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数量:16 (2)提高碳钢的力学性能(AISI 1040)热处理工艺进行了优化
收到日期:2018年5月11日,接受日期:2018年6月13日发表日期:2018年6月20日
引用:Alrashdan KR Ali FA Khedr MMA。提高碳钢的力学性能(AISI 1040)热处理工艺进行了优化。垫Sci印第安纳j . 2018; 16 (2): 131
文摘
本研究旨在提高碳钢的力学性能(AISI 1040)的优化和控制热处理过程。众所周知,一些机械性能如硬度和韧性是逆相关的。因此,工作的目标目标是找到最好的热处理对碳钢的优化组合抗拉强度、硬度和韧性。实验样品标本(108)准备和分成四组进行不同的热处理条件和不同的机械测试。组织的力学性能进行评估后进行比较和分析一系列热处理过程。程序开始通过加热860°C的标本变硬的碳钢,然后淬火油或水,下一个在几个回火温度回火过程进行。发现淬火剂和回火温度对力学性能有相当大的影响,最优参数依赖的属性优先。
关键字
热处理;碳钢;机械性能;淬火剂
介绍
今天的许多行业中,钢铁行业是其支柱产业,据报道,碳钢占世界上超过85%的钢铁产量(1),这使得它最广泛的一种钢广泛用于工业。这是因为它的可用性、成本效益和优越的机械性能,可以利用简单的管理化学成分,主要是碳含量,通过控制的热处理对其力学性能有很大的影响。碳钢是定义良好的指示系统开发的汽车工程师协会(SAE)和美国钢铁协会(AISI) (2]。每个通用类分成很多小组,每个年级。特定等级的碳和合金钢指定由一个四位数AISI / SAE的数值指标体系揭示了其品位,基于标准的化学成分(AISI 1040)。中碳钢中的碳含量在0.31 - 0.60%的范围和锰从0.60到1.65%。由于碳含量增加,中碳钢可用于调质条件。这些钢广泛应用于制造轴、轴、齿轮、曲轴、联轴器和锻件。碳钢碳含量为0.40 - 0.60% C也用于rails,铁路车轮和铁路轴(3]。
热处理中扮演着重要的角色在提高碳钢的力学特性从而提高其性能(4]。因此,项目报告的主要目的是发现和评估最有效的符合美国钢铁协会的1040碳钢热处理,以获得最优组合的抗拉强度、硬度和冲击强度属性。众所周知,提高力学性能可能缩减一些其他人,如拉伸强度和冲击强度。提出了热处理过程预计将有一个重要的好处,因为它提高了力学性能没有减少。本研究的目的是建立科学程序序列合适的热处理来提高特定等级的碳钢的力学性能,拉伸和冲击强度性能的优化组合和应用在不同的应用程序,并使用相同的程序。这个过程将主要用于要求高的零件生产压力电阻和高磨损的应用程序,如汽车零部件,渗碳零件,衬套,机械组件,石油钻机配件、采矿设备、轴系、齿轮空白,铁路配件和弹簧,焊接领域。
根据其和Rethwisch [5),一个铁碳相图可以说明包含6.67%的铁碳合金体系的碳,披露阶段的作品连同转换发生在合金的冷却或加热。钢的力学性能主要受其碳含量的影响。因此,碳钢定义的基础上他们的碳含量。碳钢材总高达2%的合金元素可分为低,中,高,超高碳钢(1]。除了他们的碳含量,热处理是另一个方法来提高碳钢的力学性能。热处理是指控制加热和冷却的金属来改变他们的物理和机械性能6]。它由加热,保持,然后冷却到室温的材料。有时候不经意间完成,由于制造过程导致当地海拔的金属温度,如焊接、切割或形成。热处理通常是为了提高金属的机械性能。然而,它也可以用来调节某些可制造性目标如改善切削加工性能,成型性能和延性冷加工后恢复过程(7]。
方法和材料
材料
碳钢与下面的化学成分(符合美国钢铁协会的1040表1)和力学性能(表2)。
| 元素 | 碳,C % | 锰、锰% | 磷、P % | 硫磺,S % | 硅、硅% |
|---|---|---|---|---|---|
| 百分比 | 0.4 | 0.75 | 0.04 | 0.04 | 0.35 |
表1。化学成分符合美国钢铁协会的1040年收到的供应商。
| 收到AISI 1040钢的标准化测试 | 屈服强度 (MPa) |
极限抗拉 强度(MPa) |
伸长 (%) |
横截面 减少(%) |
硬度 (HRB) |
影响 能源(J) |
| 371.25 | 541.75 | 15.5 | 35 | 96年 | 47.45 |
表2。的意思是测试机械性能符合美国钢铁协会的1040钢作为收到的供应商(A组)。
制备的标本
108(一百零八)标本的中碳钢符合美国钢铁协会的1040是准备和准确处理加工产生拉伸,影响和硬度标本为每个测试根据标准规范。标本被分成四组(A, B, C, D)包含三个标本作为每批测试。每一批的平均结果然后被为每个后续测试。
小组由9个标本材料从供应商收到(归一化条件;细晶粒)没有任何热处理。这些被分成三批拉伸、硬度和冲击测试。
B组由九个标本是在水处理和淬火硬化后进行测试。这些标本也分为三个批次拉伸、硬度和冲击测试。
C组由45标本分为五批拉伸,淬火后硬度和冲击测试,过程和在水中淬火。然后他们被接受为淬火回火过程标本重新加热到五个不同的温度。
D组由45标本分为五批强度,硬度和冲击测试,后硬化过程和淬火油。然后他们被接受由重新加热淬火回火过程的样本在同一五个不同的温度。
所有的碳钢符合美国钢铁协会的1040标本加工和加工拉伸、冲击和硬度测试根据标准规范。拉伸试验的图1根据ASTM E8 / E8M [8),标本维D = 12.5毫米,G = 62.5±0.1毫米,切割位置的标本是沿着纵轴的原始材料杆。冲击试验,根据ASTM E23 [9),试样尺寸所示图2标本方向是沿着制造年产粗钢杆的轴有croos 10 x10 mm的部分。进行硬度试验,制备对ASTM E18-05 [10)如图2和样本准备削减钢拉杆和横截面垂直于纵轴。
图1:拉伸试样根据ASTM E8 / E8M-09 [8]。
符合美国钢铁协会的1040钢的硬化
所有的钢铁标本形式规范化的细粒度(约50%的铁素体和珠光体结构50%)。组B, C和D都加热到860°C,并维持在该温度为120分钟浸泡时间对试样的质量因素,炉内(热处理炉:模型斯皮罗小卡,McEnglevan 1200°C)。就在这一时期发生奥氏体转变,钢的晶格结构更改面心立方(FCC)均匀成分(γ)。标本快速淬火分别在两个不同的淬火剂、水和油,所示表3。非扩散固态转换发生导致不稳定的马氏体阶段,由于钢结构变化从一个面心立方(FCC)(γ)体心正方(BCT)。马氏体是脆弱的,困难的,低韧性和低延性,高度强调,残留奥氏体(γ)阶段。
| A组 | B组 | C组 | D组 | |
|---|---|---|---|---|
| 数量的样本 | 9 | 9 | 45 | 45 |
| 淬火剂 | 没有硬化 | 水 | 水 | 石油 |
| 回火温度 | - - - - - - - - - - - - | - - - - - - - - - - - - | 205、315、425、535和645°C | 205、315、425、535和 645°C |
表3。淬火和回火温度。
回火过程
回火的过程涉及到控制加热之前淬火钢的标本(C和D组)在205年,315年,425年、535年和645年分别°C。每一批标本浸泡时间举行的90分钟在这些温度。马氏体的结构是不稳定的:碳原子扩散从马氏体形成碳化物沉淀和并发铁素体和渗碳体的形成。这个过程允许减少硬度微观结构修改所需的水平,同时增加韧性和延展性。
结果与讨论
1。B组;以下结果来自拉伸、硬度、和影响测试,表4。
| 屈服强度 (MPa) |
极限抗拉强度 (MPa) |
伸长 (%) |
减少截面(%) | 人权组织 | 影响能源(J) |
|---|---|---|---|---|---|
| 374年 | 589.5 | 28 | 53.6 | 58 | 39 |
表4。意味着结果强度、洛氏硬度和夏比冲击试验后,B组硬化过程。
2。C组;以下结果的强度,硬度,和影响测试后的样品批次回火过程(见表5)。
| 回火温度(°C) | 屈服强度(MPa) | 极限抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) | 减少截面(%) | HRB | 影响能源(J) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 205年 | 662.3 | 896.3 | 16.6 | 45.4 | 117年 | 70.5 |
| 315年 | 648.8 | 889.3 | 18.2 | 52.2 | 114年 | 62.5 |
| 425年 | 634.2 | 841.2 | 21.4 | 57.2 | 109年 | 79.9 |
| 535年 | 593.4 | 779.4 | 23.7 | 61.5 | 102年 | 100.7 |
| 645年 | 496.5 | 669.7 | 28.8 | 68.5 | 93年 | 114.1 |
表5所示。意味着结果拉伸、硬度和冲击测试组C后回火过程。
3所示。D组;以下结果的强度,硬度,和影响测试后的样品批次回火过程(见表6)。
| 回火温度(°C) | 屈服强度(MPa) | 极限抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) | 减少截面(%) | HRB | 影响能源(J) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 205年 | 593.6 | 779.2 | 19.4 | 48.5 | 93年 | 81.8 |
| 315年 | 589.5 | 777.5 | 20.6 | 53.4 | 91年 | 72.5 |
| 425年 | 552.3 | 768.4 | 21.2 | 54.3 | 86年 | 82.4 |
| 535年 | 490.5 | 717.4 | 27.5 | 57.5 | 82年 | 103.5 |
| 645年 | 434.4 | 634.4 | 29.4 | 65.6 | 80年 | 120.7 |
表6所示。意味着结果拉伸、硬度和冲击测试组D后回火过程。
归一化的初始结构符合美国钢铁协会的1040碳钢由铁素体(α)和珍珠岩细粒度。实现均匀奥氏体结构(FCCγ阶段)加热时高于其上临界温度(860°C)和举行了120分钟(浸泡时间一般为30分钟计算每25.4毫米2横截面面积)(Verhoeven [3])。快速淬火水和油分别作为FCC导致马氏体反应发生奥氏体转变的旅级战斗队(体心正方)是脆弱的,努力,低韧性和低延性,高度强调,残留奥氏体(γ)阶段时在水中淬火。表4显示了B组的洛氏硬度结果淬火剂的水和标本没有缓和。水淬火创建一个过饱和固溶体与碳含量,增加职位空缺淬火标本。因此,高硬度与抗滑移和位错。钢的硬度增加迅速马氏体比例增加;这是最常见的一种方法,加强钢铁和骨折能源测量的三个标本测试记录的39-40 j .油淬火,然而,产生马氏体和贝氏体结构与硬度和韧性更少。
图3显示了产量和极限抗拉强度的水和油淬火组织后回火过程。它显示在上面的图,回火温度每增加产量和终极实力下降。
图3:产量和回火处理后抗拉强度。
获得更高的硬度值,当淬火剂是水比油,如所示图4。水是一种最有效的淬火媒体如果最大硬度是必需的,但它可能导致文章被扭曲和破碎。硬度可以牺牲的地方,可以使用矿物油。矿物油的传热率远低于在水里,因此实现较慢的冷却速率。因此结果获得铁素体和贝氏体结构。静水的平均冷却速率约为100°,仍然石油的平均冷却速度是40°C / S,而静水的严重程度是3,而仍然油约为0.25相比,水。冷却的速率的差异似乎导致的相结构变化的钢。硬度增加而增加冷却速率由于马氏体相的增加在整个结构2]。
图4:洛氏硬度后回火过程。
硬度和冲击能源回火温度的函数(见图5和6),它已被证明,硬度降低随着回火温度的增加,由于马氏体的分解和渗碳体碳化物的沉淀。此外,一般韧性增加,直到达到一个最小值回火温度为315°C。这种现象是两组所示,水和油作为淬火剂。这种现象的影响能源集中在温度从260到360°C称为回火马氏体脆(时差)。这样的改变的影响能源是由残留奥氏体向马氏体的转变。指出,高硬度值达到以水为淬火剂但更好的韧性值时观察到的石油被用来作为淬火介质。
图5:影响能源和洛氏硬度组(C)。
图6:影响能源和洛氏硬度组(D)。
回火过程
马氏体不达到平衡或亚稳相。回火的转换是一个扩散过程取决于温度和时间。如果下面加热淬火钢AC1(奥氏体的温度加热期间开始的形式),热力学稳定阶段,铁素体和渗碳体相沉淀阶段,瞬间发生马氏体的分解,使强度和硬度下降,而延性增加,和冲击性能提高。在低回火温度、马氏体可能形成两个过渡阶段,低碳马氏体和一个非常好的非平衡ε碳化物铁2.4C(ε)。钢仍强,脆弱,比以前更努力回火。在较高的回火温度稳定的铁素体和铁3C、形式和钢韧性增强。如果下面的钢回火只是Ac1,渗碳体Fe3C变得很粗,弥散强化效果大大降低。结果两批的再热硬化标本,与水和其它油淬,回火过程温度205,315,425,535,645°C所示表4一批,表5对于其他。
使用图表的奥氏体等温转变为纯碳分解产品钢淬火和举行各种温度低于A1(共析温度)可以解释力学性能的变化由于0.4% C钢结构的变化和在不同温度回火阶段的现象。拉伸力学性能获得测试样本,在回火硬度和冲击测试温度205,315,425,535,645°C所示表4一批,表5另一方面,和无花果。3 - 6。
不同的热处理场景导致各种组合o f增强机械性能。淬火剂和回火温度有显著影响符合美国钢铁协会的1040钢的力学性能。一般来说,较高的回火温度增加韧性和降低硬度和终极和屈服强度的优势。较低的回火温度低于320°C对硬度和韧性有负面影响,以及产量和极限抗拉强度。硬度和强度优先时,建议使用水作为淬火剂和较低的回火温度,但韧性优先时,油淬火剂比,较高的回火温度。
作者的贡献
a Fouad Ali的构思和设计实验;哈立德·r·Alrashdan和Mohey Aldeen m . Khedr分析数据;哈立德·r·Alrashdan进行实验分析;哈立德·r·Alrashdan a Fouad Ali, Mohey Aldeen m . Khedr贡献文献综述,讨论和写论文。
利益冲突:作者宣称没有利益冲突。
引用
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