1、20號(hào)鋼熱處理工藝對(duì)組織性能的影響1.前言1.1 名稱及性質(zhì)20號(hào)鋼，含碳量為0.2%，該鋼屬于優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，冷擠壓、深碳淬硬鋼。該鋼強(qiáng)度低，韌性、塑性和焊接性均好?？估瓘?qiáng)度為253-500MPa，伸長(zhǎng)率24%。密度是7.85，無沖擊韌度。1.2 應(yīng)用冷變形塑性高，一般供彎曲、壓延用，為了獲得好的深沖壓延性能，板材應(yīng)正火或高溫回火；用于不經(jīng)受很大應(yīng)力而要求很大韌性的機(jī)械零件，如軸套、螺釘、杠桿軸、變速箱變速叉、齒輪、重型機(jī)械拉桿、鉤環(huán)等，還可用于表面硬度高而心部強(qiáng)度要求不大的滲碳于氰化零件。1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定含碳量，加熱溫度，加熱時(shí)間，冷卻速度等因素對(duì)20號(hào)鋼的影響，本實(shí)驗(yàn)還研究一般材料成

2、分、組織及性能的關(guān)系，探尋成分、組織與性能之間存在著的對(duì)應(yīng)關(guān)系和規(guī)律，加深理論知識(shí)的熟悉程度和應(yīng)用能力的提高。1.4任務(wù)完成測(cè)定試樣硬度，制備金相樣品，觀察組織，照相，分析，出報(bào)告等任務(wù)。2.材料及實(shí)驗(yàn)2.1材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能1表1 20號(hào)鋼的化學(xué)成分品名化學(xué)成分(重量百分比)Chemicai composition(WT%)碳(C)錳(Mn)磷(P)硫 (S)鎳(Ni)鉻(Cr)硅(Si)銅(Cu)20號(hào)鋼0.170.240.350.650.0400.040.250.250.170.370.25表2 20號(hào)鋼的力學(xué)性能機(jī)械性質(zhì)Mechanicai properities硬度(HB)抗拉

3、強(qiáng)度(Mpa)屈服強(qiáng)度(Mpa)伸長(zhǎng)率 %面積縮減%沖擊功(J)熱軋鋼1564202502555無2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)對(duì)含碳量，加熱溫度，加熱時(shí)間，冷卻速度對(duì)碳鋼材料硬度的影響資料的檢索得到如下的相關(guān)數(shù)據(jù)：表3含碳量對(duì)碳鋼硬度的影響材料時(shí)間硬度HV0.0520鋼/Wc=0.2%26154110045鋼/Wc=0.45%2240042800T8鋼/Wc=0.8%2280043900T12鋼/Wc=1.2%2410044400隨鋼中碳含量的增加，表面硬度也隨之增高。表4 加熱溫度對(duì)碳鋼硬度的影響加熱溫度/硬度HRC加熱溫度/硬度HRC85060.33100056.6790059.67105051

4、.5095059.17隨著再加熱溫度的升高宏觀硬度下降20019991851901641191001681720123410191150150126196硬度HV圖1 保溫時(shí)間（分）在本試驗(yàn)條件下，試樣硬度隨加熱保溫時(shí)間的變化而發(fā)生曲折的變化。當(dāng)試樣還未發(fā)生奧氏體化時(shí)，硬度隨著溫度時(shí)間的增加而提高;當(dāng)試樣剛開始奧氏體化至剛完全奧氏體化為止，硬度隨著奧氏體化轉(zhuǎn)變量的增加而下降;當(dāng)試樣完全奧氏體化后，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度緩慢升高。表5 冷卻速度對(duì)碳鋼硬度的影響熱處理工藝硬度（HRC）1040 1h油冷+565 2h空冷36.11040 1h爐冷（5/min降溫）+565 2h空冷37.4104

5、0 1h爐冷（1/min降溫）+565 2h空冷37.41040 1h爐冷（0.5/min降溫）+565 2h空冷35.4綜合上述影響因素，本實(shí)驗(yàn)我們選取20號(hào)鋼來對(duì)碳鋼經(jīng)行熱處理工藝分別分析含碳量、加熱溫度、加熱時(shí)間、冷卻速度對(duì)試樣硬度性能的影響。淬火：是將鋼或合金加熱到臨界溫度Ac1(過共析鋼)或Ac3（亞共析鋼）以上3050，保溫一定時(shí)間，使鋼的組織全部或大部分奧氏體化，然后在水或油等介質(zhì)中快速冷卻，以得到高硬度的淬火馬氏體組織的一種工藝方法。 提高硬度和耐磨性；提高彈性；提高強(qiáng)韌性；提高耐蝕性和耐熱性?？傊?，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、彈性、韌性、疲勞強(qiáng)度等等，都可以利用淬火與回火使之大大

6、提高，所以，淬火是強(qiáng)化鋼鐵的主要手段之一。2.3 所需實(shí)驗(yàn)器材2.3.1樣品預(yù)處理：粗細(xì)不同的打磨砂紙2.3.2熱處理：洛氏硬度計(jì)，箱式電爐，淬火用水槽2.3.3樣品后處理：拋光機(jī)，金相顯微鏡，硝酸腐蝕液，酒精2.3.4材料圖像分析：Neophot 21(包括圖像分析儀)2.3.5硬度實(shí)驗(yàn)：表面洛氏硬度計(jì)2.4 消耗材料：20號(hào)鋼試樣 、4%硝酸酒精溶液 、清洗酒精 、 砂紙2.5實(shí)驗(yàn)步驟2.5.1 選取試樣2.5.2 用洛氏硬度計(jì)測(cè)試樣硬度2.5.3 將試樣放入箱式電爐中按加熱方案加熱，保溫，冷卻2.5.4 制取金相試樣，再試樣的硬度2.5.5 用腐蝕劑腐蝕2.5.6 再測(cè)表面硬度2.5.7

7、 觀察組織形態(tài)2.5.8 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.6 加熱方案先將試樣放入爐中，接通箱式電爐加熱，查資料得20號(hào)鋼的相變點(diǎn)溫度（近似值）Ac1=735，Ac3=855，Ar3=835，Ar1=680，故將試樣加熱到890，然后保溫，通過查閱相關(guān)資料，得到箱式電爐保溫時(shí)間：碳鋼：t=1/mm +(10 30) 合金鋼：t=1.2 /mm +(30 60) 本試樣為20號(hào)碳鋼，則加熱時(shí)間為： 為D為工件有效厚度（單位/mm）保溫結(jié)束后，根據(jù)冷卻方式空氣冷，油冷，水冷分別進(jìn)行冷卻。圖 2 熱處理工藝曲線2.7 制取金相試樣圖3 制取金相試樣流程圖2.8實(shí)驗(yàn)的安排專題講座及基礎(chǔ)訓(xùn)練，分配題目（1天）查閱資料，

8、獨(dú)立制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，交實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告經(jīng)老師神月批準(zhǔn)（2天）實(shí)驗(yàn)操作、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果（5天）分析結(jié)果，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告（2天）2.9實(shí)驗(yàn)結(jié)果表6金相經(jīng)不同冷卻速度的硬度硬度冷卻方式淬火前硬度（HRC）淬火后硬度（HRC）水冷16.838.7油冷16.222空冷15.811.5圖4 水冷 ×200 圖5 油冷 ×200 圖6 空冷 ×200 3.討論從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，如圖4，5得到了細(xì)小的馬氏體組織，如圖6，得到了成塊狀的奧氏體組織，可知該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是合理的，經(jīng)查閱資料20號(hào)鋼的相變點(diǎn)溫度（近似值）Ac1=735，Ac3=855，Ar3=835，Ar1=680（如圖7）。圖7

9、 冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它直接影響到鋼淬火后的組織和性能。冷卻時(shí)應(yīng)使冷卻速度大于臨界冷卻速度，以保證獲得馬氏體組織；在這個(gè)前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減少鋼中的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂。為此，可根據(jù)C曲線圖（如圖8所示），使淬火工作在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650550）進(jìn)行快冷（即與C曲線的“鼻尖”相切），而在較低溫度（300100）時(shí)冷卻速度則盡可能小些。圖8 C曲線圖3.1加熱溫度對(duì)組織性能的影響2查閱資料加熱溫度對(duì)碳鋼硬度的影響如表4所示，20號(hào)鋼的未進(jìn)行熱處理前的平衡組織是鐵素體和滲碳體，進(jìn)行熱處理后珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，隨著加熱溫度的升高，原子擴(kuò)散系數(shù)增加，特別是碳在奧氏體中的擴(kuò)

10、散系數(shù)的增加，加快了奧氏體的形核和長(zhǎng)大速度。同時(shí)加熱溫度升高，奧氏體中的碳濃度差增大，濃度梯度加大，故原子擴(kuò)散速度加快。另一方面，加熱溫度升高，奧氏體與珠光體的自由能差增大，相變驅(qū)動(dòng)力Gv增大，所以隨奧氏體形成溫度的升高，奧氏體的形核率和長(zhǎng)大速度急劇增加，因此轉(zhuǎn)變的孕育期和轉(zhuǎn)變所需時(shí)間顯著縮短，加熱溫度越高轉(zhuǎn)變?cè)杏诤屯瓿赊D(zhuǎn)變的時(shí)間越短。奧氏體形成后隨著加熱溫度的升高晶粒急劇長(zhǎng)大。在奧氏體形成過程中，鐵素體先消失，因此奧氏體形成之后，還殘存未溶滲碳體。這些殘余滲碳體將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，繼續(xù)不斷地溶人奧氏體，直至全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。另外提高加熱溫度會(huì)使淬火后樣增加鋼的硬度和淬透深度。3.2加熱時(shí)間對(duì)

11、組織性能的影響如圖1加熱到一定溫度后，進(jìn)行保溫，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大。在每一個(gè)溫度下都有一個(gè)加速長(zhǎng)大期，當(dāng)奧氏體晶粒長(zhǎng)大到一定尺寸后，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒不再明顯長(zhǎng)大。在滲碳體的區(qū)域碳濃度較高，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間或繼續(xù)升溫，通過碳原子的擴(kuò)散，奧氏體碳濃度逐漸趨于均勻化。最后得到均勻的單相奧氏體。如圖6得到的奧氏體組織。延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使奧氏體組織更加均勻化，同時(shí)還能加強(qiáng)合金在奧氏體中的溶解，起到改善奧氏體性能的作用。3.3冷卻方式對(duì)組織性能的影響由圖4、5、6可以觀察到冷卻方式不同對(duì)碳鋼淬火后所形成的組織的影響是非常明顯的，圖4采用的是水冷的冷卻方式，冷卻速度較快，是奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小

12、的馬氏體，試樣的硬度對(duì)比與其他兩種冷卻方式也較高，而油冷的方式較空冷速度較快，所以試樣的硬度比空冷的要大。4. 結(jié)論4.1相同狀態(tài)下鋼的含碳量與硬度成正比，含碳量越高硬度越大，熱處理硬度也與金屬材料中的合金含量有關(guān)，相同的含碳量，不同的合金含量，淬火后得到的硬度是不同的。合金元素形成碳化物以后是比滲碳體更穩(wěn)定的合金滲碳體或特殊碳化物，有些還強(qiáng)烈的阻止奧氏體的粗化過程，得到更加細(xì)化的晶粒，這樣淬火后的硬度、強(qiáng)度都顯著升高，韌性、塑性都有所增加。4.2 熱處理工藝對(duì)碳鋼的淬火硬度有顯著的影響，由圖1、4、5、6，表3、4、5、6等可以很清晰地看到含碳量，熱處理工藝對(duì)鋼的淬火硬度的影響是顯著的。4.

13、3 鐵素體本身強(qiáng)度、硬度低、塑性、韌性高, 但不能因此而認(rèn)為馬氏體基體上分布有鐵素體而削弱了材料的機(jī)械性能, 相反, 只要鐵素體大小、形態(tài)、數(shù)量分布得當(dāng), 且能提高鋼鐵材料綜合機(jī)械性能。5. 實(shí)踐體會(huì) 通過這次實(shí)驗(yàn)我學(xué)到了很多東西，從最開始的實(shí)驗(yàn)預(yù)案的設(shè)計(jì)，到進(jìn)行加熱保溫試驗(yàn)，然后打磨制備金相試樣，我參與了每個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都體會(huì)頗深。先說實(shí)驗(yàn)預(yù)案的設(shè)計(jì)，因?yàn)檎媚翘焱砩衔乙x課考試，所以回到宿舍已經(jīng)接近九點(diǎn)，我開始上網(wǎng)查找資料，因?yàn)槭堑谝淮巫鲱A(yù)案，就和宿舍的人一起討論，拿出了初步的預(yù)案，睡覺時(shí)也就十二點(diǎn)了。第二天又和同一個(gè)組的組員討論各自的預(yù)案，最后綜合了大家的想法，把預(yù)案確定了下來，但拿

14、給老師審核時(shí)，老師指出了我們的幾處錯(cuò)誤，我們又重新修改最終通過了審核，然后就是領(lǐng)取試樣進(jìn)行加熱保溫實(shí)驗(yàn)。這個(gè)過程讓我對(duì)集思廣益這個(gè)詞理解的更深了，也對(duì)組員的想法有了個(gè)比較全面的了解。我們是分兩個(gè)加熱溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，比其他組要多一道程序，就是控制溫度，這個(gè)過程是難熬的，因?yàn)橐劝?，還要注意溫度（后來有個(gè)組就因?yàn)闇囟儒e(cuò)了還要重頭再來做）。最終我們的試樣熱處理實(shí)驗(yàn)成功，下面就是制備金相試樣了。這個(gè)過程我體會(huì)到了小心謹(jǐn)慎是多么重要，因?yàn)槟呐聹囟儒e(cuò)一點(diǎn)點(diǎn)，時(shí)間差一點(diǎn)點(diǎn)，都會(huì)是不成功的。打磨試樣是最痛苦的了，因?yàn)楣庥辛馐菦]用的，特別要注意方法，因?yàn)榉椒ú粚?duì)我磨了一個(gè)下午還是有劃痕，雖然手指都起了水泡，最后只能去找老師的給我指點(diǎn)指點(diǎn)，聽老師講完后，我問老師要了砂紙準(zhǔn)備晚上加班，晚上磨到了十一點(diǎn)半多，第二天等不及早早的跑去了，用拋光機(jī)拋光后，試樣的表面比前一天要光亮多了，沒有一點(diǎn)劃痕。我把自己打磨的心得寫出來希望別再有人像我一樣走彎路了。用來打磨的砂紙的順序要從粗到細(xì)，不能一會(huì)換大的，一會(huì)換小的，每換一號(hào)砂紙要將試樣旋轉(zhuǎn)90°再進(jìn)行打磨。磨的時(shí)候要注意，到順著一個(gè)方向、單程輕輕地磨，不要用已經(jīng)磨過的的砂紙上的部分，要及時(shí)把磨下來的鐵屑清除掉，再在砂紙上打磨（有條