课设40Cr 淬火+回火 51-55HRC

1、工程材料学课程设计报告设计题目：40Cr 淬火+回火 51-55HRC学 院：材料科学与工程班 级：材料XXX班姓 名：XXX学 号：201314010220指导老师：郑建军 党淑娥 秦凤明 20XX年12月27日目录一、课程任务求：.3 40Cr钢简介.3 40Cr的化学成分及临界温度.3 40Cr的性质.3二、工艺设计方案.3（1）预备热处理.3（2）最终热处理.3三、实验方法及结果：.4（1）退火.4（2）淬火.4（3）回火.8（4）热处理工艺曲线.10四、实验分析分析.11 1、奥氏体的形成.13 2、影响珠光体向奥氏体转变的因素.13 3、钢在回火时的组织转变.14参 考 文 献.1

2、6课程任务：材料工艺热处理硬度40Cr淬火+回火HRC 51-55一、40Cr钢简介（1）40Cr的化学成分及临界温度40Cr的化学成分及临界温度见表1。表1 40Cr的化学成分及临界温度化学成分/%临界温度/CMnSiCrAc1Ac3Ar1Ar30.37-0.450.50-0.800.20-0.400.80-1.10743800693730（2）40Cr的性质从铁碳合金相图来看40Cr钢属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为铁素体（F）+珠光体（P）；从钢的分类来看，40Cr钢属于低淬透性调质钢，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，即具有良好的综合机械性能；40Cr钢可用于制造汽车的连杆，螺栓，传

3、动轴及机床的主轴等零件。二、40Cr钢热处理工艺设计方案（1）预备热处理调质钢经热处理加工后，必须经过预备热处理来降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。对于40Cr钢而言，可进行正火或退火处理。（2）最终热处理调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。一般可以采用较慢的冷却速度回火，可以用油淬以避免热处理缺陷。当强度较低时，可采用较低的回火温度，反之采用较高的回火温度。三、40Cr热处理试验方法及结果：（1）退火我们拿到的工件已经过退火，可以进行后续的淬火黑团珠光体 白色块状铁素体实验步骤： 先对试样进行倒角，表面的一些初步处理。 使用洛氏硬度

4、计对工件退火后硬度进行测量。第一次测量/HRC第二次测量/HRC第三次测量/HRC平均值/HRC10.591110.2（2）淬火淬火是将钢奥氏体化后以大于Vk的速度冷却，已获得高硬度的马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。 钢的淬硬性是指淬火钢获得高硬度或马氏体硬度的能力。钢的淬硬性与合金元素无关，而主要取决于Wc。采用方法：单液淬火法（普通淬火法）将加热后的钢件放入一种淬火冷却介质中冷却。单液淬火法操作简单，易实现自动化操作，但存在明显缺点：水淬易变形、开裂；油淬硬度不足，只适用于形状简单的工件。注意事项：（1）“加热保温”时，打开对应加热炉的炉门，用夹钳将试样逐个放入炉膛中央，保

5、持间隔均匀，关上炉门。待控温仪表上温度升至拟定的加热温度处，由于加热加速度，待仪表温度上升至850再降低至850时，开始计算保温时间。（2）淬火冷却时，用夹钳夹住试样端部迅速将其浸入冷却液中，并连续搅拌至试样基本冷透为止，方可取出试样。（3）硬度检测时，应先将被检测面用砂纸打磨平整、去除氧化皮方可进行。实验方法与步骤1) 加热保温时间的确定。根据试样的有效厚度（D）计算加热保温时间（t）由公式：t=kD淬火保温时间t=kD式中：t加热保温时间，min；加热系数，min/mm；（1-1.5） k工件装炉方式修正系数； D工件有效厚度，mm。加热保温时间根据以上公式计算得出为30min。2) 淬火

6、加热温度的确定根据下图确定碳钢的加热温度，亚共析钢的淬火加热温度一般为Ac3以上30到50。本实验试样加热温度就是根据这个确定的。(采用电阻炉加热)0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0Wc/%11001000 G900800700温度/淬火加热温度范围A3奥氏体AcmS奥氏体+铁素体A11碳钢的淬火加热温度范围3) 淬火后进行金相观察。850 保温30min 油淬冷却针状马氏体和板条状马氏体4）、淬火后产生硬度不足原因分析工件淬火后表面硬度低于40Cr钢要求的淬火硬度，即硬度不足。前三次硬度均不足目标硬度下限HRC51，产生硬度不足的原因及控制措施有见下表。序号淬火硬度不足的原因控制措施

7、1介质冷却能力差，工件表面有铁素体、托氏体等非马氏体组织采用冷速较快的淬火介质；适当提高淬火加热温度。2淬火加热温度低，或预冷时间长，淬火冷却速度低，出现非马氏体组织确保淬火加热温度正常；减少预冷时间。3亚共析钢加热不足有未溶解铁素铁严格控制加热温度、保温时间和炉温均匀性4碳钢或低合金钢采用水、油双介质淬火时，在水中停留时间不足，或从水中提出零件后，在空气中停留时间过长严格控制零件在水中停留时间及操作规范5钢的淬透性差，且工件截面尺寸大，不能淬硬采用淬透性好的钢6高碳高合金钢淬火加热温度高，残余奥氏体过量降低淬火加热温度或采用深冷处理7等温时间过长，引起奥氏体稳定化严格控制分级或等温时间8表面

8、脱碳采用可控气氛加热或其他防脱碳措施9硝盐或碱浴中水分含量过少，分级冷却时有托氏体等非马氏体形成严格控制盐浴和碱浴中的水分10合金元素内氧化，表层淬透性下降，出现托氏体等非马氏体而内部则为马氏体组织降低炉内气氛中氧化性组分含量；选用冷速快的淬火介质。（2）.回火回火是指将淬火钢重新加热至A1以下某预定温度并保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。 回火的目的是：消除或减小淬火应力，降低淬火钢的脆性，达到零件要求的使用性能，稳定钢件的组织和尺寸。1）、回火的作用 提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。消除内应力，以便改善工件的

9、使用性能并稳定工件几何尺寸。调整钢铁的力学性能以满足使用要求。 回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提高。回火温度越高，这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化。2）、回火方案的确定 低温回火（150250度） 低温回火所得组织为回火马氏体。

10、其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC5064。本次实验回火温度为200度，回火保温时间的确定：材料进行淬火后，必须进行充分的保温回火，一般根据材料的回火温度，工件的尺寸，对材料的性能要求和加热炉而定，一般由经验公式得出3）、回火后硬度测量 经加热保温后取出空冷后用砂纸打磨去除表面的氧化层，通过洛氏硬度计测得如下表不同回火温度下的硬度值。第一次测量/HRC第二次测量/HRC第三次测量/HRC平均值/HRC525152.5524）、回火后

11、的金相观察 回火组织：200 保温30min 空冷 碳化物和马氏体组成回火马氏体（4）热处理工艺曲线85030mim 油淬 200 30min 空冷4、 实验分析分析淬火裂纹分析淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。后者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹特征加以区分。1、淬火裂纹的特征在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时，便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开

12、裂，也可能是穿晶开裂；有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：结构钢中可观察到粗针状马氏体；工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。2、非淬火裂纹的特征淬火后发生的裂纹，不一定都是淬火所造成的，可根据下面特征来区分：淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之

13、前就已经存在。淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。与此相对应的温度，大约在250以下。在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹。如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳，但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征区别开来。3、试验中的裂纹原因对淬火后裂纹的金相组织进行分析：从图可以看出,裂纹两边没有发现脱碳,在试样边缘有脱碳层,说明在加热过程中裂纹不存在,原始材料内部没有裂纹。钢件淬火冷却必须大于它的临界冷却速度才能获得完全硬

14、化。然而，快速冷却有时导致强大的内应力，以致形成淬火裂纹的主要因素之一。在由加热温度冷却到开始相变温度的过程中，钢的组织仍保持奥氏体状态（即过冷奥氏体），具有较低的屈服极限和很高的塑性，在应力状态上，由于没有发生相的转变，只产生热应力，所以在该冷却阶段钢件不会产生裂纹。 但钢件冷却到Ms点以下的温度，即钢发生相变时，除因冷却不一致所形成的热应力外，还有因相变进行的不等时性而产生的组织应力。相变的结果，奥氏体转变成具有高硬度和低塑性的马氏体。因此，在该温度区间的冷过程，最易于引起淬火裂纹。钢在淬火时的组织转变1、奥氏体的形成大多数热处理工艺的加热温度都高于钢的临界点（A1或A3），使钢

15、具有奥氏体组织，然后以一定的冷却速度冷却，以获得所需的组织和性能。铁碳合金缓慢加热时奥氏体的形成可以从Fe-Fe3C相图中反映出来，珠光体向奥氏体的转变属于扩散型相变。以共析钢为例，珠光体组织在A1（727）以下，组织保持不变（相中碳的溶解度及Fe3C的形状稍有变化）；当加热到A1点以上时，珠光体全部转变为奥氏体。奥氏体的形成过程可以分为四个步骤：奥氏体晶核的形成奥氏体晶粒长大残余渗碳体溶解奥氏体成分均匀化对于亚共析钢（过共析钢），当缓慢加热到A1以上时，除珠光体全部转化为奥氏体外，还有少量先共析铁素体转变为奥氏体（过共析钢二次渗碳体溶解），随着温度升高，先共析铁素体不断向奥氏体转变，当温度高

16、于A3时，组织为单相奥氏体。2、影响珠光体向奥氏体转变的因素温度的影响提高温度，原子的扩散能力增大。特别是碳原子在奥氏体中的扩散能力增大，奥氏体的形成速率加快。钢中含炭量增加，铁素体与渗碳体的相界面总量增多，有利于加速奥氏体形成。钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成 强碳化合物 减缓C的扩散，减缓A的形成非碳化物形成元素加速A形成。钢组织中珠光体越细，奥氏体形成速度越快（相界面积大）。加热速度越快，奥氏体形成温度升高，形成速度越快。3、钢在回火时的组织转变通过加热使钢转变为均匀的奥氏体组织后，仅完成了热处理的加热准备工作，将高温奥氏体以不同的冷却速度冷却，获得所需的组织与性能，才是热处理的最终

17、目的。高温奥氏体组织是稳定的，如冷却到A1以下，奥氏体就处于不稳定状态（过冷态），称为过冷奥氏体。不同的过冷度，奥氏体发生转变的过程不同：转变开始与转变终了的时间不同；转变后产物的组织与性能不同1) 珠光体型转变高温转变（A1550） 转变过程及特点过冷奥氏体在A1550温度范围内，将分解为珠光体类组织。当奥氏体被过冷至A1以下温度时，在奥氏体晶界处（含碳量高）优先产生渗碳体的核心，然后依靠奥氏体不断供应碳原子（随着冷却，奥氏体溶解碳的能力下降，碳从奥氏体内向晶界扩散），渗碳体沿一定方向逐渐长大，而随着渗碳体的长大，又使其周围的奥氏体碳浓度下降，这就促使贫碳的奥氏体局部区域转变成铁素体（即渗碳

18、体两侧出现铁素体晶核），在渗碳体长大的同时，铁素体也不断长大，而随着铁素体的长大，必然将多余的碳排挤出去，这就有利于形成新的渗碳体晶核。最终形成了相互交替的层片状渗碳体和铁素体珠光体。排列方向相同的铁素体与渗碳体区域，称为珠光体晶粒。珠光体一直长大到与相邻的珠光体互相接触，而奥氏体全部转化为珠光体为止。 转变特点：过冷奥氏体转变为珠光体是扩散型相变。 分类在高温转变区形成的珠光体类组织，虽然都是渗碳体与铁素体的混合物，但由于过冷度大小不同，其片层距差别很大：A1650, 形成的组织层间距较大，在400-500倍的金相显微镜下即可分辨，称为珠光体P。650600，形成的组织分散度较大，层间距较小

19、，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。600550，形成的组织，层间距很小，只有在电子显微镜下放大几千倍才能分辨，称为屈氏体或托氏体。珠光体、索氏体、屈氏体都是珠光体类组织，本质上没有任何区别，只是渗碳体、铁素体片的厚度不同而已。从珠光体到索氏体、屈氏体，随着层间距的减小，强度和硬度依次升高。2) 贝氏体型转变中温转变（550Ms） 转变过程及特点过冷奥氏体在550Ms（共析钢的Ms约230）温度范围内，转变为贝氏体类组织。由于过冷度增大，铁原子的扩散很困难，碳原子的扩散能力也显著减弱，扩散不充分，形成渗碳体所需的时间增长。过冷奥氏体在这一温度范围内的转变产物仍是铁素体和

20、渗碳体的混合物，但它与珠光体有本质的区别：贝氏体转变由于冷却速度快，渗碳体已不能呈片状析出。碳的扩散速度受到很大限制，部分碳来不及析出，固溶在铁素体中形成过饱和的铁素体。因此，贝氏体型转变产物是过饱和的铁素体与渗碳体的混合物。 转变特点：过冷奥氏体向贝氏体转变是一种半扩散型相变。 分类贝氏体组织形态比较复杂，根据其中铁素体与渗碳体的分布形态的不同，分为上贝氏体B上和下贝氏体B下。上贝氏体B上：是过冷奥氏体在550-350范围内的转变产物，其中过饱和铁素体形成密集而相互平行的羽毛状扁片，一排一排地由晶界伸向晶内，渗碳体呈短杆状断断续续地分布在铁素体扁片之间。（上贝氏体由于转变温度较高，渗碳体长得较大）上贝氏体的组织形态决定了其强度较低，塑性、韧性较差。下贝氏体B下：是过冷奥氏体在350-Ms范围内的转变