40Cr实验.docx
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40Cr实验
40Cr钢淬火加热温度对组织
性能的影响
摘要：
本实验是首先对40Cr钢采用正火热处理；其次在不同温度下（710℃、760℃、850℃、950℃）加热淬火，淬火后测量洛氏硬度，并对硬度值进行比较分析；然后磨金相进行观察显微组织图相，对比分析淬火加热温度对材料组织性能的影响。
40Cr钢在850℃加热温度下正火，得到珠光体组织；在710℃加热温度下，得到铁素体和珠光体，此时硬度最低；在760℃加热温度下，得到奥氏体和铁素体两相组织，淬火后有铁素体和马氏体生成，硬度较前提高；在850℃加热温度下得到细小的奥氏体组织，当快速油冷后得到细小的针状马氏体和板条状马氏体组织，此组织均匀，硬度达到最大值；在930℃加热温度下有粗大马氏体组织生成，使硬度较之前温度有所降低。
关键词：
40Cr钢正火加热淬火硬度马氏体
Theinfluenceofquenchingheatingtemperatureonorganizationandpropertiesof40Crsteel
Abstract:
Inthefirstplace,thisexperimentisthe40Crsteelwillbeheatupofannealingheattreatment,secondly,the40Crsteelunderthedifferenttemperature（belowaboveAc1,Ac1+30-50℃,Ac3+30-50℃;abo40CrsteelveAc3+30-50℃）heatsupquenching,afterthequenching,surveysdegreeofhardness,thenrubsthemetallographyobservationmicrostructure,bythiscontrastiveanalysistostructurepropertyinfluence.The40Crsteeltheheatingtemperaturetheheatingtemperatureof850℃,obtainspearlite;Undertheheatingtemperatureof710℃obtainstheferriteandthepearlite,andthedegreeofhardnessisthistimelowest;Undertheheatingtemperatureof760℃obtainstheausteniteandtheferrite,afterthequenching,obtainingtheferriteandthemartensite,andthedegreeofhardnessishigherthanbefore;Undertheheatingtemperatureof850℃obtainsthetinyausteniteorganization,whenafterrapidchilling,obtainingthetinyacicularmartensiteandtheboardstripmartensite,thisorganizationiseven,anddegreeofhardnessisthehingest;Undertheheatingtemperatureof930℃,thethickmartensiteorganizationproduces,causesdegreeofhardnesstobequitelow.
Keyword:
40Crsteelannealingheatingquenchinghardnessmartensite
第一章．绪论...........................................................3
1.140Cr钢概况......................................................3
1.1.140Cr钢的组织特点及其合金元素对钢的作用...................3
1.1.240Cr钢的性能特点及其热处理工艺...........................4
第二章．实验过程......................................................5
2.1原材料及设备...................................................5
2.2实验过程.......................................................5
第三章实验结果及分析.................................................7
3.1组织分析......................................................7
3.2硬度分析....................................................11
第四章结论.........................................................12
参考文献............................................................13
第一章绪论
1.140Cr钢概况
40Cr是一种最常用的低淬透性调制钢，中碳合金钢，冷镦模具钢。
该钢价格适中，加工容易，可承受多种应力负荷，受力复杂，强度高，具有良好的综合性能，经适当的热处理以后组织均匀性好，可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。
正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。
淬火油冷后可以得到细小的马氏体组织和板条马氏体组织。
可用作重要调质件，如连杆螺栓，重要齿轮等。
1.1.140Cr钢的组织特点及其合金元素对钢的作用
1．40Cr钢的组织特点：
40Cr钢为亚共析钢，正火处理后得到片状珠光体组织，还会有部分铁素体存在；正常温度淬火后得到马氏体组织，以不同温度淬火并进行油冷得到的组织不同，温度偏低时会有部分珠光体组织，温度过高时会形成粗大的马氏体组织，转变为卫魏氏组织。
2．40Cr钢中合金元素对钢的作用：
40Cr钢中合金元素有Si，Mn，Cr，Ni，P，S等，其中Si，Mn，Cr含量较多，Ni，P，S含量较少，对钢的组织性能有一定的影响。
表1.140Cr钢中合金元素含量表：
钢牌号
C
Si
Mn
Cr
Ni
P
S
Cu
40Cr
0.37~0.44
0.17~0.37
0.50~0.80
0.80~1.10
小于0.030
小于0.035
小于0.035
小于0.030
①铬（Cr）：
在结构钢40Cr中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。
②硅（Si）：
在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。
硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。
在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。
硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
③锰（Mn）：
在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。
在钢中加入0.70%以上时，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
④磷（P）：
在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
⑤硫（S）：
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%。
⑥镍（Ni）：
镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。
镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。
1.1.240Cr钢的性能特点及其热处理工艺
1．40Cr钢的性能特点：
40Cr钢加工容易，可承受多种应力负荷，受力复杂，强度高，具有良好的综合性能，经适当的热处理以后组织均匀性好，可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。
正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。
2．40Cr钢的热处理工艺：
1．正火工艺图：
温度
850℃
30min空冷
时间
图1.1850℃正火工艺
2．淬火工艺图：
温度
850℃
40min油冷
图1.2850℃淬火工艺
第二章实验过程
2.1实验材料及设备
实验材料为40Cr钢试样5个。
实验设备主要有热处理炉、洛氏硬度计、金相显微镜、抛光机、淬火用油槽、照相设备等。
2.2实验过程
1.取40Cr钢试样5个，分别标号1、2、3、4、5，进行正火预备热处理，正火温度850℃，保温30min,然后空冷。
2.将其中正火后的2、3、4、5号试样进行不同温度的淬火处理，处理工艺如表格2.1：
表2.1
试样标号
淬火温度℃
保温时间min
冷却方式
2
710
40
油冷
3
760
40
油冷
4
850
40
油冷
5
950
60
油冷
其热处理工艺图如下：
2号试样：
温度
710℃
40min油冷
时间
图2.1710℃淬火工艺
3号试样：
温度
760℃
40min油冷
时间
图2.2760℃淬火工艺
4号试样：
温度
850℃
40min油冷
时间
图2.3850℃淬火工艺
5号试样：
温度
950℃
60min油冷
时间
图2.4950℃淬火工艺
3.取处理后的5个试样粗略打磨，分别测量其洛氏硬度，记录并比较分析。
4.分别将5个试样用不同型号砂纸打磨，抛光，腐蚀，烘干，然后观察金相组织，拍摄金相相片，进行比较分析。
第三章实验结果及分析
3.1组织分析
1.850℃正火后的金相组织
图3.1850℃加热正火合金的显微组织
分析：
从金相照片观察，正火空冷后得到珠光体组织，为片状珠光体，还含有白色的铁素体组织。
正火时冷却，先共析产物（铁素体，渗碳体）不能充分析出，先共析相的数量较少，珠光体数量较多，珠光体片间距较小。
图中可看到清晰的间距小的珠光体组织，由于试样打磨不平，金相照片出现较虚的情况，给分析带来一定不便。
正火是材料的预备热处理工艺，用来降低硬度，便于切削加工，消除热加工后的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做准备。
2.710℃淬火后的金相组织：
图3.2710℃加热淬火合金的显微组织
分析：
与上一图没有太大的区别，金相组织也是珠光体组织和少量的铁素体组织。
淬火温度为710℃，比临界淬火温度低很多，不能得到理想的淬火组织，由相图可知710℃下还没有进入奥氏体相区，珠光体没有转变为奥氏体，就无法转变为马氏体，所以不会出现马氏体组织。
此钢为亚共析钢，其含碳量小于0.77℅，所以有一部分铁素体存在。
3.760℃淬火后的金相组织：
图3.3760℃加热淬火合金的显微组织
分析：
如图，可以观察到此淬火温度下形成马氏体和铁素体组织，在针状马氏体之间白色的铁素体存在。
760℃并没有达到正常淬火温度，加热后转变为铁素体和奥氏体，油冷得到组织为铁素体和马氏体。
此时的材料性能不能达到要求，不是理想状态。
4.850℃淬火后的金相组织
图3.4850℃加热淬火合金的显微组织
分析：
850℃是40Cr钢正常的淬火温度，得到的组织有针状的马氏体和板条马氏体。
这是淬火的最佳状态，由于得到的组织是马氏体，此时40Cr钢具有良好的机械性能，强度和硬度都达到要求，韧性也合格，综合性能很好。
5.950℃淬火后的金相组织：
图3.5950℃加热淬火合金的显微组织
分析：
马氏体是过饱和固溶体，950℃淬火时，由于温度过热得到粗大的马氏体组织，针叶细长，排列方向性明显，图中可以看到清楚的针状马氏体，还有白色的残余奥氏体分布在马氏体之间。
很高温度淬火容易造成工件变形，甚至开裂，冲击韧性很低。
粗大的马氏体是材料的机械强度降低，韧性降低。
此淬火温度不适宜，无法得到正常的马氏体，材料经此处理后并不具备良好的机械性能和使用性能。
3.2硬度分析
五个试样的洛氏硬度值测试如下表3.1：
表3.1
试样标号
1（正火）
2（710℃）
3（760℃）
4（850℃）
5（950℃）
硬度值（HRC）
15
13
53
57
43
硬度分布曲线如图3.6：
图3.640Cr钢淬火温度与硬度关系曲线图
分析：
只有850℃时40Cr钢的硬度值达到了要求，不同的淬火温度得到的硬度值有一定区别。
40Cr钢710℃淬火时，淬火加热温度低，亚共析钢中的铁素体未全部溶入奥氏体总中，有残留下来的铁素体，很软，所以硬度值很低。
760℃淬火时，其淬火组织虽然有部分马氏体，但也有很多铁素体，影响其硬度值，所以硬度有所提高，但不能达到要求。
没有在要求的淬火温度范围内进行正常热处理，最终造成零件加热不均匀，成分差异以及组织变化不同，冷去后组织中残留许多碳化物和合金碳化物等，使得整体硬度不一致。
850℃淬火是在Ac3以上30~50℃的区间内进行，是其的淬火最佳温度，由于得到的全是马氏体组织，马氏体的硬度高，所以此时的硬度值最高。
950℃淬火后得到的组织中有残余奥氏体存在，这种组织软、韧、黏，所以其硬度值有所下降。
第四章结论
结论：
本次实验通过对40Cr钢进行不同温度的淬火，并分析其淬火组织及硬度变化区别，我掌握了很多专业知识。
以前都是从书本上学习理论，这次亲手设计并实验的过程中，对一些组织和性能有了更深的了解。
知道了淬火加热温度对组织性能变化的影响，不同温度得到不同的组织。
钢的原始组织是球状珠光体，由于球状接触面积小，铬阻碍碳的扩散，其本身扩散速度较慢，加热温度应选择上限，否则球状渗碳体很难内完全溶解而被保留下来，造成淬火后硬度和强度下降，证明合金元素对钢的性能起很大作用。
在实验进行热处理时，注意冷却的及时性，冷去速回对实验结果有影响。
在磨金相是，不同的砂纸型号打磨时用力的程度是不同的，以免产生划痕。
抛光也不能用太大劲，腐蚀要注意腐蚀速度，腐蚀严重或腐蚀太轻都无法观察金相组织，要严格控制腐蚀程度。
当然实验也不是很容易成功，会有很多因素影响实验结果，尽量做得仔细会避免很多错误。
本次实验是我觉得材料世界很神奇，金相照片里的组织形态展现给我们的是材料不同的性能。
我会继续努力，争取可以学到更多知识，把理论应用于实践中，希望会收获更多。
参考文献：
[1]崔忠圻《金属学与热处理原理》[M]哈尔滨工业大学出版社2000
[2]胡光立，谢希文《钢的热处理（原理和工艺）》[M]西北工业大学出版社2004.9
[3]陈惠芬《金属学与热处理》[M]冶金工业出版社2009.2
[4]刘爱国《材料科学与工程专业英语》[M]哈尔滨工业大学出版社2007.10
[5]王忠诚《热处理常见缺陷分析与对策》[M]化学工业出版社2007.9
[6]张廷楷、高家诚、冯大碧《金属学及热处理实验指导书》[M]重庆大学出版社1998.7
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