40Cr钢的热处理及微观分析 - 图文

毕业设计（论文）

——40Cr钢的热处理及微观分析

专 业: 模具设计与制造

班 级: 06121

姓 名： 唐 丹

学 号： 10

指导教师： 郑群

成都电子机械高等专科学校

二零零九 年 五 月

摘 要

随着中国经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，因而模具材料选择及其热处理工艺的选择已在模具制造业中引起广泛的重视。模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。它对模具的制造精度，模具的强度， 模具的制造成本，模具的工作寿命有着直接的影响。本文在分析模具材料和40Cr钢热处理及金相实验基础上，根据模具的选材条件、试样的材料性质，以及40Cr的热处理工艺和金相组织综合分析，根据实际制订出合理的热处理工艺，并根据实验得出数据进行分析。这样,能使模具达到良好的使用性能和寿命要求的。同时，满足经济性要求，降低成本。

关键词：模具材料；热处理；热处理工艺；金相组织；

Abstract

With China's rapid economic development of the mold industry has ever-increasing demands, which mold material selection and heat treatment process of choice has been in the mold manufacturing industry has aroused widespread attention. Die die heat treatment is to ensure that the important properties of the process. Its manufacture of precision molds, mold strength, the manufacturing cost of mold, mold of his working life has a direct impact. Based on the analysis of mold materials and heat treatment and metallographic 40Cr steel on an experimental basis, in accordance with the conditions of mold material, the nature of the sample material, as well as the 40Cr microstructure heat treatment technology and comprehensive analysis, based on the actual formulation of a reasonable heat treatment process, and According to an analysis of experimental data. In this way, make good use of mold performance and life requirements. At the same time, meet the requirements of the economy and reduce costs.

Key words: mold material; heat treatment; heat treatment process; microstructure;

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目 录

前 言 ??????????????????????????3 第一章 绪论 ??????????????????????4

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

模具制造概况 ??????????????????4 我国模具的发展与现状 ??????????????4 模具选材 ????????????????????5 合金元素对钢性能的影响 ?????????????7 实验目的及意义 ?????????????????9 研究方案技术路线 ?????????????????10

第二章 40Cr钢的热处理研究分析 ????????????11 2.1 钢的热处理概况 ?????????????????11 2.2 40Cr钢的热处理 ?????????????????12 2.2.1 40Cr钢特性 ?????????????????13 2.2.2 40Cr钢的物理性能 ??????????????14 2.2.3 40Cr钢的化学成分 ?????????????14

2.2.4 40Cr钢的调质处理 ?????????????15 2.2.5 40Gr热处理实验过程 ?????????????15

2.3 热处理实验小结 ??????????????????24

第三章 40Cr钢的微观组织及分析 ??????????????28 3.1 金相试样的制备 ??????????????????28

3.2 组织观察分析 ????????????????????29 第四章 实验总结 ?????????????????????31

4.1 热处理实验总结 ???????????????????31 4.2 合金元素对钢的影响分析 ???????????????34 谢 词 ??????????????????????????37 参考文献 ??????????????????????????38

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前 言

在国家推动经济体制改革、市场经济和国际接轨的形势下，我国模具制造企业和热处理企业像雨后春笋般的涌现。而模具制造、热处理技术和使用水平的高低是衡量一个国家工业水平的标志，它在基础工业中占有重要地位。

在模具制造中，能否合理的选用模具材料是模具制造的关键问题。模具材料是模具制造业的物质基础，而材料的热处理则是模具制造的技术基础之一，正确和先进的热处理技术，可以充分发挥模具材料的潜力，可以延长模具的使用寿命，保证模具和机械设备的高精度。随着科学技术的飞速发展，热处理技术也有了飞速的发展，如真空热处理，离子热处理，激光热处理，电子束热处理，气相沉积强化，强韧化热处理，各种复合热处理等，大大提高了模具的质量和模具的使用寿命。

为了更好的理解和掌握模具材料的热处理，进一步熟悉常用热处理方法及其工艺，本书严格按照40Cr钢的热处理实验及金相实验真实数据编写，参照《工程材料实验指导书》，《模具材料及热处理手册》等书，重点针对钢的热处理（正火、淬火、回火）实验和钢的磨片实验，微观组织观察照相研究分析得出实验结论。

本书重点介绍模具制造概况、模具制造的现状、我国模具制造技术的发展，模具制造展望、模具选材、合金元素对钢性能的影响、钢的热处理工艺、40Cr钢的性能、40Cr钢的热处理工艺及分析、40Cr钢的金相试样制备及微观观察分析研究。

限于编者水平和掌握的技术资料，本书中难免有不足和错漏之处，敬请各位老师读者批评指正。

编 者 2009年5月

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第一章 绪 论

1.1 模具制造概况

在现代机械制造业中，模具工业已成为国民经济中一个非常重要的行业，它已成为衡量一个国家产品制造水平高低的一个重要标志。模具技术水平的高低，是衡量制造业水平高低的重要标志。在日本，模具被称为“进入富裕社会的原动力”；在德国，模具则被称为“金属加工业中的帝王”。模具所形成的最终商品的产值是模具自身产值的上百倍。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。因而，模具又被称为“效益放大器”。有人还把模具比作“印钞机”。随着我国加入WTO，我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。

1.2我国模具的发展与现状

1.2.1 我国模具的发展

我国考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就就在世界领先。1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间，该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具。我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。在走过了温长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元（未包括港、澳、台的统计数字，下同。）各类冲压模具的生产能力。

1.2.2我国模具制造业现状概况

中国经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。近10年来，中国模具工业的一直以每年15%左右的增长速度快速发展。 目前，中国约有模具生产厂点2万余家，从业人员有50多万人，全年模具产值达534亿元人民币。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具和模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度；

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塑料模和压铸模比例增大；面向市场的专业模具厂家数量及能力增加较快。随着经济体制改革的不断深入，“三资”及民营企业的发展很快。

中国模具工业的发展在地域分布上存在不平衡性，东南沿海地区发展快于中西部地区，南方的发展快于北方。模具生产最集中的地区在珠江三角和长江三角地区，其模具产值约占全国产值的三分之二以上。

1.3 模具选材

1.3.1满足工作条件要求

1．耐磨性 ：坯料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。 硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。

2．强韧性 ：模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。 模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。 3．疲劳断裂性能 ：模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。

4．高温性能 ：当模具的工作温度较高进，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。

5．耐冷热疲劳性能 ：有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，帮这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。

6．耐蚀性 ：有些模具如塑料模在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后分解析出HCI、HF等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。

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1.3.2满足工艺性能要求

模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。 1．可锻性 ：具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。

2．退火工艺性 ：球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。

3．切削加工性 ：切削用量大，刀具损耗低，加工表面粗糙度低。 4．氧化、脱碳敏感性 ：高温加热时抗氧化怀能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。

5．淬硬性 ：淬火后具有均匀而高的表面硬度。

6．淬透性 ：淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。 7．淬火变形开裂倾向 ：常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。 8．可磨削性 ：砂轮相对损耗小，无烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。

1.3.3满足经济性要求

在给模具选材是，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。 另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。

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1.4、合金元素对钢性能的影响

在现代工业生产中，含合金元素的钢已被广泛的采用，这是因为他们不但有较好的物理、化学性质，更重要的是它的机械性能也大为改善，特别是强度、韧度等有显著的增加。而且它具有优越的热处理性能；同时，热处理能十分显著的改善和加强他的机械性能。因此，我们必须详细的了解各个合金元素对钢在热处理时的影响。

现将本实验试样40Cr（化学成分见下表1-1）各个元素对钢在热处理时的影响分述如下：

40Cr钢的化学成分（GB/T3077-1999）ω/%

C 0.37～0.45 Si 0.17～0.37 Mn 0.50～0.80 Cr S 0.80～1.10 ≤0.030 P ≤0.030 Ni ≤0.25 Cu ≤0.030 表1-1 40Cr钢的化学成分

（一） 碳（C）的影响

从铁碳平衡图中，我们能清楚的看到，钢随着含碳量的增加，钢的基本组织不同，而且在加热与冷却时，组织转变的温度也不相同。纯铁在加热与冷却过程中，仅发生晶格的变化（同素异形转变）。所以热处理时其机械性能几乎不发生影响。但是随着含碳量的增加，热处理将发生显著地作用。如亚共析钢随着含金量的增高，淬火后强度、硬度都有显著提高；同时含碳量的多少也确定了钢的热处理工艺。例如亚共析钢随着含碳量的增加，它的A3逐渐降低，因而退火、正火、淬火的加热温度都随之降低。而过共析钢的正火温度随着含碳量的增高而增高，但淬火温度都是在Ac1以上30-50摄氏度。而且随着钢中含碳量的增加，淬透性也有所提高，工件淬火后引起的变形也就越大，增加淬火时的困难；同时含碳量增加，使马氏体点下降残余奥氏体的数量增加。如低碳钢淬火后几乎不含残余奥氏体，而高碳钢则含大量残余奥氏体。 （二） 铬（Cr）的影响

铬为碳化物形成元素。它能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性；阻止晶粒长大，增加钢的淬透性，降低钢的临界冷却速度。因而，使钢在热处理时，退火、正火、淬火的加热温度与所提高。并使它在油中便能淬硬。

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但他降低了钢的马氏体点，因而增加了钢残余奥氏体量。使钢的奥氏体不稳定区域变为700-500℃和400-250℃。提高了钢的硬度和强度，增加了钢在高温回火时强度降低的抗力。 （三）镍（Ni）的影响

Ni能强化铁素体，降低钢的Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度有所降低。增加了奥氏体的稳定性，降低了钢的临界冷却速度，对钢的淬透性略有增加；但它降低了钢的马氏体点，增加了钢的残余奥氏体量。对钢的强度和硬度有所提高，但阻止晶粒长大的作用不明显。 （四）硅（Si）的影响

Si能升高Ac1和Ac3点，从而使热处理时的退火、正火、淬火的加热温度增高。能增加奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性很多，故能使Si合金钢在油中淬硬。对钢的马氏体区域有什么影响，增加残余奥氏体数量不多。对钢的强度、硬度增加不多，但却增加了钢的回火脆性和过热与脱碳的敏感性。

（五）锰（Mn）的影响

Mn为碳化物形成元素。他降低钢的Ac1和Ac3而使钢在热处理时的温度有所降低。增加奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，同时增加钢的淬透性，但它使残余奥氏体量增加。可以减少钢在淬火时的变形和增加钢的强度和硬度。使钢的回火脆性与晶粒长大的作用增大。 （六）硫（S）的影响

硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 (七) 铜(Cu)和硼(B)的影响

（1） 铜在合金钢中，使钢的Ac3下降，即使热处理的加热度降低；铜还能增加钢的淬透性和增加钢的强度。

硼为钢中的微量元素，一般仅在0.001-0.005%之间，它能增加钢的淬透性，提高钢的热处理温度，而且能提高钢的强度与硬度。

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1.5 实验目的及意义

1.5.1、实验目的

1、熟悉钢的常用热处理方法及工艺要点；

2、掌握使用热处理的各种器材仪器；

3、在淬火温度及变量相同的情况下回火温度对硬度的影响； 4、认识合金元素对钢的热处理的影响；

5、了解金相试样的制备过程及方法，学会正确使用显微镜观察试样的显微

组织；

6、通过金相试样制备、显微观察得出微观组织；对组织进行分析研究。 1.5.2、实验意义

1.5.2.1、热处理实验的意义

热处理是将材料在固态下采用适当的方式进行加热,保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺方法。

1、通过适当的热处理能显著提高钢的力学性能，以满足零件的使用要求和

延长零件的使用寿命；

2、通过热处理能改善钢的加工工艺性能(如切削加工性能、冲压性能等)，

以提高生产率和加工质量；

3、通过热处理还能消除钢在加工（如铸造、焊接、切削、冷变形等）过程

中产生的残余应力，以稳定零件的形状和尺寸。

此外，有时还采用表面强化技术，以进一步提高钢的表面硬度和耐磨寿命。 1.5.2.2、磨片实验的意义

我们研究金属材料的力学性能就是在研究其内部组织，金属材料的微观组织决定了材料的各种性能，改变金属材料的化学成分或通过各种热处理工艺方法，能改变金属材料的组织结构，从而可以达到改变其性能的目的。

因此，了解金属材料的组织结构及其变化规律对于掌握金属材料及其性能有着必要的意义。

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1.6 研究方案技术路线

通过对实验材料（40Cr钢）进行分析研究，得出实验方案（如图1-2）

试样: 40Cr钢 加 热 800℃淬火 840℃淬火 880℃淬火 回 火 180℃低温回火试样1个 420℃中温回火试样2个 580℃高温回火试样1个 取样、磨片实验 参与回火试样对比分析 得出组织结构，进行微观组织分析 图 1-2 研究技术图

结论研究分析 本研究报告严格按照此技术图进行实验，并对实验结果进行分析总结。

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第二章 40Cr钢的热处理研究分析

2.1. 钢的热处理概况

热处理是将材料在固态下采用适当的方式进行加热,保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺.

2.1.1 退火与正火

钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺，例如各类铸、锻、焊生产的毛坯或半成品的预备热处理，目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷，改善组织和工艺性能，为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备。对于某些性能要求不高的机械零件，经退火或正火后可直接使用。此时，退火或正火也就成为最终热处理。

退火：把钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一段时间，随后在炉中或埋入炉中或导热性较差的介质中，使其缓慢冷却以获得接近平衡状态的稳定的组织。目的：（1）降低钢的硬度，改善切削加工性；（2）提高钢的塑韧性，便于成形加工；（3）细化晶粒（4）消除工件内的残余应力。

正火：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，适当保温后，从炉中取出在静止的空气中冷却至室温。目的：（1）细化晶粒，消除缺陷（2）调整钢的硬度（3 消除内应力既可做为中间热处理，也可用作最终热处理。

2.1.2 淬火与回火

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。

目的：主要是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。

两个概念：淬透性，淬硬性淬火后强度和硬度有了较大提高，但塑性和韧性却显著降低，此外，淬火工件内部有较大内应力，如不及时处理， 会进一步变形至开裂，为此，淬火后要及时回火。

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回火：将淬火后的钢加热到Ac1线以下的某一温度，在该温度下保温一定时间（1-2小时），然后取出在空气或油等介质中冷却。 回火通常作钢件热处理的最后一道工序，因此，把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。目的： （1）降低脆性，减少内应力，防止变形开裂 （2）调整钢件的机械性能（3）稳定组织，保证工件尺寸、形状稳定。回火一般分为低温、中温、高温回火。

低温回火：加热到150-250℃，保温1-3小时后空冷，得到回火马氏体。（保证高硬度，如刃具、量具）

中温回火：加热到350-450℃，保温后空冷，得到回火屈氏体。（高弹性极限，有一定韧度和硬度，如弹簧）

高温回火：加热到500-650℃，保温后空冷，得到回火索氏体。（有一定强度和硬度，又有良好的塑性和韧性，如曲轴，齿轮） 淬火+高温回火=调质处理

2.2 40Cr钢的热处理实验

实验试样: 40Cr

图2-1 40Cr

直径30mm、高为15mm的圆柱坯料 5个

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2.2.1. 40Cr钢特性

40Cr钢是最常用的合金调质钢，抗拉强度，屈服强度及淬透性均比40钢高，临界淬透直径；油中约为15-40 mm, 水中约为 28-60 mm。断面尺寸在＜50mm时， 油淬无自由铁素体析出，故有较高的疲劳强度，当含碳量下降时，经淬火和回火后，除能获得较高的强度外，还有良好的韧性，水淬时，形状复杂的零件容易形成开裂，在450-680℃回火时，有第二类 回火脆性倾向，但可随着截面尺寸的减少而减弱，白点敏感性较大，所以锻后宜缓冷，冷变塑性中等，冷顶锻前最予以球化处理，正火或调质后，可削性很好，退火后可削性也较好；钢的焊接性较差，有开裂倾向，所以焊前需预热到100-150℃；一般经调质处理使用。用途：适用于制造中等载荷和中等速度工作的零件，如汽车的转向节，后半轴及机床正的齿轮，轴，蜗杆，花键轴等，经淬火及中温回火后可用于制造高载荷，冲击及中速工作的零件，如齿轮，主轴，油泵转子，套环等，也可用于制造 各种 扳手，经淬火及低温回火后，可用于制造重载荷，低冲击及要求有耐磨性，截面尺寸（厚度）＜25mm的零件，如蜗杆，主轴，套环等，经调质并高频表面淬火后，可制作要求较高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮，套筒，轴，销子，连杆，进汽阀等，此外，还适用于进行碳氮共渗处理制造各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴等。

因此，本实验试样直径30mm、高为15mm的圆柱坯料在下面的淬火中能够被淬透。

2.2.2.40Cr钢的物理性能

40Cr钢的弹性模量和切变模量

弹性模量E(20℃) 切变模量G(20℃) /MPa 200000～211700 80800 表2-2

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40Cr钢的线（膨）胀系数

备注 1 2 温度/℃ 20～200 20～300 20～400 20～500 20～600 20～700 线（膨）(11.9～胀系数/C-1 12.0) ×10-6 (13.3～13.4)×10-6 (14.3～14.4)×10-6 表2-3

1 用钢成分（%）：0.37C，0.30Si，0.66Mn，0.95Cr，0.18Ni，0.016P，0.028S;

(15.0～15.1)×10-6 (15.3～15.4)×10-6 (15.4～15.5)×10-6 2 用钢成分（%）：0.42C，0.29Si，0.69Mn，0.87Cr，0.14Ni，0.010P，0.013S。

40Cr钢的热导率

温度/℃ 热导率λ/W·（m·K） -1100 32.6 200 30.9 300 29.3 400 28.0 500 26.7 600 25.5 表2-4

2.2.3.40Cr钢的化学成分

40Cr钢的化学成分（GB/T3077-1999）ω/%

C 0.37～0.45 Si 0.17～0.37 Mn 0.50～0.80 Cr S 0.80～1.10 ≤0.030 P ≤0.030 Ni ≤0.25 Cu ≤0.030 表2-5

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2.2.4.40Cr钢的调质处理

Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。截面尺寸大或重要的调质工件，应采用Cr钢。但Cr钢有第二类回火脆性。 40Cr工件调质的淬回火，各种参数工艺卡片都有规定，我们在实际操作中体会是：

（一）40Cr工件淬火后应采用油冷，40Cr钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。但是小型企业在供油紧张的情况下，对形状不复杂的工件，可以在水中淬火，并未发现开裂，只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。

（二）40Cr工件调质后硬度仍然偏高，第二次回火温度就要增加20~50℃，不然，硬度降低困难。

（三）40Cr工件高温回火后，形状复杂的在油中冷却，简单的在水中冷却，目的是避免第二类回火脆性的影响。回火快冷后的工件，必要时再施以消除应力处理。

2.2.5. 40Gr热处理实验过程

常用仪器设备：温度计、加热炉、箱式电阻加热炉、冷却槽、夹钳、洛式硬度计、金相砂纸、放大镜与游标卡尺

试样：直径30mm、高为15mm的圆柱坯料

2.2.5.1、实验目的

1、熟悉钢的常用热处理方法及工艺要点； 2、掌握使用热处理的各种器材仪器；

3、在淬火温度及变量相同的情况下回火温度对硬度的影响；

4、了解钢普通热处理(淬火、回火)的操作方法。分析钢在热处理时含碳量、加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对钢热处理后组织与性能的影响。

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2.2.5.2、淬火工艺

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。

1、实验方法与步骤

（1）先对试样进行倒角，表面的一些初步处理。 （2）根据处理条件不同，进行分组试验。

（3）只有第2组的试样要参与回火实验，其余的不参与。 （4）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（τ）

由公式： τ=αkD 计算得： 保温时间为D=21min 式中：τ-----加热保温时间，min； α-----加热系数，min/mm； k -----工件的装炉方式修正系数； D -----工件的有效厚度，mm；

加热保温时间根据以上公式计算得出为21分钟。

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（5）淬火加热温度的确定

根据上图（参照《工程材料》书中图4.18）确定碳钢的加热温度，亚共析钢的淬火加热温度一般为A3以上30到50℃。本实验试样加热温度就是根据这个确定的。

温度/℃ 1100 1000 G 900 800 700 奥氏体 Acm 淬火加热温度范围 A3 奥氏体 +铁素体 A1S 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Wc/% 图2-6 碳钢的淬火加热温度范围

（6）常用淬火方法

由于实际冷却介质不能满足淬火要求，所以必须从淬火方法上加以弥补。

1、 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。

2、 双介质淬火法（水淬油冷法）

对于形状复杂的高碳钢零件，为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，可在水中淬火至Ms附近，然后立即放入油中（或空气）继续冷却，故双液淬火法又称水淬油冷法。用这种方法既能淬硬，又能防止淬裂。缺点：对操作技术要求较高。

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3、分级淬火法

不管是单液淬火法，还是双液淬火法，都存在零件表面与心部温差较大，易产生较大的热应力导致零件变形、开裂的问题，分级淬火法能很好地解决这个问题。 所谓分级淬火法就是：先将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保持一定时间，使零件表面与心部的温度均匀并与热浴一致，然后取出空冷，在热浴中停留的时间以不发生奥氏体中温转变为宜。 缺点：冷却能力较低，只适用于小尺寸零件。

4、 等温淬火法

将加热好的零件淬入温度稍高于Ms的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使奥氏体等温转变为下贝氏体组织，然后空冷至室温。等温淬火法可获得强、韧兼备的组织，且零件的内应力可减低到最小程度，不易变形。缺点：生产周期长，仅适用于形状复杂的小零件。

本实验选用第二种淬火方法（水淬油冷法），为了防止淬火后产生过大的变形或开裂，在水淬后在进行油淬。

根据实验要求及技术方案得出淬火方案表如下图（表2-7）所示 序号 1 2 3 4 5 6 试样分组 试样件数 加热温度/℃ 保温时间/min 冷却方式 冷却时间（min） 淬火后硬度/HRC 1 2 800 21 先水后油淬 冷却到室温 表2-7 淬火方案

注： 1、参与反应的试样硬度应取平均值。

2、水和油的温度均为室温。

3、为下面回火实验及金相实验840℃淬火去试样6个

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2 6 840 21 先水后油淬 冷却到室温 3 2 880 21 先水后油淬 冷却到室温 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，保持间隔均匀，关上炉门。待控温仪表上黑色控温指针升至红色控温指针（即拟定的加热温度）处，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。

经冷却液冷却后在用砂纸打磨去掉表面氧化层后用洛式硬度计测得如下表: 第1组

800度试样 第1次测量硬序号 1 2 度/HRC 58.5 60 第2次测量硬度/HRC 58 58.5 第3次测量硬度/HRC 59 59.5 58.5 59 平均值/HRC 表2-8 800℃淬火下测得试样的硬度值

第2组 （参与回火、磨片实验） 840度试样 第1次测量硬序号 1 2 3 4 5 度/HRC 56 59 57.5 59 58 第2次测量硬度/HRC 57.5 61 59 59.5 59 第3次测量硬度/HRC 59 57 59 61.5 58 57.5 59 58.5 60 58.3 平均值/HRC 表2-9 840℃淬火下测得试样硬度值

综合上述数据分析：840度淬火下测得试样硬度值为58.5 HRC，其中试样4测出来硬度值为60 HRC，由于是在同一炉内加热，其它客观条件都相同，原因可能有三个（1）、材料本身的原因，（2）、加热保温后冷却时水冷和油冷的时间没把握好，（3）、侧硬度时测的都是偏试样的边部，因为边部的硬度要高于心部。

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第3组

880度试样 第1次测量硬序号 1 2 度/HRC 58 58.5 第2次测量硬度/HRC 56 60 第3次测量硬度/HRC 56.5 60 57 59.5 平均值/HRC 表2-10 880℃淬火下测得试样硬度值

根据上述数据可得出如下表数据（续表2-7淬火方案） 序号 6 试样分组 淬火后硬度|HRC 1 59 2 60 3 58 表 2-11 不同淬火温度下测得的硬度值

从上述测得的硬度值来分析，淬火温度在800℃到880℃对40Cr钢淬火后硬度影响不大，40Cr钢的理论最佳加热温度在820正负10℃。

2.2.5.3、回火处理

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

①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。②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。③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

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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

1、回火温度的确定:为了得到不同的回火组织，选择不同的会回温度进行实验，一般在选择不同的回火温度时都选择低温（150－250℃）中温（350－500℃）高温（500－650℃）

2、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：规定不得小于1h，一般取60—120min。由于本工件比较小，且回火温度适当，则在本方案中取保温时间为60min。 则在本实验中方案确定如表2-12所示：

回火温度|℃ 试样个数 保温时间|min 冷却方式 回火后硬度|HRC 180 1 60 水冷 表2-12 回火方案

注： 1.参与反应的试样硬度应取平均值。 2.水和油的温度均为室温。 3、回火后硬度测量

经加热保温后取出水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1组

180℃ 第1次测量硬第2次测量硬度/HRC 53 第3次测量硬度/HRC 53 53 平均值/HRC 420 2 60 水冷 580 1 60 水冷 低温回火 度/HRC 1 53 表2-13低温回火测得硬度值

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第2组

420℃ 第1次测量硬第2次测量硬度/HRC 43 45 第3次测量硬度/HRC 44 45 44 45 平均值/HRC 中温回火 度/HRC 1 2 45 45 表2-14中温回火测得硬度值

第3组 580℃ 第1次测量硬第2次测量硬度/HRC 33 34 第3次测量硬度/HRC 34 34 32 34 平均值/HRC 高温回火 度/HRC 1 2 32 34 表2-15 高温回火测得硬度值

4、实际测得值

根据分析实际测得数据得出40Cr钢回火硬度变化图(图2-16)

硬度值/ HRC 54 44 33 180 420 580 回火温度/℃ 图2-16 40Cr钢回火硬度变化图

通过上面所得数据得出40Cr钢在低温回火时硬度值比中温回火要高，高温回火硬度值比中温回火要低。原因是淬火钢在低温回火时，得到的组织为回火马氏体，其作用是在保证淬火钢的硬度不变或略有降低的条件下，降低其淬火内应力和脆性，稳定组织，以免使用时崩裂或过早损坏。

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5、理论数据

通过查阅资料得出40Cr钢回火硬度变化理论值，得出理论曲线如下图：

硬度值/ HRC 54 50 44 41 36 33 31 180 320 420 480 540 580 600 回火温度/℃ 图2-17 40Cr钢回火硬度变化理论值

通过对比分析，发现实际实验测得值于理论数据相符合，淬火钢在随着回火温度的升高组织由回火马氏体到回火托氏体再到回火索氏体，硬度也随之降低。可得出下图:

硬度 （高） 回火马氏体 回火托氏体 回火索氏体 HRC (低) 低温回火 中温 高温 图2-18 回火组织变化图

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2.3 热处理实验小结

2.3.1、淬火实验小结

试样40Cr钢含碳量在0.37%～0.45%，属于中碳（Wc：0.25～0.5％）调质钢，根据铁碳合金状态图分析钢的淬火：

t/A G Q D F K E 1147 ℃ A（奥氏体） 910℃ A3 C S A1(723℃) P 0 0.02 0.08 2.06 4.3 6.67 Fe Wc/% Fe3C 图2-20 铁碳合金状态图

（一）最佳淬火加热温度

由于40Cr的含碳量在0.5%以下，结合铁碳合金状态图分析，亚共析钢的淬火加热温度一般为A3以上30到50℃。选择温度过高会导致钢的奥氏体晶粒粗大，淬火后得到的马氏体的韧性较低，所以选择一个合适的加热温度非常重要，则通过上诉实验分析得出40Cr钢的最佳淬火温度在840℃左右。

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硬度值/ HRC 6059 58 800 840 880 淬火温度/℃ 图2- 不同淬火温度下测得硬度值

对于合金钢，由于奥氏体晶粒长大倾向受到合金碳化物等的抑制，故可适当提高淬火温度。（T↑→C曲线右移）

在其他条件（保温时间、淬火介质）不变的情况下800到880度（高于A3以上30到50℃）的加热温度对试样的硬度值影响不大，这个温度范围是该试样的最佳加热温度范围。

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（二）组织转变

淬火钢在高于A3的淬火加热温度下转变为奥氏体组织，为了获得高硬度的马氏体组织以大于VK的冷却速度连续冷却。组织由全部奥氏体过冷至MS以下温度转变为马氏体，而不发生其他转变。

温度温度奥氏体 A3 A1 MS Mf V4 VK V3 T/s T/s

图2- 钢的连续冷却曲线 图2- 钢的连续冷却转变图

V3相当于油冷，冷却速度约为150℃/S，V3只与C曲线的转变起始线相交，表明一部分过冷奥氏体转变为托氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后冷却到Ms一下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其HRC=45—55

V4相当于水冷，冷却速度600℃/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有效部分残余奥氏体），HRC=60—64

VK与C曲线相切，称为临界冷却速度，它表示过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。VK取决于C曲线的位置，C曲线右移，VK降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。

本实验介于VK和V4之间，为连续冷却，组织由全部奥氏体过冷至MS以下温度转变为马氏体，而不发生其他转变。

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2.3.2、回火实验小结

（一）低温回火实验总结（150－250度）

低温回火所得组织为回火马氏体。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HRC50－64。本次实验回火温度为180度，保温时间60分钟，砂纸打磨后测得硬度值为53 HRC。 （二）中温回火（350－500度）

中温回火所得组织为回火托氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。因此，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC35－50。本次实验回火温度为420度，保温时间60分钟，砂纸打磨后测得硬度值为44 HRC。 （三）高温回火（500－650度）

高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200－330。本次实验回火温度为580度，保温时间60分钟，砂纸打磨后测得硬度值为33HRC。

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第三章 40Cr钢的金相实验

3.1、金相试样的制备

为在显微镜下显现出来，必须预先制备金相试样，金相试样的制备过程包括取样、磨平、磨光、抛光、侵蚀等步骤。 3.1.1、实验原理

金属及合金内部的组织结构均为单相或多相组织，在晶粒与晶界、相与相之间存在着结构或成分上的差异。

图3-1 金相显微镜 3.1.2、试验设备与器材

金相显微镜（如图3-1）、金相试样、金相砂纸一套、抛光机、抛光液、电吹风与浸蚀液

在金相试样制备过程中，粗磨常用质地较好的水砂纸，细磨则采用280号、320号、01–06号金相砂纸；机械抛光用p-2型金相试样抛光机，抛光织物多为海军呢，抛光粉为研磨糕和Cr2O3粉末 3.1.3、实验方法与步骤

（1）取样：根据观察目的，为了得出不同的微观组织来进行对比，从中温回火试样中选出一个又代表性的试样进行金相试样制备。

（2）磨平：磨平将选好的试样的待观察面在砂轮机上磨平或用锉刀挫平。并倒锐边和尖角，以免在磨光时划坏砂纸和抛光布。

（3）磨光：磨光方法可采用手工或机械磨光（本实验采用手工磨光），用一套在玻璃板上的金相砂纸由粗到细依次进行磨制，磨制时，左手按住砂纸，右手适当用力压紧试样使整个磨面与砂纸完全接触，然后平稳向前推出，提起试样，返回后再向前磨，直到前一轮磨痕完全消失为止；擦净磨面，更换细一号的砂纸，并将试样旋转90°后进行下一轮磨制，直到经最细的砂纸磨光为止。把磨光后

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的式样用水清洗干净，以便抛光。

（4）抛光：抛光时，先向抛光盘内倒入适当AI2O3悬浮态抛光液，再将试样抛光面均衡的压在旋转的抛光盘上进行磨制，同时不断的向盘内倒入抛光液，直到磨面光亮如镜为止，最后依次用水、酒精冲洗干净后再以热风吹干 （5）侵蚀：向试样磨面滴浸蚀剂（4%左右的硝酸溶液），浸蚀程度一般以试样磨面稍微发暗时即可，浸蚀完毕后用水清洗干净，并以热风吹干。

3.2 组织观察分析

通过上诉试样的制备过程步骤，840℃淬火中温回火得到回火托氏体,如下图所示

图3-2放大400倍实际组织图

图3-3 回火托氏体理论组织图

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淬火钢中温回火分析

淬火钢在350-500℃为中温回火，其得到的组织为回火托氏体，α固溶体中过饱和的碳逐渐析出，ε-碳化物转变为稳定的较小的Fe3C颗粒，α固溶体中的含碳量几乎达到平衡成分，故马氏体变成铁素体（c/a≈1），体心正方晶格变成体心立方晶格，此时组织为“铁素体与弥散在其中的细粒状渗碳体的混合物”,称为“回火托氏体”。

图3-2中针状为铁素体，另还有一些颗粒状的渗碳体，但看的不是很清晰（针状铁素体+粒状的渗碳体的两相组织称为回火托氏体）。

通过金相实验制备，用金相显微镜放大400倍观察得出如上图3-2所示，图3-3为回火托氏体的组织图，把两个图进行对比发现都可以看到针状铁素体和一些粒状的渗碳体，这种两相组织便是我们要得到得回火托氏体组织。

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第四章 实验总结分析

4.1、热处理实验总结

4.1.1、钢在淬火时的组织转变

一、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（α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：

①奥氏体晶核的形成 ②奥氏体晶粒长大 ③残余渗碳体溶解 ④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，当温度高于A3时，组织为单相奥氏体。本实验材料得到的淬火组织就为单相奥氏体。 二、影响珠光体向奥氏体转变的因素 1、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。

2、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。

3、钢中加入合金元素，可影响奥氏体的形成①强碳化合物②减缓C的扩散，减 缓A的形成③非碳化物形成元素加速A形成。

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4、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。

4.1.2、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：①转变开始与转变终了的时间不同；②转变后产物的组织与性能不同 一、珠光体型转变——高温转变（A1—550℃）

1、转变过程及特点

过冷奥氏体在A1—550℃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。

2、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：

A1—650℃, 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。650℃—600℃，形成的组织分散度较大，层间距较小，在800-1000倍的金相显微镜下才能分辨，称为索氏体S。

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600℃—550℃，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。

二、贝氏体型转变——中温转变（550℃—Ms） 1、转变过程及特点

过冷奥氏体在550℃—Ms（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。

2、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范围内的转变产物。其中过饱和的铁素体呈针片状，比较散乱地成角度分布，而极细小的渗碳体质点呈弥散状分布在过饱和铁素体内。在金相显微镜下下贝氏体呈竹叶状特征。（下贝氏体由于转变温度较低，渗碳体来不及长大，而呈质点状）

下贝氏体组织具有较高的强度、硬度，良好的塑性、韧性，即具有良好的综合机械性能。生产上常用等温淬火法来获得下贝氏体组织。

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三、马氏体型转变——低温转变（Ms—Mz） 1、转变过程

当过冷度很大，奥氏体被快速冷却至Ms时，由于碳原子已无法扩散，上述珠光体或贝氏体等扩散型相变已不可能进行，奥氏体只能进行非扩散型的晶格转变。碳原子来不及扩散，被完全固溶于铁素体内，形成过饱和的铁素体，这种过饱和的铁素体就是马氏体M。所以马氏体的含碳量与相应的奥氏体含碳量相同。

室温下铁素体的含碳量仅为0.0008%,而马氏体的含碳量与奥氏体相同，故马氏体的过饱和程度很大，此时过饱和的铁素体的某些棱边被撑长，形成了体心正方晶格。由于碳原子过饱和造成的晶格畸变严重，故马氏体具有很高的硬度，而塑性、韧性较低。

马氏体的高硬度决定了它是钢中的重要强化组织，也是淬火钢的基本组织，凡是要求高硬度、高耐磨性的零件，都需要经过淬火获得马氏体组织。 马氏体的硬度主要与含碳量有关，与其他合金元素关系不大。因为合金元素在马氏体晶格中，不是处于间隙位置，而是置换了某些铁原子的位置，它对马氏体晶格歪扭和畸变的作用远不及碳的作用大。

4.2、合金元素对钢的影响分析

4.2.1、合金元素在钢中的作用

1． 溶解于铁起固溶强化作用

几乎所有合金元素均能不同程度地溶于铁素体、奥氏体中形成固溶体，使钢的强度、硬度提高，但塑性韧性有所下降。使钢具有强韧性的良好配合。 2．形成碳化物，起第二相强化、硬化作用

按照与碳之间的相互作用不同，常用的合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等，它们在钢中能与碳结合形成碳化物，如TiC、VC、WC等，这些碳化物一般都具有高的硬度、高的熔点和稳定性，如果它们颗粒细小并在钢中均匀分布时，则显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。

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3、合金元素对铁碳合金状态图的作用

合金元素的加入，使Fe-Fe3C相图中的共析点左移，因而，与相同含碳量的碳钢相比，亚共析成分的结构钢（一般结构钢为亚共析钢）含碳量更接近于共析成分，组织中珠光体的数量，使合金钢的强度提高。

图4-1合金元素对铁素体力学性能的影响

4..2.2、合金元素对钢热处理组织转变分析

1. 合金元素对加热时相转变的影响

合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。

(1)对奥氏体形成速度的影响： Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大, 形成难溶于奥氏体的合金碳化物, 显著减慢奥氏体形成速度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素, 因增大碳的扩散速度, 使奥氏体的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。

(2)对奥氏体晶粒大小的影响：大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用, 但影响程度不同。强烈阻碍晶粒长大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻碍晶粒长大的元素有：W、Mn、Cr等；对晶粒长大影响不大的元素有：Si、Ni、Cu等；促进晶粒长大的元素：Mn、P等。

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2. 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响

除Co外, 几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性, 推迟珠光体类型组织的转变, 使C曲线右移, 即提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必须指出, 加入的合金元素, 只有完全溶于奥氏体时, 才能提高淬透性。如果未完全溶解, 则碳化物会成为珠光体的核心, 反而降低钢的淬透性。另外, 两种或多种合金元素的同时加入(如, 铬锰钢、铬镍钢等), 比单个元素对淬透性的影响要强得多。

除Co、Al外, 多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最强, Si实际上无影响。Ms和Mf点的下降, 使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时,可进行冷处理(冷至Mf点以下), 以使其转变为马氏体; 或进行多次回火, 这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升, 并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。

3. 合金元素对回火转变的影响

(1)提高回火稳定性 合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变(即在较高温度才开始分解和转变)， 提高铁素体的再结晶温度, 使碳化物难以聚集长大，因此提高了钢对回火软化的抗力, 即提高了钢的回火稳定性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。 (2)产生二次硬化 一些Mo、W、V含量较高的高合金钢回火时, 硬度不是随回火温度升高而单调降低, 而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大, 并在另一更高温度(一般为550℃左右)达到峰值。这是回火过程的二次硬化现象, 它与回火析出物的性质有关。当回火温度低于450℃时, 钢中析出渗碳体; 在450℃以上渗碳体溶解, 钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等, 使硬度重新升高, 称为沉淀硬化。回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所也可导致二次硬化。

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谢 词

终于写到了这一页，这意味着毕业论文写作结束的一页，也意味着三年大学生活即将结束的一页。此时此刻的心情是复杂的，有着论文写作过程即将完成的欣慰，也有着面临答辩的忐忑，有着走上工作岗位的憧憬，也有着即将离开校园的失落，然而最多的，还是心里满满满满的感激。

毕业论文写作是本人大学三年学习的知识总结，在论文的写作过程中，得到了指导教师郑群老师的悉心指导，在此真诚感谢郑群老师的无私帮助；感谢实验室蒋老师的意见指导和在做实验过程中的帮助；感谢川大金相实验室的老师和师兄们。

感谢机械工程系和模具制造与设计专业所有任课老师三年来对我的培养。感谢我的辅导员聂阳老师、刘霄老师，感谢电子高专，这个文化底蕴深厚、安详宁静而又激情飞扬的地方，塑造了我积极乐观的人生态度，刻画了我永远留恋的青春记忆，让我在这个即将离别的时候，如此不舍。

谢谢我所有的朋友们，在我沮丧的时候鼓励我，在我失落伤心的时候安慰和陪伴我，在我遇到困难的时候默默支持我，在我迷茫的时候帮助我分析状况，在我开心的时候同我一样开心，在我快乐幸福的时候觉得比我更快乐。还有那些曾经和我共同努力，一起奋斗过的朋友，感谢你们。

感谢我的同学朋友们，我将永远记得你们伴我走过的每一个有欢笑有泪水的日子，是你们的关心和帮助，让我在举目无亲的成都感觉塌实温馨。

最后，我要感谢我的父母，我所迈出的每一步，都凝聚着你们的心血和汗水，你们始终如一的支持和关爱，是我一直勇敢向前的动力。

多少年的感激之情再多的言语也表达不了，只希望老师、家人、朋友都能体会到我感恩的心，我是如此平凡，却又如此幸运，谢谢你们！！！

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参 考 文 献

[1] 李大鑫 .模具技术现状与发展趋势综述 .模具制造， 2005 [2] 冯晓曾 .模具用钢和热处理 . 北京：机械工业出版社，1984 [3] 张鲁阳 .模具失效与防护 . 北京：机械工业出版社，2008 [4] 王毓敏 .工程材料成形与应用 .重庆：重庆大学出版社，2005 [5] 成虹 . 冲压工艺与模具设计. 北京：高等教育出版社，2001 [6] 闫亚林 . 塑压工艺与模具设计. 成都：电子高专， [7] 李方进 . 金属学及热处理. 北京：机械工业出版社，1995 [8] 程培源 . 模具寿命与材料. 北京：机械工业出版社，1999 [9] 安继儒 .热处理工艺规范数据手册. 北京：化学工业出版社，1999 [10] 赵昌盛 .模具材料及热处理手册. 北京： 机械工业出版社，2008 [11] 许德珠 .机械工程材料. 北京：高等教育出版社，1992

[12] 彭其凤，丁洪太.热处理工艺及设计.上海：上海交大出版社，1994 [13] 戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，2005

[14] 史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001 [15] 热处理论坛网 [16] 中国机械网 [17] 钢材网

[18] 中国物资采购网http://www.m188.com

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