材料成型及控制工程畢業(yè)論文-60si2mn彈簧鋼熱處理工藝及組織性能研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　60Si2Mn彈簧鋼熱處理工藝及組織性能研究</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指

2、導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計題目： 60Si2Mn彈簧鋼熱處理工藝及組織性能研究

3、 </p><p>　　1．課題意義及目標 </p><p>　　學(xué)生應(yīng)通過本次畢業(yè)設(shè)計，運用所學(xué)過的金屬學(xué)及熱處理等專業(yè)知識，了解60Si2Mn鋼的概況；熟悉60Si2Mn鋼的熱處理工藝方法；認識60Si2Mn熱處理前后金相組織；找出熱處理對60Si2Mn鋼組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化

4、熱處理工藝提高零件質(zhì)量提供一定的理論依據(jù)。</p><p><b>　　2．主要任務(wù)</b></p><p>　?。?）制定60Si2Mn鋼熱處理工藝，進行熱處理實驗。</p><p>　?。?）制備金相試樣，觀察分析60Si2Mn鋼熱處理前后的顯微組織。</p><p>　　（3）測定60Si2Mn鋼熱處理前后力學(xué)性能

5、，包括拉伸性能、硬度、沖擊韌性等。</p><p>　?。?）分析熱處理工藝、組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。</p><p>　　(5）撰寫畢業(yè)論文。結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；避免錯別字和錯誤標點</p><p>　　符號；格式符合太原工業(yè)學(xué)院學(xué)位論文格式的統(tǒng)一要求。</p><p><b>　　3．主要參考資料</b&g

6、t;</p><p>　　[1] 楊凌平. 60Si2Mn的應(yīng)用及熱處理 [J]. 模具工程，2005，（6）：1-5.</p><p>　　[2] 程爾澤. 60Si2Mn 彈簧鋼熱處理工藝與性能的關(guān)系[J]. 理化檢驗-物理分冊，</p><p>　　1997 ，33（3）：24-30.

7、 </p><p>　　[3] 金寶安，楊霄，朱國輝，等. 60Si2Mn 彈簧鋼碳化物快速球化工藝研究[J]. </p><p>　　安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，28（1）：16-18.</p><p>　　[ 4] 崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京，機械工業(yè)出版社，2007：230-308.</p>

8、<p><b>　　4．進度安排</b></p><p>　　審核人： 年 月 日</p><p>　　60Si2Mn彈簧鋼熱處理工藝及組織性能研究</p><p>　　摘要:通過對同60Si2Mn彈簧鋼進行不同的熱處理，測定強度、硬度、塑韌性的變化情況，對比真

9、空條件和普通條件下熱處理結(jié)果分析我們可以得到，真空條件下的熱處理可以有效的改善硅錳鋼容易脫碳的缺陷，真空球化熱處理后，材料的硬度比普通熱處理高。不同條件下進行熱處理的結(jié)果表明：對60Si2Mn彈簧鋼進行球化退火+870℃淬火（油淬）+350℃中溫回火的熱處理，60Si2Mn的綜合力學(xué)性能是最好的，在現(xiàn)有條件下是一種理想的熱處理工藝。</p><p>　　關(guān)鍵詞：60Si2Mn彈簧鋼，熱處理，力學(xué)性能</p&

10、gt;<p>　　Heat treatment process and structure property research of 60Si2Mn spring steel </p><p>　　Abstract：60Si2Mn spring steel with different heat treatments and test the change of strength 、 h

11、ardness 、 plasticity and toughness . we can get the result that the heat trement under acuum conditiovn can defects decarburization of silicon manganese steel by comparing to acuum conditiovn and normal condition he

12、at treatment . material’s hardness is higher than the ordinary heat treatment after spheroidizing under vacuum heat treatment. the results of different heat treatments show that the 60Si2</p><p>　　Keywords

13、: 60Si2Mn spring steel , Heat treatment , Mechanical property</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究60Si2Mn彈簧鋼的目的和意義1</p>&

14、lt;p>　　1.2 60Si2Mn彈簧鋼國內(nèi)外研究進展1</p><p>　　1.3 60Si2Mn彈簧鋼熱處理研究的內(nèi)容2</p><p>　　1.3.1 彈簧鋼的定義2</p><p>　　1.3.2 彈簧的服役條件3</p><p>　　1.3.3 常見彈簧鋼的化學(xué)成分特點3</p><

15、p>　　1.3.4 常見彈簧鋼的分類4</p><p>　　2 熱處理過程6</p><p>　　2.1 熱處理6</p><p>　　2.1.1 熱處理的定義6</p><p>　　2.1.2 熱處理的作用6</p><p>　　2.1.3 熱處理的條件7</p><

16、p>　　2.1.4 彈簧鋼的熱處理方法7</p><p>　　2.2 常用熱處理工藝的概念及目的8</p><p>　　2.2.1 退火8</p><p>　　2.2.2 正火8</p><p>　　2.2.3 淬火9</p><p>　　2.2.4 回火9</p><p

17、>　　2.3 熱處理工藝的制定9</p><p>　　2.3.1 熱處理過程12</p><p>　　2.4 熱處理前后顯微組織觀察15</p><p>　　2.4.1 金相試樣的制備15</p><p>　　2.4.2 各熱處理條件下的金相組織17</p><p>　　2.5 熱處理后的力學(xué)

18、性能24</p><p>　　2.5.1 硬度的測定24</p><p>　　2.5.2 沖擊韌性的測定25</p><p>　　2.5.3拉伸實驗26</p><p>　　3 實驗結(jié)果與分析28</p><p>　　3.1熱處理實驗結(jié)果28</p><p>　　3.2 熱處

19、理實驗結(jié)果的分析30</p><p><b>　　4 結(jié)論31</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>&l

20、t;p>　　1.1 研究60Si2Mn彈簧鋼的目的和意義</p><p>　　新中國成立以來，我國在各個方面取得了重大突破，一九七八年拉開的改革序幕，將我國與世界緊密的聯(lián)系在了一起。隨著改革的深入，我國在政治、文化經(jīng)濟等各領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績，尤其是我國的經(jīng)濟，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，人們的生活水平得到顯著地提高，汽車成為了人們生活中必不可少的交通工具，我國是汽車產(chǎn)銷大國，彈簧作為汽車的零部件具有非常重要

21、的作用。彈簧的用途非常廣泛，是工業(yè)生產(chǎn)中 必不可少的機械零件，無論是飛機、火車等龐然大物，還是非常精密的儀表都離不開它，當(dāng)受到外力沖擊時，彈簧發(fā)生形變吸收能量達到緩沖的目的，這就要求做彈簧的材料具有高的彈性極限。實際工作過程中彈簧一般要經(jīng)受反復(fù)的沖擊，是在交變應(yīng)力條件下工作的，這樣的工作條件就決定了彈簧必須具有高的疲勞極限和抗拉強度。</p><p>　　生活當(dāng)中，我們有多種形式的彈簧，最常見的螺旋彈簧，板簧、碟

22、簧以及各種彈性零件，他們形狀各異，為了便于制造，彈簧鋼必須具有良好的塑性。</p><p>　　1.2 60Si2Mn彈簧鋼國內(nèi)外研究進展</p><p>　　在工藝生產(chǎn)上要求彈簧鋼有良好的淬透性、不易脫碳、表面質(zhì)量好等。制造彈簧鋼所用主要材料是60Si2Mn[1] 。60Si2Mn彈簧鋼屬于合金鋼，Si、Mn是主要的合金元素。硅錳加入鋼中能夠顯著強化鐵素體[2]。Si元素在鋼中能顯著

23、的提高鋼的強硬度、疲勞強度和屈服強度，但加入較多的硅會造成脫碳傾向和石墨化，熱處理時必須注意。Mn元素能改善鋼的淬透性和增強耐磨性，除此之外經(jīng)適當(dāng)?shù)募庸ず蜔崽幚砗?，可提高彈性極限，使屈服比近似于1，60Si2Mn彈簧鋼具有很好的綜合力學(xué)性能，故一般直徑稍大的彈簧多用硅錳鋼制造。硅錳元素在自然界中廣泛存在，60Si2Mn鋼價格較為低廉，是一種應(yīng)用比較廣泛的彈簧鋼。</p><p>　　60Si2Mn作為重要的工業(yè)原

24、料有非常廣泛的用途，但是它在熱處理時會出現(xiàn)一些問題，大量的科研工作者通過大量的實驗給出了他們的解決方法。當(dāng)尺寸規(guī)格為Φ25mm時不能按照常規(guī)的方法進行熱處理，否則會造成嚴重的淬火裂紋缺陷[3]。其他尺寸可以按常規(guī)的熱處理方法進行而在實際生產(chǎn)中。為了解決這一問題，耿志江等人給出了分級淬火，形變熱處理等方法[4]。該方法能有效提高60Si2Mn彈簧鋼的強韌性和使用壽命。馬鳴圖等人通過實驗得知，一定形變量的高溫?zé)崽幚韀5]。同樣能使60Si2

25、Mn的綜合力學(xué)性能得到顯著的提高。王月祥等人通過金相檢驗，宏觀及微觀端口分析等方法得出:造成材料力學(xué)性能檢驗不合格的原因之一是材料內(nèi)部的氫擴散不出去[6]，造成偏析缺陷。目前我國研制成功一批無鉻新彈簧鋼，鋼中加入少量的鉬、微量的硼可以提高鋼的淬透性，加入鈮和釩可以細化晶粒從而提高韌性，為了降低脫碳敏感性，需要適當(dāng)?shù)慕档凸璧暮俊?</p><p>　　1.3 60Si2Mn彈簧鋼熱處理研究的內(nèi)容</p&g

26、t;<p>　　常見的金屬材料組成元素不同，力學(xué)性能不同，即使組成元素相同，但各元素不同亦會造成力學(xué)性能的不同。在實際生產(chǎn)當(dāng)中，有的材料在加工的過程當(dāng)中需要提高強度硬度，有的需要降低，有的機械零件要求表具有高的強硬度，內(nèi)部具有良好的塑韌性。大多數(shù)的金屬材料需要經(jīng)過熱處理調(diào)整自身的力學(xué)性能才能滿足實際的要求，對金屬進行合適的熱處理可以充分挖掘材料潛在的能力，在不需要開發(fā)新材料、節(jié)約開銷的情況下保證零件的強度、硬度，韌性，滿足

27、生產(chǎn)要求。熱處理是將金屬材料加熱到合適的溫度，然后保溫一定的時間后，以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s的一種工藝 。根據(jù)材料的特點正確選擇熱處理工藝參數(shù)是保證熱處理工藝順利進行，從而獲得所需力學(xué)性能的前提條件，合適的熱處理可以化腐朽為神奇。</p><p>　　1.3.1 彈簧鋼的定義</p><p>　　彈簧鋼是用于制造各種彈簧或減震元件的材料[7]。彈簧鋼經(jīng)過合適溫度的淬火+合適溫度的中溫回火后具有高

28、彈性極限，疲勞極限強度和接近于1的屈強比，常用來做螺旋彈簧，板簧，碟簧及各種彈性元件如彈簧墊，彈性擋圈等。</p><p>　　1.3.2 彈簧的服役條件</p><p>　　彈簧是非常重要的機械零件，應(yīng)用廣泛，彈簧主要在動載荷條件下工作，當(dāng)遇到周期變化的循環(huán)載荷或者遇到?jīng)_擊、振動時能夠起到緩沖、減震、儲存能量，從而使機械設(shè)備平穩(wěn)的工作，同時保證機械零件不因強烈沖擊而突然斷裂造成嚴重的事

29、故</p><p>　　彈簧除了上述作用外。由于彈簧實現(xiàn)機械動作的反復(fù)運動，比如內(nèi)燃機中使用到的氣閥彈簧，就是利用彈簧的這個功能。燃料燃燒產(chǎn)生的高壓達到氣閥的設(shè)定值，氣閥打開，氣體排出，壓力減低，氣閥借助彈簧的彈力復(fù)位[8]。</p><p>　　從上述工作情況我們不難得出要使彈簧平穩(wěn)高效的工作，彈簧能夠吸收大量變形功而不發(fā)生塑性變形，即彈性比功要大，彈性比功=σe/2E,從公式中我們可以

30、得出：提高彈性極限和降低材料的彈性模量都可以提高彈性比功，但是，提高彈性極限是提高彈性比功最實際、最有效的辦法。工作中板簧和螺旋彈簧分別承受著交變應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，反復(fù)的應(yīng)力作用會使得彈簧發(fā)生疲勞失效，這就要求他必須具有高的疲勞強度。彈簧在沖擊載荷條件下工作，這就決定了他還必須具有一定的沖擊韌性。</p><p>　　1.3.3 常見彈簧鋼的化學(xué)成分特點</p><p>　　彈簧鋼的組分要

31、以滿足各項性能為目的，常見彈簧鋼的成分見表1-1。C元素是保證彈簧鋼獲得高強度的基本元素，在通常情況下，合金鋼的含碳量一般在0.5～0.75％，碳鋼的含碳量為0.60～0.9％，彈簧鋼要求含碳量適中，碳含量太高，硬度大，塑韌性下降，不利于加工成型，同時也因缺口敏感性增大而降低了工作時的安全可靠性，含碳量太低又會造成強度下降。合金元素的加入主要是為了提高鋼的彈性極限，提高鋼的淬透性從而獲得良好工藝性能，在鋼中加入的元素常見的有Mn、Si、

32、Cr、V、Mo、等。其中Si、Mn是強化鐵素體的元素，可以提高鋼的屈服強度，Si、Mn、Cr都能提高鋼的淬透性，淬透橫截面較大額零件，使其具有良好的機械性能，除了提高淬透性，Mo、Wu還能提高彈簧鋼的回火穩(wěn)定性和提高屈服強度。V、Nb還能起到細化晶粒的作用，從而同時提高鋼的強度和韌性，對疲勞極限也有良好的作用。</p><p>　　表1-1 彈簧鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理和用途</p><p

33、>　　在鋼的生產(chǎn)中，會不可避免的混有硫、磷等雜質(zhì)，這些元素的存在會造成彈簧鋼力學(xué)性能的降低，造成安全隱患，因此在鋼材的生產(chǎn)中為了保證彈簧鋼高的疲勞強度、對硫、磷的含量做了嚴格的規(guī)定，一般含硫量不大于0.03～0.045％，含磷量不大于0.035～0.04％。</p><p>　　1.3.4 常見彈簧鋼的分類</p><p>　　常見的的彈簧鋼大致可以分為碳素彈簧鋼、硅錳系列彈簧鋼、

34、錳彈簧鋼和鉻系列彈簧鋼四大類。碳素彈簧鋼的主要牌號是65鋼，其經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂梢缘玫捷^高的強度和合適韌性，其缺陷是淬透性較差，形變之后也難以矯正，只適合于截面積較小的彈簧；錳彈簧鋼的主要牌號是65Mn鋼，鋼中加入0.8～1.2％Mn使得鋼的淬透性提高，降低了彈簧鋼的脫碳傾向，但同時會造成過熱傾向。錳資源豐富，價格便宜，可用來制作截面尺寸為8～15mm左右的小彈簧；硅錳系列彈簧鋼最典型的是60Si2Mn彈簧鋼，Si、Mn元素的加入，使

35、得鐵素體得到強化，硅的加入能提高彈性極限，疲勞極限也得到提高，總的來說其綜合力學(xué)性能優(yōu)于猛彈簧鋼。實驗表明隨著硅含量的提高，彈簧鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性均有所提高，但隨著含硅量的提高會表現(xiàn)出很明顯的脫碳傾向，當(dāng)硅、碳含量都較高時，有石墨化傾向，為了克服這些缺點，可以加入猛，基于這個原因硅錳剛得到了廣泛的應(yīng)用。鉻系彈簧鋼最典型的鋼號是50CrVA，在鋼中加入大約1％的鉻[9]，能同時提高淬透性和回火穩(wěn)定性，加入V可以與C形成VC化合物，阻礙

36、奧氏體晶粒的長大，晶粒得到細化，彈簧鋼的強度和韌性得到提高。50C</p><p>　　2 熱處理的實驗過程</p><p><b>　　2.1 熱處理</b></p><p>　　2.1.1 熱處理的定義</p><p>　　熱處理是將固態(tài)的鋼加熱到設(shè)定的溫度，在該溫度下保溫一段時間后，以合適的速度冷卻到常溫的一

37、種加工工藝[10]。工藝曲線見圖2.1</p><p>　　圖2.1 熱處理工藝示意圖</p><p>　　2.1.2 熱處理的作用</p><p>　　熱處理的目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，改善其綜合性能，通過合適的熱處理，可以充分挖熱處掘材料性能潛力，顯著提高鋼的力學(xué)性能，節(jié)省材料，延長機械零件使用年限；恰當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢韵T、鍛、焊等加工過程造成的各種缺

38、陷，消除偏析，降低內(nèi)應(yīng)力，細化晶粒，使鋼的組織和性能更加均勻；通過熱處理還可以使工件表面具有抗磨性、耐腐蝕等物化性能。熱處理之所以可以化腐朽為神奇是因為經(jīng)過不同溫度的加熱和不同速度的冷卻，鋼的顯微組織發(fā)生了改變，正確制定熱處理工藝才能保證熱處理的效果。在實際生產(chǎn)中制定熱處理工藝時可以參考鐵碳相圖，同時考慮時間和加熱、冷卻速度的影響。</p><p>　　2.1.3 熱處理的條件</p><p

39、>　　研究發(fā)現(xiàn)，只有能發(fā)生固態(tài)相變，即加熱或冷卻時合金元素溶解度發(fā)生顯著變化或能夠發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的合金才能用熱處理的方法進行熱處理[11]，對于某些單相合金和純金屬則只能采用加工硬化的方法強化金屬。</p><p>　　2.1.4 彈簧鋼的熱處理方法</p><p>　　在實際生產(chǎn)中彈簧鋼常用的熱處理方法有兩種，一種是淬火+中溫回火；另一種是采用低溫消除內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中到底選擇哪一

40、種熱處理方式則是取決于彈簧鋼供貨時的狀態(tài)。根據(jù)彈簧鋼的生產(chǎn)工藝我們可以分為冷拉彈簧鋼、冷壓和熱壓彈簧鋼，對于截面積尺寸較大的彈簧鋼大部分采用熱成型的方法制造彈簧，熱成型以后，在經(jīng)過合適溫度的淬火+回火處理。實際應(yīng)用當(dāng)中還有一類截面積較小的彈簧，他們的直徑小于10mm，對于這種彈簧則不用熱成型，只需要鉛浴后再經(jīng)過冷拔塑性變形，通過形變來強化組織，使彈簧鋼力學(xué)性能得到提高，這一類彈簧鋼冷變形時會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故繞制成彈簧后需低溫去應(yīng)力退火。&

41、lt;/p><p>　　熱軋彈簧鋼的熱處理溫度和時間的選則</p><p>　　淬火加熱溫度和時間的選擇</p><p>　　對于Si-Mn彈簧鋼而言，為了克服淬火時的氧化和脫碳，淬火溫度一般選取在Ac3或Accm+30～80[12]，淬火的溫度不宜太高，本實驗選用870℃。保溫時間大概30分鐘左右，保溫時間的選擇以組織均勻化為宜。</p><p&g

42、t;　　回火溫度和時間的選擇</p><p>　　對彈簧鋼而言要具備高的疲勞極限、彈性極限、抗拉強度、好的韌性，綜合考慮各項性能后，選擇淬火后加中溫回火，回火溫度區(qū)間為350-550，回火的時間視零件的尺寸而定，本實驗回火溫度選取350℃、440℃，回火時間選取1h。</p><p>　　2.2 常用熱處理工藝的概念及目的</p><p><b>　　2.

43、2.1 退火</b></p><p>　　退火是將鋼加熱到Ac1以上或者以下的溫度，然后保溫一段時間后隨著加熱爐一起冷卻至室溫的一種熱處理工藝[13]。其目的主要是獲得均勻平衡的組織，細化晶粒。消除加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整硬度，改善切削加工性能。退火工藝根據(jù)加熱溫度分為完全退火、不完全退火、均勻化退火、和球化退火。</p><p>　　完全退火是鋼材加熱到Ac3+20

44、～30℃，保溫一段時間使組織完全奧氏體化為準然后緩慢冷卻的一種熱處理工藝。其目的是為了細化晶粒，均勻組織消除內(nèi)應(yīng)力，改善加工性能，適用于亞共析鋼，低碳鋼和過共析鋼不宜采用，因為低碳鋼本來自身的硬度就偏低，退貨處理后，切削時會出“粘刀”現(xiàn)象，而過共析鋼完全球化退火時，會析出網(wǎng)狀的二次滲碳體，降低強度，塑韌性使得力學(xué)綜合力學(xué)性能大打折扣。</p><p>　　不完全退火是將共析鋼加熱到Ac1～Ac3，過共析鋼加熱到A

45、c1～Acm之間，保溫合適的時間后緩冷的一種熱處理工藝。其目的是降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力，適用于亞共析鋼和過共析鋼。</p><p>　　球化退火是將鋼加熱到一定的溫度保溫一段時間，一般為2-4h為宜，使鋼中的碳化物球化的一種熱處理工藝。其目的是為了獲得球狀珠光體，降低硬度，均勻組織，改善加工性，適用于共析鋼、過共析鋼和合金鋼。</p><p>　　2.2.2 正火 </p>

46、<p>　　正火是將鋼加熱到Ac3以上合適的溫度，保溫一段時間后空冷的熱處理工藝。其</p><p>　　目的是為了獲得珠光體類組織，正火的冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，冷卻后組織中的鐵素體較少，主要是珠光體，珠光體晶粒較小，正火后的鋼的強度和硬度較大。主要應(yīng)用在以下幾個方面，改善鋼的加工性能，消除中碳鋼的熱加工缺陷，過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，為球化退火做準備，提高普通鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。</p>

47、<p><b>　　2.2.3 淬火</b></p><p>　　淬火是將亞共析鋼加熱到臨界點Ac3+30～50或過共析鋼加熱到Ac1+30～50以上一定溫度，淬火溫度的選擇以獲得細小均勻的A晶粒為原則[14]。這樣淬火后可以得到均勻小的馬氏體，保溫一段時間后大于臨界淬火冷卻速度冷卻得到馬氏體或者下貝氏體的熱處理工藝。其目的是將奧氏體化的工件獲得盡可能多的馬氏體，然后配合適當(dāng)溫

48、度的回火獲得所需的力學(xué)性能。</p><p>　　2.2.4 回火 </p><p>　　回火是將鋼加熱到A1線以下某一溫度保溫，待其馬氏體組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織后，冷卻到室溫。根據(jù)回火溫度的不同可以分為低溫回火、中溫回火和高溫回火，對應(yīng)的回火組織是回火馬氏體、回火托氏體和回火索氏體。其目的是消除淬火時形成的內(nèi)應(yīng)力，提高鋼的塑韌性，獲得所需的強硬度、塑韌性，滿足不同工件的性能。低溫

49、回火既保證了鋼的強度硬度和較好耐磨性，同時也提高了韌性[15]。基于他的回火性能，刀具、滲碳件、量具等等采用低溫回火；中溫回火后零件的淬火內(nèi)應(yīng)力基本消失，因此中溫回火后的鋼具有高的強硬度、彈性極限和好的韌性，主要用來熱處理彈簧鋼和熱鍛模具；淬火+高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，主要適用于中碳和低合金結(jié)構(gòu)鋼件的熱處理，這些零件在工作時承受沖擊載荷和交變負荷作用，例如曲軸、連桿螺栓等。</p>&l

50、t;p>　　2.3 熱處理工藝的制定</p><p>　　我們有手中有6組實驗試樣，拉伸標準試樣如圖2.2所示，沖擊的標準試樣見圖2.3，金相制備的試樣見圖2.4。</p><p>　　圖2.2 標準拉伸試樣 （L=5d 0）</p><p>　　圖2.3 標準沖擊試樣</p><p><b>　　圖2.4 金相試樣&

51、lt;/b></p><p>　　本次熱處理工藝及溫度的選擇見表2-1，</p><p><b>　　表2-1</b></p><p>　　2.3.1 熱處理過程</p><p>　　第一組作為對照組，不做任何處理。對照組作為其他工藝對比強度、硬度、顯微組織、塑韌性變化的依據(jù)。第二組的球化退火處理（760℃），在

52、普通的加熱爐中進行，如圖2.5根據(jù)相關(guān)知識，需將第二組試樣加熱到Ac1以上20 - 30℃，結(jié)合Fe-C相圖曲線，球化退火的加熱溫度取760℃。然后保溫1h后，為了節(jié)約時間，隨加熱爐冷卻至550℃后，出爐空冷。第三組試樣經(jīng)普通加熱爐760℃球化退火后，將試樣放到加熱爐里加熱到870℃，保溫20min后，取出后快速放到油中攪拌冷卻至室溫后，將加熱爐的溫度設(shè)定為350℃，試樣用抹布擦干凈然后放到加熱爐里加熱進行中溫回火，待試樣的溫度達到35

53、0℃時，保溫一個小時后斷電，然后隨爐子冷卻。第四組式樣的球化退火和淬火過程與第三組試樣一致，區(qū)別是加熱爐的溫度設(shè)定為440℃，淬火結(jié)束后，將實樣放到加熱爐里加熱到預(yù)定的溫度，然后保溫一個小時左右，關(guān)閉電源讓試樣隨爐冷卻。</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　?。╞）</b></p><p>

54、;　　圖2.5 （a）普通加熱爐外形 （b）加熱爐型腔</p><p>　　第五組試樣與前邊的幾組熱處理不一樣之處在于，由于硅錳系列鋼在普通的熱處理條件下容易氧化脫碳，熱處理是在真空爐中進行的，真空爐見圖2.6。將溫度控制程序設(shè)定為760℃，加熱到預(yù)設(shè)的溫度后保溫一個小時后關(guān)閉電源，試樣隨加熱爐冷卻。真空燒結(jié)爐溫度高于350℃時不能打開爐門，否則會損壞爐腔。</p><p>　　第六組試樣

55、和第五組試樣做相同溫度的真空球化處理，然后將球化后的試樣在普通的加熱爐中加熱到870℃，保溫20min后，取出試樣后迅速放到油中淬火，在淬火的過程中要不停的攪拌，加速冷卻，冷卻后將試樣上的油漬擦干凈后放到加熱爐進行回火處理，將加熱爐的溫度設(shè)定為440℃開始加熱，到達預(yù)設(shè)溫度后保溫一個小時，關(guān)閉電源然后讓試樣隨加熱爐冷卻至室溫，取出試樣，將各組的試樣編號，以防止試樣與對應(yīng)的熱處理工藝不能正確對應(yīng)。熱處理實驗結(jié)束。</p>&

56、lt;p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　（b）</b></p><p>　　圖2.6 （a）宇憲燒結(jié)爐外形 （b）燒結(jié)爐型腔</p><p>　　2.4 熱處理前后顯微組織觀察</p><p>　　2.4.1 金相試樣的制備</p><p&

57、gt;　　金相試樣的制備是研究金相必不可少的一部分，制備過程包括試樣的截取、試樣的鑲嵌、試樣的打磨和拋光、金相顯微組織的顯示即腐蝕。</p><p>　　本次試驗用的的試樣都是截成圓柱狀的成品，所以不用截取和鑲嵌試樣，我們要做到就是對試樣進行打磨、拋光和金相顯微組織的觀察。對于熱處理表面形成氧化皮的試樣在粗磨前先通過敲打等方式將氧化皮去掉，這樣可以提高粗磨時的效率。常用的砂紙有01、02、03、04號，號數(shù)越小表

58、示砂紙磨粒越粗，號數(shù)越大表示砂紙越細。磨制時將砂紙平鋪在桌子上，左手按住砂紙，右手捏住試樣，磨面朝下并與砂紙接觸，給試樣稍微施加力，使其在輕微壓力作用下向前移動，在這個過程中，要做到平穩(wěn)，給力要均勻，力切不可過大，否則會使磨痕過深，且造成試樣磨面的變形，給后續(xù)的處理帶來不必要的麻煩，試樣在回程時要與砂紙分離，即在磨光時是單程往復(fù)進行，直到磨去舊的劃痕，新的磨痕均勻一致為止，然后細磨，細磨是為了細化粗磨時的的劃痕，為試樣的拋光做前期的準備

59、。粗磨完成后試樣用清水沖洗干凈，洗去粗磨時形成的顆粒，選用更細的砂紙，試樣旋轉(zhuǎn)90°，使新、舊磨痕垂直，重復(fù)上述的步驟直到劃痕特別細小為止,然后接著進行拋光處理。</p><p>　　拋光是為了去除細磨時留下的微小劃痕，的到表面光潔的鏡面，常用的拋光方式為機械拋光，其操作較為簡單，在拋光機上進行，此外還有電解拋光和化學(xué)拋光。</p><p><b>　　拋光前的準備工作

60、</b></p><p>　　檢查拋光機是否能夠正常運行。</p><p>　　清洗拋光布，由于上次拋光時在拋光布上留下磨粒，硬度可能大于試樣會劃傷表面、故再次使用時必須清洗干凈。</p><p>　　拋光粉的選擇，氧化鉻（Cr2O3），綠色，具有較高的硬度，適用于淬火后的合金鋼、高速鋼以及鈦合金拋光。</p><p><b

61、>　　拋光過程</b></p><p>　　拋光時輕輕地將試樣壓在拋光盤上，將試樣由中心慢慢的移動到邊緣，在拋光的過程中要分多次少量地向拋光盤中加入拋光粉乳化液讓拋光盤保持適當(dāng)?shù)臐穸?，濕度太大，摩擦力太小，濕度太小，拋光的過程中會產(chǎn)生大量的熱，在拋光的過程中壓力不宜太大。</p><p><b>　　金相顯微組織的顯示</b></p>

62、<p>　　拋光后的在顯微鏡下僅能看到一些石墨、非金屬夾雜物等，試樣的金相組織只用通過腐蝕后才能顯示出來，顯示金相組織的方法有很多種，本次實驗采用化學(xué)浸蝕法。</p><p>　　根據(jù)表2-1 腐蝕劑應(yīng)該選苦味酸鹽酸酒精溶液，但是實驗室只有硝酸酒精溶液，</p><p>　　所以根據(jù)實際情況選擇硝酸酒精溶液，在實際使用的過程中要通過延長腐蝕的時間來顯現(xiàn)金相組織。</p>

63、;<p>　　表2-1 常用的化學(xué)浸蝕劑</p><p>　　腐蝕時需在專門的實驗平臺上進行，試樣浸蝕前應(yīng)該清洗干凈，磨面不允許有任何臟污，以免影響腐蝕效果，腐蝕時間的選擇應(yīng)該以磨面失去光澤變?yōu)殂y灰色或灰褐色為宜，這個主要根據(jù)經(jīng)驗確定，腐蝕到位后，應(yīng)該立即用清水沖洗試樣將表面的腐蝕劑洗掉，然后用酒精擦洗試樣表面，風(fēng)干后即可放到顯微鏡，見圖2-7下觀察金相組織。</p><p&

64、gt;<b>　　圖3-6 顯微鏡</b></p><p>　　圖2.7 DSY-809顯微鏡</p><p>　　2.4.2 各熱處理條件下的金相組織</p><p>　　試樣用水沖洗干凈吹干，然后放在顯微鏡下觀察其組織，各熱處理條件下的顯微組織見圖2.8-2.13。</p><p>　　圖2.8 不經(jīng)過熱處理的

65、對照組顯微鏡下的組織（X500）</p><p>　　圖2.9普通加熱爐中760℃球化退火處理的組織（X500）。</p><p>　　圖 2.10 760℃普通球化退火+870℃淬火+350℃回火的組織(X500)</p><p>　　圖2.11 760℃普通球化退火+870℃淬火+ 440℃中溫回火的組織(X 500)</p><p>

66、;<b>　　圖2-17</b></p><p>　　圖2.12 760℃真空球化熱處理的組織(X 500)</p><p>　　圖2.13 760℃真空球化+870℃淬火+440℃中溫回火的組織(X 500)</p><p>　　2.5 熱處理后的力學(xué)性能</p><p>　　材料的力學(xué)性能指的是材料在施加了外力

67、之后表現(xiàn)出來的性能[16]。外力既包括靜載荷又包括動載荷，力學(xué)性能的測定主要包括材料的強度、硬度、塑性、沖擊韌性。硬度主要通過布氏硬度計來測定。屈服強度和塑性則可以通過拉伸試驗來測定。拉伸實驗?zāi)軌蚯逦姆从巢牧显谑艿酵饬r發(fā)生的彈性變形、塑性變形和斷裂這三個形變階段表現(xiàn)出來的基本特征[17]，拉伸試驗所測的力學(xué)性能可靠穩(wěn)定，計算方便。沖擊韌性則通過擺錘沖擊試驗來測定。</p><p>　　2.5.1 硬度的測定

68、</p><p>　　圖2.14布氏硬度計</p><p>　　仔細閱讀說明書，了解儀器的使用方法后，用標準試樣檢測硬度計是否準確。經(jīng)過檢查誤差在允許范圍內(nèi)，可以正常使用去。然后對實驗試樣的力學(xué)性能進行測定，去除熱處理形成的氧化皮后，將試樣放在測試平臺上，轉(zhuǎn)動旋鈕選擇實驗力，根據(jù)材料的種類我們此次實驗選有1471N的實驗力。然后轉(zhuǎn)動升降臺使試樣與壓頭剛好接觸時停止，轉(zhuǎn)動儀表盤使得指針對準零

69、刻度線后開始轉(zhuǎn)動控制升降臺的轉(zhuǎn)盤使儀表盤的大指針轉(zhuǎn)過三圈（左右誤差不能超過五小格），此時儀表盤的紅色小指針剛好從一邊轉(zhuǎn)到另一邊，然后給試樣加載1471N的實驗力，大約五秒后卸載實驗力，然后讀取硬度值，然后重復(fù)上述的過程，測得各個試樣的硬度值。</p><p>　　2.5.2 沖擊韌性的測定</p><p>　　1-擺錘 2-機架 3-試樣 4-刻度盤 5-指針</p&g

70、t;<p>　　2.15圖 沖擊擺錘示意圖</p><p>　　材料在在沖擊載荷的作用下，產(chǎn)生塑性變形和斷裂過程中吸收的能量的能力稱為沖擊韌性[17]。測定材料的沖擊韌性時需要將材料制成標準試樣，然后放到擺錘上，實驗測定的原理是將帶缺口的試樣放在試驗機的支座上，見圖2-21將擺錘升起，然后讓其自由下落沖斷試樣，沖擊擺錘的重心有高度H1下降到H2，勢能的變化為mg（H1-H2）,勢能的變化等于沖斷試樣

71、所需要消耗的功W,也就是沖擊試樣吸收的功為：</p><p>　　AK=W=G(H1-H2)，本次實驗采用U型缺口，標準試樣如圖2-22所示</p><p>　　圖2.16 U型標準試樣示意圖</p><p>　　2.5.3拉伸實驗 </p><p>　　拉伸實驗是是給試樣施加一個軸線方向上的拉力，利用拉伸試驗可以測定材料的彈性極限、伸長

72、率、截面收縮率、屈服點和屈服強度。</p><p><b>　　實驗的步驟：</b></p><p>　　1、準備試樣，在原始標距內(nèi)刻線，用游標卡尺在試樣的實驗部分的三個部位測量三個直徑值，取平均值作為試樣的直徑。</p><p>　　2、裝夾拉伸試件，先將試件裝夾在上夾頭內(nèi)，然后調(diào)節(jié)移動臺的上升速度，連續(xù)按四下按鈕將上升的速度調(diào)為最大，待到試

73、樣快要進入下夾頭內(nèi)時，點停止按鈕，將速度調(diào)為慢速，然后將升降臺緩慢移動到合適的位置后，按stop按鈕停止，然后鎖緊下夾頭，點拉伸開始按鈕，拉伸開始直到拉斷為止，拉斷后記下拉伸率，然后將拉伸曲線和數(shù)據(jù)導(dǎo)出來即可，實驗設(shè)備如2.17所示。剩下的試樣重復(fù)上述的步驟。</p><p>　　圖2.17 拉伸試驗機</p><p>　　3 實驗結(jié)果與分析</p><p>　　

74、3.1熱處理實驗結(jié)果</p><p>　　熱處理后測得的實驗數(shù)據(jù)見表3-1：</p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　　四、六組實驗的拉伸曲線分別見圖3.1、 3.2、 3.3</p><p><b>　　力/KN</b></p><p>　　圖 3.

75、1 位移/mm</p><p><b>　　力/KN </b></p><p><b>　　位移/mm</b></p><p><b>　　圖3.2</b></p><p><b>　　力/KN</b></p&

76、gt;<p><b>　　位移/mm</b></p><p><b>　　圖3.3</b></p><p>　　3.2 熱處理實驗結(jié)果的分析</p><p>　　通過對表格中的數(shù)據(jù)分析，60SiMn彈簧鋼在各種熱處理條件下，其屈強比接近于1。第二組和第五組與第一組對比我們可以發(fā)現(xiàn)不管是普通的球化退火還是在真

77、空條件下球化，退火熱處理后試樣的硬度、抗拉強度都變小了，沖擊吸收功和伸長率變大了。通過對比他們的金相組織，我們不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過球化退火處理的試樣得到的是球狀P組織。其中的碳化物呈球狀顆粒均勻的分布在鐵素體基體上[18]。這種形狀的珠光體與片狀的珠光體相比硬度較低、抗拉強度較小、塑韌性更好，故第二、五組的沖擊吸收功大于對照組。對于第二、五組來說，他們的惟一區(qū)別在于第五組是在真空條件下進行的，這樣的條件可以有效的抑制Si含量過高導(dǎo)致的脫碳氧化

78、，而鋼中碳含量會影響試樣的強度，硬度和塑韌性等，由于真空條件抑制了脫碳氧化，故通過他們的金相組織可以看出，真空球化處理的球狀碳化物多余普通球化處理。這就是為什么第五組的硬度和屈服強度高于第二組而沖擊吸收功低的原因。</p><p>　　第三、四組和第一組對比發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過淬火+回火后彈簧鋼的硬度、屈服強度、和伸長率都增大而沖擊吸收降低，通過對比他們的金相組織，我們不難回火的組織為針狀鐵素體和細粒狀滲碳體的混合物，而

79、對照組為片狀珠光體，回火后的細狀晶粒比片狀的綜合力學(xué)性能更好，三四組對比發(fā)現(xiàn)在350℃下進行中溫回火后力學(xué)性能更佳。這是因為四組的晶粒更細，晶界多，綜合力學(xué)性能就好。四六組對比發(fā)現(xiàn)，他們的硬度幾乎沒什么變化，但是屈服強度還是有不小的的差別，這是因為前期真空球化處理在一定的程度上抑制了彈簧鋼的脫碳傾向。</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　

80、　1、通過對比各三、四、六組實驗得出60SiMn的熱處理工藝選擇760℃球化退火+870℃淬火+350℃中溫回火為最宜。</p><p>　　2、第四組和第六組對比發(fā)現(xiàn)，普通條件和真空條件下的球化退火然后經(jīng)過加相同溫度的淬火和回火，兩組試樣的硬度沒有太大的變化。</p><p>　　3、通過對比五組拉伸曲線，我們可以得到60Si2Mn彈簧鋼沒有明顯的屈服現(xiàn)象，屈服比接近于1。</p&

81、gt;<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 蔡亞祥，劉榮貴. 實用金屬材料產(chǎn)品手冊 [M]. 北京：中國物資出版社，2004.</p><p>　　[2] 李慧芳，蕭振榮 合金鋼及熱處理工藝學(xué) [M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1986</p><p>　　[3] 夏立方. 金屬熱處理工藝學(xué) [M]

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87、 謝</b></p><p>　　本次課題是在婁菊紅老師的指導(dǎo)下完成的，歷時將近一個學(xué)期，大學(xué)四年如白駒過隙，四年之中上了不少的基礎(chǔ)課程，中間也有幾個課程設(shè)計，熱處理作為材料成型專業(yè)必不可少的一門課程，有著非常重要的地位，大二雖然也做過幾個相關(guān)的實驗，但都是走馬觀花，這次畢業(yè)設(shè)計有幸在婁老師的指導(dǎo)下親自認真實踐，老師淵博的專業(yè)知識、嚴謹?shù)慕虒W(xué)態(tài)度給我留下了深刻的印象，在老師的耐心指導(dǎo)幫助下，問題都得