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1、大型锻件的均匀性研究,材料成型及控制工程0916150108 曹玄扬指导老师：樊新民,研究背景及目的,40CrNiMo是常用的一类优质调质钢材料，制作爬升齿轮时，由于本身的尺寸限制，造成锻压力分布的不均匀，锻后组织常以不均匀的形态分布，导致锻件质量不能达标，影响整体锻件质量。课题通过对锻后爬升齿轮上不同圆周部位的组织均匀性进行对比研究，讨论了其对产品质量和力学性能的影响。,论文的结构和主要内容,第一部分 锻造工艺简介第二部分 力学性能结果分析第三部分 金相组织观察分析第四部分 全文总结,第一部分 锻压工艺简介,爬升齿轮的整个锻压工艺分为加热锻压热装炉热处理测试粗车探伤检测等工序。,图1.1 爬
2、升齿轮锻前加热工艺路线,图1.2 爬升齿轮锻后热处理工艺路线,图1.3 爬升齿轮粗车的尺寸要求,经粗车后的锻件按要求分别在大圆表层、芯部，小圆中间部分切取所需试样，进行冲击和拉伸实验。,第二部分 力学性能测试,拉伸试样按照国标GB/T228的标准，直径选取为D0=10mm，标距L0=50mm，拉伸速度2mm/min，即L0=5D0。分别测定每组试样的屈服强度、极限拉伸强度、延伸率、断面收缩 率等参数，结果如表2.1。,表2.1 拉伸试验,1 拉伸试验,图2.1 拉伸试样的应力-应变曲线,从图中可以看出，锻件芯部与表层的屈服强度和抗拉强度并没有太大的差异，芯部的塑性略有降低，但程度不大。,2 冲
3、击试验,冲击试样按照GB/2975 的标准进行加工，尺寸为10mm10mm55mm，试验在常温下进行，先将试样加工成缺口深度为2mm的夏比U型缺口标准冲击试样。冲击值如表3.2所示。,表2.2 试样的冲击功,冲击断口,断口分析,从图中可以看出，三个试样的整个断面都被结晶区覆盖，无明显的放射区，这也说明了爬升齿轮粗车后的冲击功低。1#大圆芯部试样较2#大圆表层试样和3#小圆中部试样剪切唇面积小，整个断面平整，无韧窝状，从这亦可看出1#小圆中部试样冲击韧性最差。2#和3#仍是延性断口，出现明显韧窝，但整体冲击功并不高。大圆心部的冲击性能相对表面下降幅度较大，这归根到底还是由金属内部组织不均匀的原因
4、导致的，心部性能大幅度下降的原因，主要是锻件中心偏析带组织与铁素体+珠光体颗粒的晶粒尺寸不均匀引起的。,第四部分 金相组织观察,在不同的部位各选取一个冲击样，经过打磨抛光，用4%硝酸酒精腐蚀后，拍取的金相下如图,从图中可以看出，40CrNiMo钢锻后的金相组织混晶现象特别明显，且组织分为两种形态，其中一种为正常的铁素体+珠光体，通过锻件锻后的热处理工艺可以看出，锻后组织一部分为正火态。图中的黑色偏析带则是另一部分，其组织显示为回火索氏体,在热处理最后阶段650回火后出现。图2#中铁素体较3#与1#中小且成均态分布，通过几组不同视场的统计，大圆芯部组织中回火索氏体占整个视场的比例约为50%，大圆
5、边上组织中回火索氏体也占50%，小圆中部回火索氏体则只占有30%。,各部分的回火索氏体组织,一般认为黑色偏析带组织出现的主要原因是由于应力场和化学元素的不均匀分布，导致高温奥氏体化过程中，奥氏体中的合金元素含量将不均匀分布，使其晶粒长大倾向不一。碳化物形成元素富集区易残留未溶碳化物和降低碳原子扩散速度而抑制晶粒长大，贫化区晶粒则易长大。易出现混晶组织。如果能使晶体内的碳趋于均匀化，且采用较快的冷却速度，使过冷奥氏体在较低温度下转变碳不能充分扩散到碳化物形成元素富化区，便可减少黑色偏析带组织的分布。所以，因为大圆表层应力场较之芯部的应力场比较强且均匀，冷却相对较快，所获能量高，晶粒形核较多，相对
6、来说会呈现比较均匀的组织形态。,晶粒度测定实验 用过饱和苦味酸加少量十二基烷基苯磺酸钠腐蚀剂腐蚀以显示40CrNiMo钢锻后回火索氏体组织的晶粒晶界，在金相显微镜上观察组织如下图,图1中可以看出40CrNiMo钢锻后芯部组织晶粒尺寸大小分布很不均匀，其晶粒直径分布在几m到几十m不等,出现混晶现象。经过截直线法计算出平均晶粒直径为32m，其中在30m 以上的晶粒占到20%。图2中组织晶粒大小相对1图来说比较均匀，且更加细小，尺寸分布在10-30m的晶粒占视场中70%，平均晶粒直径为25m。3图中的组织晶粒大小介于1图与2图之间，平均晶粒尺寸为29m，组织也不是很均匀，出现混晶现象，最大晶粒尺寸达
7、到48m。,热锻过程中大圆表层温度高,变形程度大,热锻后爬升齿轮表层温度下降较快,晶粒生长时间比较短,不易出现过分长大的晶粒,因此40CrNiMo钢爬升齿轮表层晶粒比较均匀。在锻件加热过程中大圆芯部应变相对低于表面的应变,动态再结晶过程中晶界的迁移容易导致固溶碳原子留在晶粒边界处,造成固溶碳碳原子的集中和不均匀性。加之热锻后冷却过程厚度方向存在温差,齿轮轴心部温度下降较慢,在表层晶粒停止生长后,在心部由于固溶碳原子及渗碳体的分布不均匀,部分碳含量较小的区域晶粒会继续长大,而部分区域晶粒由于固溶碳及渗碳体的的阻碍作用很难长大,形成1#大圆芯部试样与3#小圆芯部试样晶粒的混晶现象。,不同组织的硬度
8、分析,为了进一步探究锻后组织对锻件质量的影响，通过显微镜找取三种不同类型试样中的金相组织进行硬度测量，每种试样的同种组织部位都选择3个点进行测定，然后取平均值，见表4.1所示。,表4.1 不同组织形貌的硬度值（HV）,铁素体+珠光体 压痕,过渡区压痕,深层回火珠光体压痕,自由锻工艺采用镦粗与拔长结合，在镦粗过程中产生大量的位错，使得锻件内部的纤维交错、位错塞积更加严重，使得变形难以进行，变形抗力显著升高，锻件表层的应力、应变场相对芯部与小圆中部更加复杂，使得位错更多，硬度值也最高。,第四部分 全文总结,锻件中由于偏析组织的存在，导致锻件抗拉强度、屈服强度较低，特别是冲击韧性的下降。锻后热处理调质完后有回火索氏体组织存在于黑色偏析带中，且表层组织晶粒细小均匀，芯部组织晶粒粗细不均，出现混晶现象。锻件表层的应力、应变场相对芯部与小圆中部更加复杂，硬度值也最高。制定更好的工艺使得锻件组织更加均匀细小是保证大型锻件锻造质量的主要研究方向。,致谢,大学本科的学习生活即将结束。在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够顺利完成，要特别感谢我的指导老师樊新民老师，也感谢材料院各位老师的关心和帮助。最后向所有关心和帮助过我的人表示真心的感谢。,
