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        熱處理對(duì)鋼材組織的影響

        2018-04-26 10:32:48童遠(yuǎn)平
        科學(xué)與財(cái)富 2018年6期

        摘 要: 鋼材是我們?nèi)粘I钪薪?jīng)常用到的材料,如何充分發(fā)揮鋼材的性能以滿足實(shí)際的生產(chǎn)生活需要是我們經(jīng)常要遇到的問(wèn)題,而熱處理是我們經(jīng)常采用的提高鋼材機(jī)械力學(xué)性能的方法。那熱處理是如何達(dá)到改變鋼材料機(jī)械力學(xué)性能目的的呢?本論文對(duì)這一方面進(jìn)行一些探討。

        關(guān)鍵詞: 組織;晶粒;滲碳體;硬度;塑性

        鋼材是我們?nèi)粘I钪薪?jīng)常用到的材料,在零件的制造過(guò)程中難免要對(duì)其進(jìn)行必要的熱處理。那么熱處理對(duì)零件的組織有什么樣的影響,這些組織上的改變又是如何影響鋼材料的機(jī)械,力學(xué)性能的,這篇論文從鋼材組織的大小,分布方式,狀態(tài)對(duì)其力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析,討論。

        一組織的定義及其對(duì)鋼材料性能影響

        組織:所謂組織就是雖然構(gòu)成的物質(zhì)一模一樣,但是只要其形狀,大小,分布狀態(tài)等不一樣,就稱之為不同的組織。打個(gè)比方:立方體和球體都是由彩泥構(gòu)成,但是立方體和彩泥具有不同的物理性能,像這種情況我們就把形狀不一樣的物體稱為不同的組織。例如碳鋼當(dāng)中經(jīng)常接觸到的索氏體和屈氏體,它們的顯微組織如下圖所示:

        上圖當(dāng)中我們可以對(duì)比索氏體和屈氏體的金相顯微組織可以發(fā)現(xiàn)屈氏體的鐵素體片層和滲碳體片層比索氏體的薄。片層越薄意味著晶粒越細(xì)小,晶粒越細(xì)小表明它的機(jī)械性能,力學(xué)性能越好。這一例子說(shuō)明組織成分的厚薄粗細(xì)對(duì)鋼材料的機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

        黑色的滲碳體在上貝氏體中是處于基體鐵素體之間的,會(huì)對(duì)基體鐵素體的連續(xù)性產(chǎn)生影響,因此上貝氏體的機(jī)械性能,力學(xué)性能不好。但是在下貝氏體中滲碳體這種硬化像處于鐵素體基體內(nèi)部,因而對(duì)鐵素體基體的連續(xù)性不產(chǎn)生影響,機(jī)械性能,力學(xué)性能影響較好。這一例子說(shuō)明組織成分的分布狀態(tài)方式對(duì)鋼材料機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

        二鋼材常用熱處理對(duì)其組織的影響。

        鋼材熱處理的三步驟為加熱,保溫,冷卻。加熱的目的是為了得到奧氏體組織,使碳元素重新溶解進(jìn)入奧氏體面心晶胞內(nèi)部,為冷卻的時(shí)候碳原子重新析出做準(zhǔn)備。保溫主要是為了成分和組織均勻化。冷卻主要目的是以不同的過(guò)冷度得到不同的組織,從而達(dá)到實(shí)際的使用要求。熱處理的目的就是改變組織成分的組合方式,常見(jiàn)的有改變組織成分的粗細(xì)和組織成分的形態(tài)。一般來(lái)說(shuō)組織成分越細(xì)越好,硬化像分布的范圍越小越好。下面我們來(lái)具體看一下常用的熱處理方式得到的鋼材組織及其性能對(duì)比。

        1退火和正火

        退火是碳鋼在加熱保溫以后在爐中冷卻或埋灰冷卻,而正火是在加熱保溫以后空氣當(dāng)中冷卻。從冷卻的方式我們可以看出正火的冷卻速度比較快,因而過(guò)冷度比較大,在結(jié)晶的過(guò)程當(dāng)中同時(shí)形成的凝固核心比較多,因此正火得到的組織晶粒比較細(xì)小。下面我們看一下正火和退火得到的組織金相顯微組織:(以45號(hào)鋼材為例)

        從上面的金相顯微組織我們可以發(fā)現(xiàn)45號(hào)鋼材的正火組織比退火的要細(xì)小,晶粒越細(xì)小,材料的強(qiáng)度硬度越高,所以在熱處理過(guò)程中,我們都希望得到組織成分細(xì)小的晶粒。碳鋼的機(jī)械力學(xué)性能不僅和組織的粗細(xì)有關(guān)而且還和組織的形態(tài)有關(guān),碳鋼珠光體在經(jīng)過(guò)球化退火以后,其中的滲碳體由片狀變?yōu)榍驙?,這就大大減小了硬化像滲碳體對(duì)鐵素體的隔裂作用,不僅可以充分發(fā)揮鐵素體的連續(xù)性,提高塑形,而且可以強(qiáng)化碳鋼的強(qiáng)度和硬度。所以對(duì)于含碳量比較高的過(guò)共析鋼,尤其是存在網(wǎng)狀滲碳體的碳鋼應(yīng)該先正火消除其中的網(wǎng)狀滲碳體,在用球化退火把其中的未連接成片狀的滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睢?/p>

        2水淬和油淬

        淬火是加熱,保溫以后在水中或油中快速冷卻。因?yàn)槔鋮s速度比在空氣中冷卻的冷卻速度更加之大,以至于有些碳原子或全部碳原子來(lái)不及從體心晶胞當(dāng)中析出,碳鋼內(nèi)部只是發(fā)生了奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變(即面心晶胞像體心晶胞的轉(zhuǎn)變),但是體心晶胞不像面心晶胞一樣可以溶解大量的碳原子,導(dǎo)致大量的碳原子充斥在體心晶胞當(dāng)中,從而導(dǎo)致體心晶胞嚴(yán)重變形,形成很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化的效果。這種固溶體我們稱之為馬氏體,馬氏體硬度比較高,但是脆性比較大,在實(shí)際情況一般對(duì)鋼材淬火以后還要對(duì)其進(jìn)行必要的回火以降低硬度,提高塑形。碳鋼淬火以后得到的馬氏體形態(tài)主要與碳鋼含碳量有關(guān),但是硬度強(qiáng)化都來(lái)源于碳原子充斥于體心晶胞的固溶強(qiáng)化效果。

        從金相顯微組織我們可以發(fā)現(xiàn)低碳鋼馬氏體成板條狀,高碳鋼馬氏體成針葉狀。高碳鋼的馬氏體因?yàn)楹剂扛?,因此固溶?qiáng)化的效果明顯,硬度較高,但是脆性也大。低碳鋼因?yàn)楹剂枯^低固溶強(qiáng)化的效果不明顯,塑形韌性較好。

        碳鋼在油中淬火得到的組織得到部分馬氏體組織和部分屈氏體組織,屈氏體是片狀比較細(xì)小的珠光體組織。因此碳鋼在油中淬火得到的組織力學(xué)性能處于水淬和正火之間。

        3回火

        上面講到鋼材淬火以后一般要進(jìn)行回火處理,為什么要進(jìn)行回火處理呢?主要是通過(guò)再次加熱使體心晶胞當(dāng)中過(guò)飽和的碳原子得到能量重新新出,只不過(guò)重新析出以后的碳原子以顆粒狀的滲碳體形式存在,而不是以片狀的滲碳體存在。

        因此得到的組織機(jī)械力學(xué)性能更加之好。下面看下回火以后得到的碳鋼金相顯微組織:

        上面的金相顯微組織我們可以明顯發(fā)現(xiàn)從馬氏體當(dāng)中析出的碳原子是以顆粒狀的滲碳體形式存在的,這樣可以充分減小對(duì)鐵素體基體的隔裂作用,提高塑形韌性,同時(shí)顆粒狀的滲碳體又起到強(qiáng)化鋼材材料強(qiáng)度硬度的目的。因此一般鋼材淬火以后都要進(jìn)行回火處理。

        三總結(jié)

        從上面的分析我們可以看出鋼材的熱處理其實(shí)就是改變鋼材內(nèi)部組織成分的粗細(xì)和形狀來(lái)達(dá)到改變材料金屬力學(xué)性能的目的。說(shuō)的具體點(diǎn)就是通過(guò)一定的熱處理工藝達(dá)到改變鐵素體粗細(xì),改變滲碳體粗細(xì)或形狀來(lái)達(dá)到改變鋼材力學(xué)性能的目的。一般改變鐵素體和滲碳體的粗細(xì)我們可以通過(guò)過(guò)冷度,變質(zhì)處理,結(jié)晶過(guò)程中的振動(dòng)處理來(lái)控制。而改變滲碳體的形狀由片狀變?yōu)榍驙钗覀兛梢酝ㄟ^(guò)球化退火的球化劑或回火處理來(lái)到達(dá)目的。總之金屬外在的力學(xué)表現(xiàn)都是它內(nèi)部組織的外在表現(xiàn),正所謂“內(nèi)因起決定作用”。我們不管采用什么熱處理其本質(zhì)都是為了達(dá)到改變鐵素體或滲碳體的形態(tài),分布方式?!?/p>

        作者簡(jiǎn)介:童遠(yuǎn)平(1982年4月-),性別:男,民族:漢族,籍貫:廣東省梅州,學(xué)位:本科,單位:廣東省梅州興寧市技工學(xué)校。

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