綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 專業(yè)綜合實(shí)踐報(bào)告學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：金屬材料科學(xué)與工程學(xué)號(hào)：18姓名：汪逸飛指導(dǎo)老師：黃維剛馮慶芬朱達(dá)川實(shí)驗(yàn)時(shí)間：.班級(jí)：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(jīng)過大三一學(xué)年的專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，使我們對(duì)專業(yè)知識(shí)有了更進(jìn)一步的的認(rèn)識(shí)。本學(xué)期通過綜合實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，使得我們對(duì)專業(yè)有了進(jìn)一步感觀上的認(rèn)識(shí)，從實(shí)驗(yàn)工藝的制定到實(shí)驗(yàn)的實(shí)施再到最后數(shù)據(jù)結(jié)果的整理與分析，培養(yǎng)了我們積極動(dòng)手的能力。 本次實(shí)驗(yàn)主要包括40Cr，W18Cr4V，Q235實(shí)驗(yàn)熱處理工藝的制定，拉伸試驗(yàn)與沖擊實(shí)驗(yàn)，力學(xué)性能的測(cè)定，以及端淬實(shí)驗(yàn)。2 熱處理工藝（一）40Cr1. 簡(jiǎn)介40Cr鋼

2、是淬透性良好的合金調(diào)質(zhì)鋼，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)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(duì)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(shí)，空

3、冷。2.3.2淬火中溫回火：加熱至450±10保溫1小時(shí)，空冷。2.3.3淬火高溫回火：加熱至600±10保溫1小時(shí)，水冷。（二）W18Cr4V1簡(jiǎn)介 W18Cr4V即常見的鎢系高速鋼，屬于萊氏體鋼，是高速鋼應(yīng)用最長(zhǎng)久的一種。和其它高速鋼一樣，常被稱為“白鋼”、“鋒鋼”或“風(fēng)鋼”（空冷即可淬火）。其化學(xué)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(fù)雜。2熱處理工藝先預(yù)熱，預(yù)熱溫度850，保溫時(shí)間系數(shù)10mi

4、n；淬火溫度1250，保溫時(shí)間系數(shù)為8min，然后油冷。測(cè)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(jìn)行下一步回火工藝，將8個(gè)試樣分成8組，分別于 100、200、300、400、500、550、600、7008個(gè)溫度下進(jìn)行回火，保溫 60 分鐘，接著空冷至室溫。最后再測(cè)定其硬度（其中對(duì)每一個(gè)試樣采集 3 個(gè)樣本點(diǎn)）。（三）Q2351.簡(jiǎn)介 Q235為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服，后面的235，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在235Mpa左右。并會(huì)隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。 Q235A，Q235B，Q235C

5、，Q235D，這是等級(jí)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(jié)構(gòu)鋼,一般稱普碳鋼，一般是不熱處理的，Q235 截面不大時(shí)，可以進(jìn)行淬火低溫回火處理。可以用于制作直徑不太大的4.8級(jí)螺栓等。另外進(jìn)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(shí)間20min，空冷。 淬火：加熱至850±10，保溫20 min，油冷。低溫回火：加熱至200，保溫1小時(shí)，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(jìn)行水冷。然后再用硬度機(jī)每間隔1.5mm測(cè)定其硬度。三.力學(xué)性能的測(cè)定及分析（一

6、）硬度實(shí)驗(yàn)1.40Cr1.1不同熱處理后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析：（1）正火比回火的硬度要低，因?yàn)榇嬖隈R氏體相變強(qiáng)化。（2 ）此數(shù)據(jù)并未區(qū)別“U”型和“V”型缺口，因?yàn)榫植咳笨诓⒉挥绊懖牧系挠捕取＃?）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，故得到以上曲線。1.2

7、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(shù)據(jù)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?yàn)殡S著溫度的升高，回火組織產(chǎn)生回火馬氏體回火索氏體+回火托氏體回火索氏體的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)分析：（1）隨著回火溫度升高，硬度普遍降低，但硬度總體維

8、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(dǎo)致。（2）300回火與400回火數(shù)據(jù)變化不明顯。出現(xiàn)的原因如下：、回火熱處理工藝不當(dāng)，溫度未嚴(yán)格控制，導(dǎo)致溫度偏高；、未將表面氧化皮打掉，所以出現(xiàn)反常；、隨機(jī)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(shí)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(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。鋼的二次硬化能力實(shí)際上僅取決于合金馬氏體二次硬化的過程：析出物的本質(zhì)和數(shù)量，而與殘留奧氏體二次

9、淬火無關(guān)。（二）拉伸試驗(yàn)本試驗(yàn)在室溫下（18滿足1035的要求）分別進(jìn)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(yàn)，結(jié)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度與塑性性能的原因。熱處理后的試樣在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)以規(guī)定的速率均勻地拉伸試樣，試驗(yàn)機(jī)可自動(dòng)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(chǎn)生屈服時(shí)的應(yīng)力，稱屈服點(diǎn)或稱物理屈服強(qiáng)度，用S表示。在試樣拉伸到屈服點(diǎn)時(shí)，測(cè)力指針有明顯的抖動(dòng)，可分出上、下屈服點(diǎn)ReH與Rel，試樣斷裂時(shí)測(cè)得拉伸強(qiáng)度Rm，材料的 和可將試驗(yàn)斷

10、裂后的試樣拼合，測(cè)量其伸長(zhǎng)和斷面縮小而計(jì)算出來。取原試樣標(biāo)距是直徑的10倍：（：斷后伸長(zhǎng)率；：斷面收縮率）:=（L1-L0）/L0，式中L1為試樣拉斷后測(cè)得的標(biāo)距長(zhǎng)，L0為試樣原來的標(biāo)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(cè)定mm240Cr正火（900）試樣原長(zhǎng)L0/cm斷后長(zhǎng)L1/cm平均Ao/mm2A1/mm2平均11012.310.23100.227378.5434.210.56440.516721012.200.220078,5438.480.510031012.31 0.231078.5441.170.47584

11、0Cr中溫回火（400）試樣原長(zhǎng)/cm斷后長(zhǎng)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(zhǎng)/cm斷后長(zhǎng)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(jié)論：斷面收縮率和伸長(zhǎng)

12、率是金屬塑形的指標(biāo)，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(jié)論：（1）40cr經(jīng)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(jié)構(gòu)）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(cè)定40Cr正火（900）試樣RmReHRelRp0.216534444294332645434429425364942942643540Cr中溫回火（400）試樣RmReHRelR

13、p0.21146011401140214608558353141098598040Cr高溫回火（600）試樣RmReHRelRp0.2175052552027755555553745515510數(shù)據(jù)分析：對(duì)比40cr600高溫回火的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和40cr900正火的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可發(fā)現(xiàn)900正火的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀與600高溫回火的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致相同，但600高溫回火的40cr組織的抗拉強(qiáng)度比900正火的40cr組織大，且強(qiáng)化階段與局部塑形變形階段的抗拉強(qiáng)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。. Q235Q235低溫回

14、火（200）試樣原長(zhǎng)L0/cm斷后長(zhǎng)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(zhǎng)L0/cm斷后長(zhǎng)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(jié)論：斷面收縮率和伸長(zhǎng)率是

15、金屬塑形的指標(biāo)，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(jié)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(yīng)力影響塑性，加工應(yīng)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(cè)定Q235正火（900）試樣RmReHRelRp0.2139027227127823902852762843390279274278Q235低溫回火（200）試樣RmReHRelRp0.2141826025726454202642612698419252249252數(shù)據(jù)分析：

16、對(duì)比Q235 900正火應(yīng)力-應(yīng)變曲線和Q235 200低溫回火應(yīng)力-應(yīng)變曲線可發(fā)現(xiàn)Q235 900正火應(yīng)力-應(yīng)變曲線在各個(gè)階段抗拉強(qiáng)度都比Q235 200低溫回火應(yīng)力-應(yīng)變曲線大，且Q235 200低溫回火應(yīng)力-應(yīng)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(duì)退火快，所以生成的珠光體團(tuán)比退火小，珠光體層片狀間距也比退火小。珠光體的力學(xué)性能和層片間距很大關(guān)系，片間距小，強(qiáng)

17、度高，所以相對(duì)于退火態(tài)試樣，正火試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(jīng)足夠高，到達(dá)再結(jié)晶溫度，相鐵素體在結(jié)晶，由以前馬氏體板條形狀再結(jié)晶為等軸狀，彌散細(xì)小的滲碳體才是聚集長(zhǎng)大，金相組織為回火索氏體。這種熱處理方式又稱調(diào)制處理，得到材料綜合力學(xué)性能好，強(qiáng)度值和塑性配合較好，強(qiáng)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(duì)接 Q235 200斷口形貌 Q235 900端口對(duì)接 Q235 900斷口形貌分析：上圖兩個(gè)Q235端口對(duì)接圖片的端口都有明顯的頸縮現(xiàn)象，是由于Q235是低碳鋼，低碳鋼是典型的塑性材料，拉伸

18、時(shí)會(huì)發(fā)生屈服，會(huì)產(chǎn)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(yīng)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(shí)驗(yàn)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，得到下表：40Cr沖擊韌性ak實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)分析：通過對(duì)比上圖和上表中U型缺口和V型缺口數(shù)據(jù)可知：（1）U型缺口的吸收能普遍高于V型缺口的吸收能。

19、這是由于V型缺口的缺口底部形狀尖，造成工件上的應(yīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(xué)金相分析 金相腐蝕原理：對(duì)于純金屬，腐蝕很小，但在純金屬中有第二相時(shí)，由于電位差，便會(huì)在第二相與金屬的接觸面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕出一個(gè)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，是鐵素體滲碳體片狀交互形

20、成，所以其相界面都會(huì)被腐蝕，在光鏡下基本就成黑色（片很細(xì)），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(zhuǎn)變溫度低, 析出的先共析鐵素體較少，珠光體數(shù)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(xì),。正火后組織應(yīng)為鐵素體加珠光體以及可能出現(xiàn)的魏氏組織。對(duì)比3張圖，分別是低溫、中溫、高溫回火，放大相同的倍數(shù)，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，為回火馬氏體，只是在回火時(shí)

21、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(dòng)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(xì)小的滲碳體顆粒組成的復(fù)相組織。 40Cr鋼高溫回火：回火溫度已經(jīng)足夠高，到達(dá)再結(jié)晶溫度，相鐵素體在結(jié)晶，由以前馬氏體板條形狀再結(jié)晶為等軸狀，彌散細(xì)小的滲碳體才是聚集長(zhǎng)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 W18Cr4V 500回火

22、W18Cr4V 550回火 W18Cr4V 600回火 W18Cr4V 700回火分析：W18Cr4V經(jīng)250回火后組織如圖所示，由理論知識(shí)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(xué)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?yàn)樘蓟锝Y(jié)構(gòu)單一，組織均勻，不易被腐蝕，故對(duì)光反射成白色。圖中還有回火馬氏體（馬氏體內(nèi)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?yàn)楦咛几吆辖痄摎堄鄪W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(jīng)600高溫回火后得到的仍然是回火馬氏體。這一點(diǎn)可