1、工程材料學課程設計報告設計題目：40Cr 淬火+回火 51-55HRC學 院：材料科學與工程班 級：材料XXX班姓 名：XXX學 號：201314010220指導老師：鄭建軍 黨淑娥 秦鳳明 20XX年12月27日目錄一、課程任務求：.3 40Cr鋼簡介.3 40Cr的化學成分及臨界溫度.3 40Cr的性質.3二、工藝設計方案.3（1）預備熱處理.3（2）最終熱處理.3三、實驗方法及結果：.4（1）退火.4（2）淬火.4（3）回火.8（4）熱處理工藝曲線.10四、實驗分析分析.11 1、奧氏體的形成.13 2、影響珠光體向奧氏體轉變的因素.13 3、鋼在回火時的組織轉變.14參 考 文 獻.1

2、6課程任務：材料工藝熱處理硬度40Cr淬火+回火HRC 51-55一、40Cr鋼簡介（1）40Cr的化學成分及臨界溫度40Cr的化學成分及臨界溫度見表1。表1 40Cr的化學成分及臨界溫度化學成分/%臨界溫度/CMnSiCrAc1Ac3Ar1Ar30.37-0.450.50-0.800.20-0.400.80-1.10743800693730（2）40Cr的性質從鐵碳合金相圖來看40Cr鋼屬于亞共析鋼，緩冷到室溫后的組織為鐵素體（F）+珠光體（P）；從鋼的分類來看，40Cr鋼屬于低淬透性調質鋼，具有很高的強度，良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合機械性能；40Cr鋼可用于制造汽車的連桿，螺栓，傳

3、動軸及機床的主軸等零件。二、40Cr鋼熱處理工藝設計方案（1）預備熱處理調質鋼經熱處理加工后，必須經過預備熱處理來降低硬度，便于切削加工，消除熱加工時造成的組織缺陷，細化晶粒，改善組織，為最終熱處理做好準備。對于40Cr鋼而言，可進行正火或退火處理。（2）最終熱處理調質鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火。一般可以采用較慢的冷卻速度回火，可以用油淬以避免熱處理缺陷。當強度較低時，可采用較低的回火溫度，反之采用較高的回火溫度。三、40Cr熱處理試驗方法及結果：（1）退火我們拿到的工件已經過退火，可以進行后續的淬火黑團珠光體 白色塊狀鐵素體實驗步驟： 先對試樣進行倒角，表面的一些初步處理。 使用洛氏硬度

4、計對工件退火后硬度進行測量。第一次測量/HRC第二次測量/HRC第三次測量/HRC平均值/HRC10.591110.2（2）淬火淬火是將鋼奧氏體化后以大于Vk的速度冷卻，已獲得高硬度的馬氏體（或下貝氏體）組織的熱處理工藝。 鋼的淬硬性是指淬火鋼獲得高硬度或馬氏體硬度的能力。鋼的淬硬性與合金元素無關，而主要取決于Wc。采用方法：單液淬火法（普通淬火法）將加熱后的鋼件放入一種淬火冷卻介質中冷卻。單液淬火法操作簡單，易實現自動化操作，但存在明顯缺點：水淬易變形、開裂；油淬硬度不足，只適用于形狀簡單的工件。注意事項：（1）“加熱保溫”時，打開對應加熱爐的爐門，用夾鉗將試樣逐個放入爐膛中央，保

5、持間隔均勻，關上爐門。待控溫儀表上溫度升至擬定的加熱溫度處，由于加熱加速度，待儀表溫度上升至850再降低至850時，開始計算保溫時間。（2）淬火冷卻時，用夾鉗夾住試樣端部迅速將其浸入冷卻液中，并連續攪拌至試樣基本冷透為止，方可取出試樣。（3）硬度檢測時，應先將被檢測面用砂紙打磨平整、去除氧化皮方可進行。實驗方法與步驟1) 加熱保溫時間的確定。根據試樣的有效厚度（D）計算加熱保溫時間（t）由公式：t=kD淬火保溫時間t=kD式中：t加熱保溫時間，min；加熱系數，min/mm；（1-1.5） k工件裝爐方式修正系數； D工件有效厚度，mm。加熱保溫時間根據以上公式計算得出為30min。2) 淬火

6、加熱溫度的確定根據下圖確定碳鋼的加熱溫度，亞共析鋼的淬火加熱溫度一般為Ac3以上30到50。本實驗試樣加熱溫度就是根據這個確定的。(采用電阻爐加熱)0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0Wc/%11001000 G900800700溫度/淬火加熱溫度范圍A3奧氏體AcmS奧氏體+鐵素體A11碳鋼的淬火加熱溫度范圍3) 淬火后進行金相觀察。850 保溫30min 油淬冷卻針狀馬氏體和板條狀馬氏體4）、淬火后產生硬度不足原因分析工件淬火后表面硬度低于40Cr鋼要求的淬火硬度，即硬度不足。前三次硬度均不足目標硬度下限HRC51，產生硬度不足的原因及控制措施有見下表。序號淬火硬度不足的原因控制措施

7、1介質冷卻能力差，工件表面有鐵素體、托氏體等非馬氏體組織采用冷速較快的淬火介質；適當提高淬火加熱溫度。2淬火加熱溫度低，或預冷時間長，淬火冷卻速度低，出現非馬氏體組織確保淬火加熱溫度正常；減少預冷時間。3亞共析鋼加熱不足有未溶解鐵素鐵嚴格控制加熱溫度、保溫時間和爐溫均勻性4碳鋼或低合金鋼采用水、油雙介質淬火時，在水中停留時間不足，或從水中提出零件后，在空氣中停留時間過長嚴格控制零件在水中停留時間及操作規范5鋼的淬透性差，且工件截面尺寸大，不能淬硬采用淬透性好的鋼6高碳高合金鋼淬火加熱溫度高，殘余奧氏體過量降低淬火加熱溫度或采用深冷處理7等溫時間過長，引起奧氏體穩定化嚴格控制分級或等溫時間8表面

8、脫碳采用可控氣氛加熱或其他防脫碳措施9硝鹽或堿浴中水分含量過少，分級冷卻時有托氏體等非馬氏體形成嚴格控制鹽浴和堿浴中的水分10合金元素內氧化，表層淬透性下降，出現托氏體等非馬氏體而內部則為馬氏體組織降低爐內氣氛中氧化性組分含量；選用冷速快的淬火介質。（2）.回火回火是指將淬火鋼重新加熱至A1以下某預定溫度并保溫一定時間，然后冷卻至室溫的熱處理工藝。 回火的目的是：消除或減小淬火應力，降低淬火鋼的脆性，達到零件要求的使用性能，穩定鋼件的組織和尺寸。1）、回火的作用 提高組織穩定性，使工件在使用過程中不再發生組織轉變，從而使工件幾何尺寸和性能保持穩定。消除內應力，以便改善工件的

9、使用性能并穩定工件幾何尺寸。調整鋼鐵的力學性能以滿足使用要求。 回火之所以具有這些作用，是因為溫度升高時，原子活動能力增強，鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進行擴散，實現原子的重新排列組合，從而使不穩定的不平衡組織逐步轉變為穩定的平衡組織。內應力的消除還與溫度升高時金屬強度降低有關。一般鋼鐵回火時，硬度和強度下降，塑性提高。回火溫度越高，這些力學性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼，在某一溫度范圍回火時，會析出一些顆粒細小的金屬化合物，使強度和硬度上升。這種現象稱為二次硬化。2）、回火方案的確定 低溫回火（150250度） 低溫回火所得組織為回火馬氏體。

10、其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內應力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具，量具，冷沖模具，滾動軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為HRC5064。本次實驗回火溫度為200度，回火保溫時間的確定：材料進行淬火后，必須進行充分的保溫回火，一般根據材料的回火溫度，工件的尺寸，對材料的性能要求和加熱爐而定，一般由經驗公式得出3）、回火后硬度測量 經加熱保溫后取出空冷后用砂紙打磨去除表面的氧化層，通過洛氏硬度計測得如下表不同回火溫度下的硬度值。第一次測量/HRC第二次測量/HRC第三次測量/HRC平均值/HRC525152.5524）、回火后

11、的金相觀察 回火組織：200 保溫30min 空冷 碳化物和馬氏體組成回火馬氏體（4）熱處理工藝曲線85030mim 油淬 200 30min 空冷4、 實驗分析分析淬火裂紋分析淬火裂紋是指在淬火過程中或在淬火后的室溫放置過程中產生的裂紋。后者又叫時效裂紋。造成淬火開裂的原因很多，在分析淬火裂紋時，應根據裂紋特征加以區分。1、淬火裂紋的特征在淬火過程中，當淬火產生的巨大應力大于材料本身的強度并超過塑性變形極限時，便會導致裂紋產生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉變開始進行后不久產生的，裂紋的分布則沒有一定的規律，但一般容易在工件的尖角、截面突變處形成。在顯微鏡下觀察到的淬火開裂，可能是沿晶開

12、裂，也可能是穿晶開裂；有的呈放射狀，也有的呈單獨線條狀或呈網狀。因在馬氏體轉變區的冷卻過快而引起的淬火裂紋，往往是穿晶分布，而且裂紋較直，周圍沒有分枝的小裂紋。因淬火加熱溫度過高而引起的淬火裂紋，都是沿晶分布，裂紋尾端尖細，并呈現過熱特征：結構鋼中可觀察到粗針狀馬氏體；工具鋼中可觀察到共晶或角狀碳化物。表面脫碳的高碳鋼工件，淬火后容易形成網狀裂紋。這是因為，表面脫碳層在淬火冷卻時的體積脹比未脫碳的心部小，表面材料受心部膨脹的作用而被拉裂呈網狀。2、非淬火裂紋的特征淬火后發生的裂紋，不一定都是淬火所造成的，可根據下面特征來區分：淬火后發現的裂紋，如果裂紋兩側有氧化脫碳現象，則可以肯定裂紋在淬火之

13、前就已經存在。淬火冷卻過程中，只有當馬氏體轉變量達到一定數量時，裂紋才有可能形成。與此相對應的溫度，大約在250以下。在這樣的低溫下，即使產生了裂紋，裂紋兩側也不會發生脫碳和出現明顯氧化。所以，有氧化脫碳現象的裂紋是非淬火裂紋。如果裂紋在淬火前已經存在，又不與表面相通，這樣的內部裂紋雖不會產生氧化脫碳，但裂紋的線條顯得柔軟，尾端圓禿，也容易與淬火裂紋的線條剛健有力，尾端尖細的特征區別開來。3、試驗中的裂紋原因對淬火后裂紋的金相組織進行分析：從圖可以看出,裂紋兩邊沒有發現脫碳,在試樣邊緣有脫碳層,說明在加熱過程中裂紋不存在,原始材料內部沒有裂紋。鋼件淬火冷卻必須大于它的臨界冷卻速度才能獲得完全硬

14、化。然而，快速冷卻有時導致強大的內應力，以致形成淬火裂紋的主要因素之一。在由加熱溫度冷卻到開始相變溫度的過程中，鋼的組織仍保持奧氏體狀態（即過冷奧氏體），具有較低的屈服極限和很高的塑性，在應力狀態上，由于沒有發生相的轉變，只產生熱應力，所以在該冷卻階段鋼件不會產生裂紋。 但鋼件冷卻到Ms點以下的溫度，即鋼發生相變時，除因冷卻不一致所形成的熱應力外，還有因相變進行的不等時性而產生的組織應力。相變的結果，奧氏體轉變成具有高硬度和低塑性的馬氏體。因此，在該溫度區間的冷過程，最易于引起淬火裂紋。鋼在淬火時的組織轉變1、奧氏體的形成大多數熱處理工藝的加熱溫度都高于鋼的臨界點（A1或A3），使鋼

15、具有奧氏體組織，然后以一定的冷卻速度冷卻，以獲得所需的組織和性能。鐵碳合金緩慢加熱時奧氏體的形成可以從Fe-Fe3C相圖中反映出來，珠光體向奧氏體的轉變屬于擴散型相變。以共析鋼為例，珠光體組織在A1（727）以下，組織保持不變（相中碳的溶解度及Fe3C的形狀稍有變化）；當加熱到A1點以上時，珠光體全部轉變為奧氏體。奧氏體的形成過程可以分為四個步驟：奧氏體晶核的形成奧氏體晶粒長大殘余滲碳體溶解奧氏體成分均勻化對于亞共析鋼（過共析鋼），當緩慢加熱到A1以上時，除珠光體全部轉化為奧氏體外，還有少量先共析鐵素體轉變為奧氏體（過共析鋼二次滲碳體溶解），隨著溫度升高，先共析鐵素體不斷向奧氏體轉變，當溫度高

16、于A3時，組織為單相奧氏體。2、影響珠光體向奧氏體轉變的因素溫度的影響提高溫度，原子的擴散能力增大。特別是碳原子在奧氏體中的擴散能力增大，奧氏體的形成速率加快。鋼中含炭量增加，鐵素體與滲碳體的相界面總量增多，有利于加速奧氏體形成。鋼中加入合金元素，可影響奧氏體的形成 強碳化合物 減緩C的擴散，減緩A的形成非碳化物形成元素加速A形成。鋼組織中珠光體越細，奧氏體形成速度越快（相界面積大）。加熱速度越快，奧氏體形成溫度升高，形成速度越快。3、鋼在回火時的組織轉變通過加熱使鋼轉變為均勻的奧氏體組織后，僅完成了熱處理的加熱準備工作，將高溫奧氏體以不同的冷卻速度冷卻，獲得所需的組織與性能，才是熱處理的最終

17、目的。高溫奧氏體組織是穩定的，如冷卻到A1以下，奧氏體就處于不穩定狀態（過冷態），稱為過冷奧氏體。不同的過冷度，奧氏體發生轉變的過程不同：轉變開始與轉變終了的時間不同；轉變后產物的組織與性能不同1) 珠光體型轉變高溫轉變（A1550） 轉變過程及特點過冷奧氏體在A1550溫度范圍內，將分解為珠光體類組織。當奧氏體被過冷至A1以下溫度時，在奧氏體晶界處（含碳量高）優先產生滲碳體的核心，然后依靠奧氏體不斷供應碳原子（隨著冷卻，奧氏體溶解碳的能力下降，碳從奧氏體內向晶界擴散），滲碳體沿一定方向逐漸長大，而隨著滲碳體的長大，又使其周圍的奧氏體碳濃度下降，這就促使貧碳的奧氏體局部區域轉變成鐵素體（即滲碳

18、體兩側出現鐵素體晶核），在滲碳體長大的同時，鐵素體也不斷長大，而隨著鐵素體的長大，必然將多余的碳排擠出去，這就有利于形成新的滲碳體晶核。最終形成了相互交替的層片狀滲碳體和鐵素體珠光體。排列方向相同的鐵素體與滲碳體區域，稱為珠光體晶粒。珠光體一直長大到與相鄰的珠光體互相接觸，而奧氏體全部轉化為珠光體為止。 轉變特點：過冷奧氏體轉變為珠光體是擴散型相變。 分類在高溫轉變區形成的珠光體類組織，雖然都是滲碳體與鐵素體的混合物，但由于過冷度大小不同，其片層距差別很大：A1650, 形成的組織層間距較大，在400-500倍的金相顯微鏡下即可分辨，稱為珠光體P。650600，形成的組織分散度較大，層間距較小

19、，在800-1000倍的金相顯微鏡下才能分辨，稱為索氏體S。600550，形成的組織，層間距很小，只有在電子顯微鏡下放大幾千倍才能分辨，稱為屈氏體或托氏體。珠光體、索氏體、屈氏體都是珠光體類組織，本質上沒有任何區別，只是滲碳體、鐵素體片的厚度不同而已。從珠光體到索氏體、屈氏體，隨著層間距的減小，強度和硬度依次升高。2) 貝氏體型轉變中溫轉變（550Ms） 轉變過程及特點過冷奧氏體在550Ms（共析鋼的Ms約230）溫度范圍內，轉變為貝氏體類組織。由于過冷度增大，鐵原子的擴散很困難，碳原子的擴散能力也顯著減弱，擴散不充分，形成滲碳體所需的時間增長。過冷奧氏體在這一溫度范圍內的轉變產物仍是鐵素體和

20、滲碳體的混合物，但它與珠光體有本質的區別：貝氏體轉變由于冷卻速度快，滲碳體已不能呈片狀析出。碳的擴散速度受到很大限制，部分碳來不及析出，固溶在鐵素體中形成過飽和的鐵素體。因此，貝氏體型轉變產物是過飽和的鐵素體與滲碳體的混合物。 轉變特點：過冷奧氏體向貝氏體轉變是一種半擴散型相變。 分類貝氏體組織形態比較復雜，根據其中鐵素體與滲碳體的分布形態的不同，分為上貝氏體B上和下貝氏體B下。上貝氏體B上：是過冷奧氏體在550-350范圍內的轉變產物，其中過飽和鐵素體形成密集而相互平行的羽毛狀扁片，一排一排地由晶界伸向晶內，滲碳體呈短桿狀斷斷續續地分布在鐵素體扁片之間。（上貝氏體由于轉變溫度較高，滲碳體長得較大）上貝氏體的組織形態決定了其強度較低，塑性、韌性較差。下貝氏體B下：是過冷奧氏體在350-Ms范圍內的轉變