綜合實驗報告

1、 專業(yè)綜合實踐報告學院：材料科學與工程學院專業(yè)：金屬材料科學與工程學號：18姓名：汪逸飛指導老師：黃維剛馮慶芬朱達川實驗時間：.班級：金材班組員：朱亮周思吟黃青青成萍趙大煒汪逸飛王寶岳潘興二一六年一月1 前言 經過大三一學年的專業(yè)知識的學習，使我們對專業(yè)知識有了更進一步的的認識。本學期通過綜合實驗的訓練，使得我們對專業(yè)有了進一步感觀上的認識，從實驗工藝的制定到實驗的實施再到最后數據結果的整理與分析，培養(yǎng)了我們積極動手的能力。 本次實驗主要包括40Cr，W18Cr4V，Q235實驗熱處理工藝的制定，拉伸試驗與沖擊實驗，力學性能的測定，以及端淬實驗。2 熱處理工藝（一）40Cr1. 簡介40Cr鋼

2、是淬透性良好的合金調質鋼，調質處理后具有良好的綜合力學性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。其中C%=0.37%0.44%，Cr%=0.8%1.1%，Ac1為743，Ar1為693，Ac3為782，Ar3為730，Ms為355，Acm=780。正火溫度850870，硬度179229HBS。對40Cr鋼的熱處理有四種：、正火、淬火+低溫回火、淬火+中溫回火、淬火+高溫回火。2.熱處理工藝2.1正火 加熱至900±10，保溫20分鐘，空冷。2.2淬火 加熱至850±10，保溫20分鐘，油冷。2.3不同溫度回火2.3.1淬火低溫回火：加熱至200±10保溫1小時，空

3、冷。2.3.2淬火中溫回火：加熱至450±10保溫1小時，空冷。2.3.3淬火高溫回火：加熱至600±10保溫1小時，水冷。（二）W18Cr4V1簡介 W18Cr4V即常見的鎢系高速鋼，屬于萊氏體鋼，是高速鋼應用最長久的一種。和其它高速鋼一樣，常被稱為“白鋼”、“鋒鋼”或“風鋼”（空冷即可淬火）。其化學成分為：含碳量0.70.8%，含鎢量17.519%，含鉻量3.804.4%，含釩量1.01.4%，含硅量小于0.4%，含錳量小于0.4%，含鉬量小于0.3%。可見合金含量高，淬透性好，過冷奧氏體穩(wěn)定性好，熱處理工藝復雜。2熱處理工藝先預熱，預熱溫度850，保溫時間系數10mi

4、n；淬火溫度1250，保溫時間系數為8min，然后油冷。測定其洛氏硬度，若 HRC63，表示淬火合格，否則需重新淬火，合格則觀察所得樣品的金相組織，并采集金相照片。然后進行下一步回火工藝，將8個試樣分成8組，分別于 100、200、300、400、500、550、600、7008個溫度下進行回火，保溫 60 分鐘，接著空冷至室溫。最后再測定其硬度（其中對每一個試樣采集 3 個樣本點）。（三）Q2351.簡介 Q235為普通碳素結構鋼。Q代表的是這種材質的屈服，后面的235，就是指這種材質的屈服值，在235Mpa左右。并會隨著材質的厚度的增加而使其屈服值減小。 Q235A，Q235B，Q235C

5、，Q235D，這是等級的區(qū)分，所代表的，主要是沖擊的溫度有所不同而已。Q235是碳素結構鋼,一般稱普碳鋼，一般是不熱處理的，Q235 截面不大時，可以進行淬火低溫回火處理。可以用于制作直徑不太大的4.8級螺栓等。另外進行滲碳淬火等表面處理也是可以的。2，熱處理工藝2.1正火：加熱到900±10，保溫時間20min，空冷。 2.2.1淬火：加熱至850±10，保溫20 min，油冷。2.2.2低溫回火：加熱至200，保溫1小時，空冷。（4） 端淬熱處理工藝 850加熱保溫40min然后水冷。水冷方式：將試樣的一端用水進行水冷。然后再用硬度機每間隔1.5mm測定其硬度。三.力學

6、性能的測定及分析（一）硬度實驗1.40Cr1.1不同熱處理后通過實驗數據整理可得不同熱處理狀態(tài)下40Cr的硬度熱處理工藝硬度/HRC平均值/HRC試樣1試樣2試樣3正火16141214淬火+低回47434846淬火+中回37363837淬火+高回22222122數據分析：（1）正火比回火的硬度要低，因為存在馬氏體相變強化。（2 ）此數據并未區(qū)別“U”型和“V”型缺口，因為局部缺口并不影響材料的硬度。（3）而在淬火中，淬火加低溫回火得到的組織是回火馬氏體，硬度高塑韌性低；淬火加中溫回火得到的組織是回火托氏體和回火索氏體，硬度和塑韌性適中；淬火加高溫回火得到的組織是回火索氏體，硬度低塑韌性好，故得

7、到以上曲線。1.2 40Cr不同溫度下回火后硬度40Cr不同溫度回火后硬度變化溫度/100200300400500600700硬度/HRC78554135272422數據分析：40Cr隨著所采用的熱處理回火溫度的升高，其硬度越來越低。是因為隨著溫度的升高，回火組織產生回火馬氏體回火索氏體+回火托氏體回火索氏體的轉變。而索氏體硬度很低，馬氏體硬度較高，故隨著40cr回火溫度的升高，回火后組織的硬度越來越低。2.W18Cr4VW18Cr4V不同溫度回火后硬度變化溫度/100200300400500550600700硬度/HRC6665616164656346數據分析：（1）隨著回火溫度升高，硬度普

8、遍降低，但硬度總體維持在很高的水平，原因是高速鋼合金度高，鋼中碳主要與鉻、鎢、鉬和釩(碳化物的形成元素)等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及紅硬性。過冷奧氏體穩(wěn)定性好，以及二次硬化等等導致。（2）300回火與400回火數據變化不明顯。出現(xiàn)的原因如下：、回火熱處理工藝不當，溫度未嚴格控制，導致溫度偏高；、未將表面氧化皮打掉，所以出現(xiàn)反常；、隨機誤差。（3）550-570出現(xiàn)二次硬化。一是合金馬氏體在高溫回火時合金碳化物的脫溶，引起馬氏體回火二次硬化；二是殘留奧氏體的二次淬火，消除大量的殘余奧氏體，即回火后冷卻時轉變?yōu)轳R氏體。鋼的二次硬化能力實際上僅取決于合金馬氏體二次硬化的過程：析出物的本質和數量

9、，而與殘留奧氏體二次淬火無關。（二）拉伸試驗本試驗在室溫下（18滿足1035的要求）分別進行退火、正火和淬火三種不同熱處理狀態(tài)下的低碳鋼試樣的拉伸試驗，結合拉伸曲線，觀察拉伸過程中彈性變形、塑性變形等各階段的實驗現(xiàn)象。通過比較，分析不同熱處理狀態(tài)下的試樣呈現(xiàn)不同強度與塑性性能的原因。熱處理后的試樣在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，試驗機以規(guī)定的速率均勻地拉伸試樣，試驗機可自動繪制出拉伸曲線圖。載荷不增加而仍繼續(xù)發(fā)生明顯塑性變形的現(xiàn)象叫做屈服。產生屈服時的應力，稱屈服點或稱物理屈服強度，用S表示。在試樣拉伸到屈服點時，測力指針有明顯的抖動，可分出上、下屈服點ReH與Rel，試樣斷裂時測得拉伸強度Rm，

10、材料的 和可將試驗斷裂后的試樣拼合，測量其伸長和斷面縮小而計算出來。取原試樣標距是直徑的10倍：（：斷后伸長率；：斷面收縮率）:=（L1-L0）/L0，式中L1為試樣拉斷后測得的標距長，L0為試樣原來的標距。=（AoA1）/Ao ，式中 Ao試樣原始橫截面積，A1為縮頸處最小面積（A=D2/4）。.40Cr.、的測定mm240Cr正火（900）試樣原長L0/cm斷后長L1/cm平均Ao/mm2A1/mm2平均11012.310.23100.227378.5434.210.56440.516721012.200.220078,5438.480.510031012.31 0.231078.5441

11、.170.475840Cr中溫回火（400）試樣原長/cm斷后長度/cm平均Ao/mm2A1/mm2平均11010.640.06400.063378.5447.780.39160.398821010.660.066078.5446.570.407031010.600.060078.5447.290.397940Cr高溫回火（600）試樣原長/cm斷后長度/cm平均0.1827Ao/mm2A1/mm2平均11011.760.176078.5435.050.55370.558121011.780.178078.5435.470.548431011.940.194078.5433.590.5723結

12、論：斷面收縮率和伸長率是金屬塑形的指標，因而可以表征金屬塑性的大小。和越大，則金屬塑形越好。正因如此，從上表可得出以下結論：（1）40cr經回火后塑性提高，且回火溫度越高，塑性越好。（2）40cr正火后的塑性比低溫回火好。原因是正火得到是珠光體組織，而低溫回火的得到的是回火馬氏體。珠光體是片層狀的，主要是有鐵素體（面新結構）和滲碳體相見排布，而馬氏體的體心立方，自然珠光體的塑性比馬氏體好，從而出現(xiàn)了上表的現(xiàn)象。ReH.Rel以及Rm的測定40Cr正火（900）試樣RmReHRelRp0.216534444294332645434429425364942942643540Cr中溫回火（400）試

13、樣RmReHRelRp0.21146011401140214608558353141098598040Cr高溫回火（600）試樣RmReHRelRp0.2175052552027755555553745515510數據分析：對比40cr600高溫回火的應力-應變曲線和40cr900正火的應力-應變曲線，可發(fā)現(xiàn)900正火的應力-應變曲線形狀與600高溫回火的應力-應變曲線大致相同，但600高溫回火的40cr組織的抗拉強度比900正火的40cr組織大，且強化階段與局部塑形變形階段的抗拉強度都比900正火的40cr組織大。說明40cr材料600高溫回火得到的組織比900正火得到的組織塑韌性好。. Q

14、235Q235低溫回火（200）試樣原長L0/cm斷后長L1/cm平均Ao/mm2A1/mm2平均11012.700.27000.276778.5430.000.61800.633921012.890.289078.5426.060.668231012.710.271078.5430.190.6156Q235正火（900）試樣原長L0/cm斷后長L1/cm平均Ao/mm2A1/mm2平均11012.870.28700.289078.5429.320.62670.631221012.790.279078.5428.270.640131013.010.301078.5429.320.6267結論：

15、斷面收縮率和伸長率是金屬塑形的指標，因而可以表征金屬塑性的大小。和越大，則金屬塑形越好。正因如此，從上表可得出以下結論：Q235鋼正火塑性跟低溫回火相似。原因是Q235的含碳量在0.14-0.22之間屬于低碳鋼，而低碳鋼具有良好的塑性，只存在加工應力影響塑性，加工應力低溫回火即可消除，故正火和低溫回火的塑性差別不大。ReH.Rel以及Rm的測定Q235正火（900）試樣RmReHRelRp0.2139027227127823902852762843390279274278Q235低溫回火（200）試樣RmReHRelRp0.21418260257264542026426126984192522

16、49252數據分析：對比Q235 900正火應力-應變曲線和Q235 200低溫回火應力-應變曲線可發(fā)現(xiàn)Q235 900正火應力-應變曲線在各個階段抗拉強度都比Q235 200低溫回火應力-應變曲線大，且Q235 200低溫回火應力-應變曲線的屈服階段不明顯。說明Q235 900正火得到的組織塑韌性較好。（三）拉伸斷口分析 40Cr 200回火 40Cr 400回火 40Cr 900正火40Cr 淬火+高溫回火分析：正火冷卻速度較快，但低于臨界冷卻速度，所以還是析出先共析鐵素體和珠光體，但是冷卻速度相對退火快，所以生成的珠光體團比退火小，珠光體層片狀間距也比退火小。珠光體的力學性能和層片間距很

17、大關系，片間距小，強度高，所以相對于退火態(tài)試樣，正火試樣的屈服強度和抗拉強度值都顯得有提升，由于組織為珠光體和鐵素體，塑形仍然較好。40Cr鋼高溫回火溫度已經足夠高，到達再結晶溫度，相鐵素體在結晶，由以前馬氏體板條形狀再結晶為等軸狀，彌散細小的滲碳體才是聚集長大，金相組織為回火索氏體。這種熱處理方式又稱調制處理，得到材料綜合力學性能好，強度值和塑性配合較好，強度值相比中溫回火繼續(xù)下降，但是塑性值上升。 Q235 200端口對接 Q235 200斷口形貌 Q235 900端口對接 Q235 900斷口形貌分析：上圖兩個Q235端口對接圖片的端口都有明顯的頸縮現(xiàn)象，是由于Q235是低碳鋼，低碳鋼是

18、典型的塑性材料，拉伸時會發(fā)生屈服，會產生很大的塑性變形，斷裂前有明顯的頸縮現(xiàn)象，拉斷后斷口呈凸凹狀。而Q235 200的斷面與正應力垂直，斷口呈亮灰色，斷面平齊，無剪切唇，具有明顯的脆性斷裂特征。而Q235 900斷面不平，斷口灰暗，斷口中間有明顯的塑性斷裂特征。（4） 沖擊實驗通過對實驗數據的整理，得到下表：40Cr沖擊韌性ak實驗熱處理工藝吸收能JU平均V平均正火808480811612812淬火+低回81016117666淬火+中回10168116555淬火+高回12212111812082918486數據分析：通過對比上圖和上表中U型缺口和V型缺口數據可知：（1）U型缺口的吸收能普遍高

19、于V型缺口的吸收能。這是由于V型缺口的缺口底部形狀尖，造成工件上的應力集中，因此V型缺口的吸收能較U型缺口的吸收能低。（2）40Cr經過淬火+低溫回火和淬火+中溫回火后的吸收能較低，可以說明經過淬火和中低溫回火后，工件較其它熱處理工藝后更脆。（3）40Cr經過淬火+高溫回火后的吸收能高于退火和正火的吸收能。四光學金相分析 金相腐蝕原理：對于純金屬，腐蝕很小，但在純金屬中有第二相時，由于電位差，便會在第二相與金屬的接觸面發(fā)生電化學腐蝕，腐蝕出一個坑。在光鏡下，沒有被腐蝕的，光被完全反射回來，顯示為白色，被腐蝕的地方，光就被散射開了，亮度就很小。在視野里就形成襯度。也就是有了黑白。比如珠光體，是鐵

20、素體滲碳體片狀交互形成，所以其相界面都會被腐蝕，在光鏡下基本就成黑色（片很細），片較粗是則看得到黑白相間。 40Cr 900正火 40Cr 200低溫回火 40Cr 400中溫回火 40Cr 600高溫回火分析：正火是加熱、保溫后在空氣中冷卻, 其冷卻速度比爐冷快, 珠光體轉變溫度低, 析出的先共析鐵素體較少，珠光體數量較多(偽共析)，珠光體片間距較小。因此正火后獲得的珠光體比退火后的珠光體細,。正火后組織應為鐵素體加珠光體以及可能出現(xiàn)的魏氏組織。對比3張圖，分別是低溫、中溫、高溫回火，放大相同的倍數，可以很直觀的看出粒狀碳化物越來越多。 40Cr鋼低溫回火：與淬火相似，金相組織很類似，為回火

21、馬氏體，只是在回火時過飽和的相固溶體碳原子析出了一些。 40Cr鋼中溫回火：由于回火溫度較高，所以有足夠動力使馬氏體中c原子能夠從過飽和固溶體中析出，生成滲碳體，可以在金相圖中觀察到明顯回火托氏體，為保持馬氏體外形的鐵素體和彌散分布的極其細小的滲碳體顆粒組成的復相組織。 40Cr鋼高溫回火：回火溫度已經足夠高，到達再結晶溫度，相鐵素體在結晶，由以前馬氏體板條形狀再結晶為等軸狀，彌散細小的滲碳體才是聚集長大，金相組織為回火索氏體。 Q235 200回火 Q235 900 正火 W18Cr4V 100回火 W18Cr4V 200回火 W18Cr4V 300回火 W18Cr4V 400回火 W18C

22、r4V 500回火 W18Cr4V 550回火 W18Cr4V 600回火 W18Cr4V 700回火分析：W18Cr4V經250回火后組織如圖所示，由理論知識可知這是回火馬氏體+合金K+少量Ar。高碳鋼淬火后得到的隱針馬氏體在光學金相顯微鏡上是看不出來的，要到透射電鏡上觀察。圖中白亮部分為彌散碳化物，因為碳化物結構單一，組織均勻，不易被腐蝕，故對光反射成白色。圖中還有回火馬氏體（馬氏體內有大量孿晶，易被腐蝕從而因散射成黑色，為暗黑色基體）。高速鋼的中溫回火得到的還是回火馬氏體（因為高碳高合金鋼殘余奧氏體穩(wěn)定性很高，不喜出大量彌散的碳化物，所以得不到中低碳鋼的回火托氏體）。高速鋼經600高溫回火后得到的仍然是回火馬氏體。這一點