元素，合金元

45、素铬、钼、锰会与碳结合形成碳化物，在较低温度退火时（780），碳化物较少的溶于奥氏体中，此时A6钢的组织为成分不均匀的奥氏体+铁素体+未溶碳化物，未溶碳化物会阻止奥氏体晶粒长大，过冷奥氏体冷却时碳化物以粒状分布于铁素体基体上形成粒状珠光体，硬度较低。随着退火温度的升高，碳化物逐渐溶解，奥氏体成分逐渐均匀化，退火组织逐渐由粒状珠光体向片状珠光体转变，在960时由于合金元素的作用导致C曲线右移，过冷奥氏体稳定，Ms点升高，还出现少量的马氏体。因此硬度不断升高。另一方面，随着退火温度的升高，碳化物溶解逐渐增多，固溶强化作用也逐渐增大，导致硬度逐。渐升高。3.2 实验钢正火组织及硬度分析3.2.1 化

46、学成分对实验钢正火组织的影响实验钢900正火后的组织如图3.6所示。A3钢A6钢 图3.6 实验钢900正火后的组织形貌。由图3.6可知，在900正火时，A3钢的组织为铁素体+珠光体，A6钢则为针状马氏体组织。在900下，对于A3钢在900时已经完全奥氏体化，且奥氏体成分趋向于均匀化。由于钢中的碳及合金元素含量均较低，故过冷奥氏体不稳定，在正火冷却时，A3钢发生先共析铁素体和珠光体转变，得到铁素体加珠光体组织。且由于钢中碳的含量较低，正火处理后会有大量的先共析铁素体。对于A6钢，由于在900时，碳化物大部分溶解，合金元素较均匀的溶入奥氏体中，碳及合金元素铬、钼、锰大大增加了过冷奥氏体的稳定性，

47、C曲线右移，Ms点升高，增加了钢的淬透性。在正火冷却时，过冷奥氏体空淬成针状马氏体组织16。3.2.2 化学成分对实验钢正火硬度的影响经测量得知：900正火后A3钢的组织硬度为86.2 HRB，A6钢的组织硬度为56.8 HRC。正火后A6钢的硬度远高于A3钢的硬度，这是由于一方面碳及合金元素提高了A6钢的淬透性，使A6钢在正火空冷时发生低温马氏体转变，得到马氏体组织；而A3钢得到的却是铁素体加珠光体组织，而这两种组织的硬度均小于马氏体组织的硬度，导致正火后两种钢的硬度差别。另一方面，由于A6钢中的碳及合金元素溶入钢的基体中形成间隙固溶体及置换固溶体，固溶强化作用增大了A6钢的硬度。同时未溶的

48、碳化物在钢中作为第二相，起第二。相强化作。用。3.2.3 正火与退火工艺对A3钢组织及硬度的影响A3钢900退火与900正火后的组织形貌如图3.7所示。ab 图3.7 A3钢900退火与900正火后的组织形貌。（a）900退火组织；（b）900正火组织由图11对比分析知，900正火时A3钢的晶粒尺寸明显小于900退火时的晶粒尺寸，这是由于正火时冷却速度较快，过冷度大，珠光体形核率较大，且晶粒来不及长大。故正火组织中的片状珠光体含量明显高于退火组织，且珠光体组织细小，因此900下的正火组织的硬度要高于900下退火组织。3.3 实验钢淬火组织及硬度分析3.3.1 实验钢淬火组织分析实验钢780淬火

49、组织如图3.8所示。A3A6 图3.8 实验钢780淬火组织780淬火时，A3钢的组织为珠光体+铁素体，这是因为A3钢为普通低碳钢，含碳量只有0.2%左右，且基本不含其他合金元素，故A3钢的淬透性非常低。当淬火温度为780时，此时处于两相区，加热时碳原子向奥氏体中扩散，因为780较靠近Ac1，保温后得到的组织为奥氏体+未溶铁素体，淬火时由于淬火温度较低，而A3钢的淬透性又很差，故780时A3钢没能淬成马氏体组织，而是得到了珠光体+铁素体组织。A6钢的组织为粒状珠光体+马氏体（少量）。由于A6钢中含有较高的碳及合金元素，合金元素锰、铬、钼与碳结合形成大量的碳化物，由于淬火加热温度接近奥氏体起始转

50、变温度，故生成的奥氏体含量不多，且碳化物只有少量溶解，780保温后，钢的基体中会留有大量未溶碳化物。780淬火时，过冷奥氏体发生马氏体转变，由于奥氏体的含量不多，导致只有少量的马氏体生成。而大量的未溶碳化物则以颗粒状分布于铁素体基体上形成粒状珠光体17-18。实验钢840淬火组织如图3.9所示。A6A3 图3.9 实验钢840淬火组织840淬火时，A3钢的组织为马氏体+托氏体（黑团状）+铁素体。当淬火温度为840时，由于淬火温度较接近完全奥氏体化温度（850），840保温后的组织为奥氏体+未溶铁素体（少量）。水冷淬火后，过冷奥氏体转变为马氏体和黑团状的托氏体组织，而铁素体则保留了下来。托氏体也

51、叫屈氏体，是片状珠光体的一种，珠光体片层间距为3080nm，在一般光学显微镜下无法观察片层结构，只能看到墨菊状的黑色形态，只有在电子显微镜下才能观察到其片层结构。由图3.9可以看出，840淬火时，生成了大量的托氏体组织+部分马氏体+铁素体，这是由于A3钢的淬透性差，C曲线非常靠左，840淬火时，由于水的冷却能力有限，有部分过冷奥氏体先发生了珠光体转变，由于过冷度较大，珠光体转变在C曲线鼻温稍上发生转变，碳原子来不及扩散，生成了片层间距极小的托氏体组织19。剩余的部分奥氏体则发生了马氏体转变。A6钢为马氏体+大量的未溶碳化物+残余奥氏体。当淬火温度为接近Ac3的840时，部分碳化物溶入奥氏体中，

52、碳及合金元素的溶入大大增加了过冷奥氏体的稳定性，增加了钢的淬透性，水冷时过冷奥氏体发生马氏体相变，生成片状马氏体。同时由于淬火加热时，仍有一些碳化物没有溶入奥氏体，所以，淬火后有未溶碳化物分布在钢的基体上。而残余奥氏体是淬火未能转变成马氏体而保留到室温的奥氏体。残余奥氏体是稳定的奥氏体转化后残留下的，当过冷至零度以下，这部分残余会继续转化成为马氏体。实验钢900淬火组织如图3.10所示。A6A3 图3.10 实验钢900淬火后的组织形貌900淬火时，由上图知：A3钢的组织为马氏体+（沿晶界分布的）先共析铁素体。因为，900保温后，A3钢完全奥氏体化，由于A3钢含碳量低，属于亚共析钢，水冷淬火时

53、过冷奥氏体转变为马氏体并且会在原奥氏体晶界上析出网状的先共析铁素体。先共析铁素体是亚共析钢在发生共析转变之前从过冷奥氏体中析出的铁素体。如果原奥氏体晶粒比较细小,组织转变温度较高，冷却速度较快，先共析铁素体往往沿着奥氏体晶界呈网状析出；如果奥氏体成分均匀，晶粒粗大，冷却条件适中，则先共析铁素体往往呈片状析出。而A6钢的组织为马氏体+残余奥氏体+少量未溶碳化物，当淬火温度为高于Ac3的900时，A6钢中碳化物分解大量溶入奥氏体中，但组织中仍有少量未溶碳化物。故水冷淬火时，过冷奥氏体转变为马氏体组织加未溶碳化物，同时也会有少量奥氏体不能发生转变，保留至室温。实验钢960淬火组织如图3.11所示。A

54、6A3 图3.11 实验钢960淬火后的组织形貌960淬火时，A3钢的组织为马氏体+（沿原奥氏体晶界分布的）魏氏体。当淬火温度达到960后，温度远高于Ac3，保温后奥氏体晶粒粗大，奥氏体成分均匀。水冷淬火时，由于过冷度较大，过冷奥氏体转变为马氏体。观察金相组织时还发现了魏氏体组织魏氏体组织是指，含碳低于0.6%的碳。钢或低合金钢，在奥氏体晶粒较粗和冷速适中的条件下，先共析铁素体呈片状或粗大羽毛状，与原奥氏体有一定位向关系的组织出现魏氏体是因为高温下奥氏体晶粒粗大，冷却时随着碳原子的扩散转移，形成的片状先共析铁素体快速向原奥氏体晶粒内部生长且在某一方向上速度特别大，因而形成了形态上平行的尖角状的

55、魏氏体组织。而A6钢的组织为马氏体+残余奥氏体。当温度达到远高于Ac3的960时，钢中的碳化物完全溶入奥氏体中，晶粒明显长大。水冷淬火时得到马氏体组织及部分未能转变的残余奥氏体。综上，对于A3钢，随着淬火温度的升高，A3钢的淬火组织由珠光体向马氏体过渡，且马氏体的含量逐渐增加。且随着淬火温度的升高，还出现了托氏体及魏氏体组织。而A6钢，随着淬火温度的升高，马氏体含量逐渐升高，未溶碳化物逐渐减少20-21。3.3.2 实验钢淬火组织的硬度分析实验钢淬火温度与硬度的关系图如图3.12所示。图3.12 实验钢淬火加热温度硬度曲线由图3.12知，相同淬火温度下A6钢的硬度远大于A3钢的硬度。这是因为一

56、方面由于A6钢中含有比A3钢更多的碳及合金元素，碳及合金元素溶入钢的基体中形成固溶体，固溶强化作用比A3钢强烈的多，故硬度较A3钢有很大的提高。另一方面由于A6钢中的碳化物在900以下时不能完全溶入奥氏体中，未溶碳化物弥散分布在钢的基体中作为强化相，起第二相强化作用，显著提高了A6钢的硬度。最后，由于碳及合金元素的作用，A6钢的淬透性远大于A3钢的淬透性，相同温度下淬火，A6钢会得到更多的马氏体组织，导致A6钢硬度的提高。对于A3钢，随着淬火温度的升高，硬度不断提高。这是由于随着淬火加热温度的提高，奥氏体含量增加，奥氏体成分均匀化，过冷奥氏体越来越稳定，水冷淬火时，生成的马氏体的量越来越多，是硬度不断升高。由上图可以看出，在较低温度下淬火时，A3钢的硬度均在20HRC以下，这也可能是由于A3得淬透性太差，淬硬层很薄，打磨后用诺氏硬度计测量HRC硬度时，金刚石压头将淬硬层压穿，接触到未淬透的组织，导致所测硬度值偏低。由图16可知，对于A6钢，随着淬火加热温度的升高，A6钢的硬度先升高后降低。这是因为780淬火时由于奥氏体化不完全，淬火只得到了少量马氏体组织，碳化物大量以粒状分布于铁素体基体上，形成粒状珠光体，导致硬度很低。随着温度的提高，840时，奥氏体