中小形变退火后410s铁素体不锈钢组织和性能的变化材料成型与控制工程专业毕业设计毕业论文

中小形变退火后410s铁素体不锈钢组织和性能的变化材料成型与控制工程专业毕业设计毕业论文内容摘要：

多研 究表明铁素体不锈钢存在奥氏体与铁素体的双相区，而奥氏体的存在对铸造、热加工塑性、冷成形性等都将产生影响。 ● 化学成份： 碳 C： ≤ 硅 Si： ≤ 锰 Mn： ≤ 硫 S： ≤ 磷 P： ≤铬 Cr： ～ 镍 Ni： 允许含有 ≤ ● 力学性能： 1)抗拉强度 σb(MPa) ： 淬火回火 ， ≥490 2)条件屈服强度 (MPa) ： 淬火回火 ， ≥345 3)伸长率 δ5( ％ )： 淬火回火 ， ≥24 4)断面收缩率 ψ( ％ )： 淬火回火 ， ≥60 5)硬度 ： 退火 ， ≤1 83HB ● 热处理规范及金相组织 ： ● 热处理规范 ： 1)退火 ,800～ 900℃ 缓冷或约 750℃ 快冷。 2)淬火 ,950～ 1000℃ 油冷。 3)回火 ,700～ 750℃ 快冷。 ● 金相组织：组织特征为马氏体型。 本课题研究的内容和方法 金属经冷塑性变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到变形前组织状态第一章 绪论 7 的倾向。 在常温下，原子扩散能力小，不稳定状态可以维持相当长时间；而加入使原子扩散能力增强，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大 [11]。 属加热时组织与性能的变化如 图 所示。 回复 ： 冷变形金属在低温加热时，其 组织变化不明显，但物理、力学性能却部分回复到冷变形以前的过程。 再结晶 ：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程，即加工硬化现象消失。 低层错能金属在结晶初始形核过程为：通过亚晶合并和亚晶长大使亚晶界和基体间的取向差增大，直至形成大角度晶界，便成为在结晶的核心；晶粒长大过程也就是晶界不断迁移合并的过程，受温度、分散相粒子、可溶性杂质和合金元素及晶粒位向差的影响。 再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶钎焊新旧晶粒的晶格类 型和成分完全相同。 退火孪晶 ：将经一定程度冷变形的金属加热到在结晶温度以上，保温一定时间，然后冷却到室温的过程。 低层错能的面心立方金属及合金（如： PbCaSnAl合金）经加工和再结晶退火后经常在再结晶退火组织中发现退火孪晶。 退火孪晶是由于新晶粒界面在推进过程中由于某些原因（如热应力等）而出现堆垛层错而形成的。 图 1. 1 冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图 本课题研究目的及意义 不锈钢的研究历史悠久，近些年来很多国家都在开发经济型铁素体不锈钢，但 是具体牌号的铁素体不锈钢的比较细致、深入的研究还是相对来说较少的。 课第一章 绪论 8 题主要针对 410S 铁素体不锈钢不同形变锻造后，通过不同时间在相同温度下退火后组织特征及其对性能影响着手研究，主要是采用金相显微镜、测量显微硬度等手段进行金相组织组成、晶粒形状、晶粒尺寸分布的定性分析，以及硬度的定量分析，来讨研究最终获得的组织及性能变化。 作为重要的工程材料，铁素体不锈钢的力学性能，尤其是强度和成型性受到其显微组织包括晶粒尺寸和晶粒取向的影响。 因此研究中小变形及退火过程中铁素体不锈钢晶粒组织的演变情况具有重要意义。 第 二 章 实验过程 9 第二章 实验过 程 实验材料与设备 实验材料 本实验所用材料为 410S 铁素体不锈钢 [12]化学成分如下图所示。 表 2. 1 410S 铁素体不锈钢的化学成分 （ wt.%） 成分 C Cr Si Mn N S P Al 含量（ %） —— 实验试剂 酒精、 高氯酸、 蒸馏水、 10%草酸。 实验设备 本论文中主要采用以下几种设备进行试样制备和对试样进行组织结构分析： 1. 线 切割机床： DK7728 型，泰州金日电子有限公司，用于从大块钢板上切取实验所需尺寸的母材。 ： MP1A型，上海金相机械设备有限公司，用来对样品进行初磨，为后续样品的抛光和腐蚀实验做准备。 系列 1300℃箱式电阻炉：额定功率 12 kw，能进行实验所要求的温度的退火。 （ OLYMPUS） GX51 金相显微镜：上海薛康光学仪器有限公司。 利用此设备进行试样金相组织的观察，并用配备的数码相机拍摄金相照片。 该设备具有较高的放大倍数 ,可对样品观察区域进行 50， 100， 200， 500 倍的放大。 微硬度计： HXD1000TMB 型，上海泰明光学仪器有限公司，用来对实验样品进行硬度测量。 ： HZC,化州华杰科技仪器有限公司，用该设备对腐蚀后的试样进行清洗，消除表面杂质对实验结果的影响。 ：用该设备对母材进行轧制，以获得需要的冷轧变形量。 ：用该设备对试样进行退火，有效防止氧化，以及可以保第 二 章 实验过程 10 证实验需要的退火时间和退火温度。 它的主要特点有： （ 1） 本设备专用于小零件等在真空状态下的退火； （ 2）炉罐密封性好，有效的避免了工件在退火处理中的表面氧化、生锈，提高了处理质量； （ 3）保温炉体可向后移动，退火完成后，在保持真空状态下提高冷却速度。 ：用于在电解抛光和蚀刻时提供稳定的电压。 ：本实验用来给配制的草酸溶液加热，从而使草酸和蒸馏水更好更快的融合。 （ XRD）：通过 X射线衍射实验数据，根据衍射线的位置（θ角），对每一条衍射线或衍射花样进行指标化，以确定晶体所属晶系。 其根据是：单晶体的形状和大小决定了衍射线条的位置，也即 2θ角的大小，而晶体中原子的排 列及数量，则决定了该衍射线条的相对强度。 基本原理是将 X 射线探测器置于符合布拉格方程的 2θ位置上，试样围绕入射点做空间旋转，使各方位的晶粒都陆续进入衍射方位（一般参与衍射的晶粒数达数千个），连续测量衍射强度。 若试样无织构，则强度不变；若试样存在织构，则强度随试样的方位而变化，衍射强度正比于发生衍射晶面的极点密度 [13]。 其它： 大小烧杯、滤纸、不同等级的砂纸、吹风机、玻璃棒， 铅板，镊子等实验常用仪器若干。 实验步骤 初始样品制备 为了使 获得的 组织更加均匀，碳化物充分溶解，同时保证晶粒不过分粗大，要进行了 一组对比试验 来确定退火时间。 现准备了 410S 材料的三个试样。 在 退火之前，要保持样品洁净，以防污脏东西附着影响最终观察的效果。 所以要将样品在由粗到细的砂纸上进行机械抛光，把样品表面处理干净。 然后保留一个试样，不作退火处理；另外两个 分别在高温箱式电阻炉中完成退火工序，退火温度设定在 1200℃， 其中一个试样 退火 5 分钟， 另一个 退火 10 分钟，然后取出空冷。 接着，为了去除表面的氧化物等，要进行机械抛光，然后在进行电解抛光和电解蚀第 二 章 实验过程 11 刻，这是为了蚀刻试样表面，去掉划痕，去掉应力层，蚀刻出晶界，能更清楚地观察到组织。 具体的处理 情况见下表。 表 2. 2 初始样品制备及状态 状态 热轧态 1200℃下退火时间 5min 10min 试样编号 1 2 3 试验方法 前期准备工序为：线切割 → 退火 → 机械抛光 → 锻造 → 线切割 → 清洗 （ 1）线切割：选用 410S 铁素体不锈钢，然后利用线切割机床，编制好程序，切割出大小形状差不多的 2 个试样，编号分别为 A 和 B。 表 2. 3 试样 A 原始尺寸 试样 B 长度（ mm） 宽度（ mm） 高度（ mm） 原 始尺寸 表 2. 4 试样 B 原始尺寸 试样 A 长度（ mm） 宽度（ mm） 高度（ mm） 原始尺寸 （ 2）退火：对试样 A 和 B 在高温箱式电阻炉上完成退火工序，退火温度设置在 1200℃，退火时间为 5 分钟，然后取出空冷至室温。 （ 3）机械抛光（粗磨）：由于切割出的试样表面有油污而且很粗糙，且有切线割条纹，所以要进行机械抛光工序。 具体做法是在 在专用的 抛光机 上进行抛光，靠极细磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。 （ 4）锻造：锻压工序在电动螺旋压力机上完成。 压力机参数具体设置如下： 表 2. 5 电动螺旋压力机参数 打击能量（ KJ） 电机打击速度（ rpm） 预选能量（ %） 打击行程（ mm） 441 10 102 试样 A 和 B 各 只 经一次锻压工序，其 试样 A 的长度变化为 → ，试样 B 宽度变化为 → 6mm。 经计算，可以得到试样 A 和 B 的锻压 压下量 和 真应变 如下表 所示。 第 二 章 实验过程 12 表 2. 6 试样 A 和 B 锻压压下量和真应变 试样编号 A B 压下量（ %） 27 真应变 （ 5）线切割：为了研究在同样变形量，而在不同时间后续退火后的组织，所以要切割出多个样品，来做对比实验。 试样 A 切成四个大小形状相似的薄片，分别编号成 A0， A1， A2， A3；试样 B 也切割成四个大小形状相似的薄片，分别编号为 B0， B1， B2， B3。 （ 6）清洗： 8 个试样表面有少量油污和线切割痕迹，所以需要在超声波清洗机上清洗，来获得干净的表面，为后续的退火做好准备。 试样 热 处理 试样热处理是在管式真空退火炉上完成的。 管式真空炉包括管式电阻炉，电炉温度控制器， ZDF2A 型复合真空计，真空机组和 ZXQZ 旋片式真空泵等设备。 其中抽真空装置由扩散泵和机械泵组成。 在进行退火之前首先要进行抽真空准备工作，抽真空时先抽机械泵中的真空，再抽装有试样的真空管中的真空，当管中的真空度小于 时即可进行退火。 将 A 组和 B 组 中 的 1 号退火时间都定为 5 分钟， 2 号退火时间 都定为 小时， 3 号退火时间都定为 1 小时，而 1 号则都作为原始试样保留，不作退火处理。 如 表 所示。 表 2. 7 试样的变形量及退火状态 形变量 原始态 退火 5min 退火 退火 1h 27% A0 A1 A2 A3 % B0 B1 B2 B3 热处理完的样品 要进行的工序是：机械抛光→电解抛光→电解蚀刻→拍摄组织图像 （ 1） 机械抛光： 金相分析用的砂纸 ，而 砂纸的分类有干磨和耐水之分 ，普通粘结剂和树脂粘结剂之分 ， 棕刚玉 ， 白刚玉 ， 碳化硅 ，锆刚玉等磨料之分。 金相专用砂纸 以精选的、粒度均匀的、磨削效果极佳 的碳化硅磨粒为磨料，采用静电植砂工艺制造出的金相专用耐水砂纸，具有磨粒分布均匀、磨削锋利、经久耐用的特点。 金相砂纸就是指那些目数极细的可以用第 二 章 实验过程 13 于抛光的砂纸，这些砂纸可以用于平整样块的表面，经过平 整后的表面就能通过金相显微镜或其它什么设备看这个样块的金相组织了，所以又叫“ 金相砂纸 ”。 按粒度分，有 100、 2 400、 600、 800、 1000、 1200和 2020等。 其中 100、 2 400可用来粗磨，而 600、 800、 1000、 1200和 2020则可用 于精磨 [14]。 （ 2）电解抛光： 电解抛光，也称作电抛光，是利用阳极在电解池中所产生的电化学溶解现象，使阳极上的微观凸起部分发生选择性溶解以形成平滑表面的方法。 在电解抛光液中，以被抛光件作为阳极，不溶性金属作为阴极， 两极之间加上电压，逐渐增大电压时，电流也相应发生变化，电解抛光的电压电流特性曲线如 图 所示。 图 2. 1 电解抛光的电压电流特性曲线 这条特性曲线可分成三段：在 AB 段，随着电压的上升，电流也按比例增加；在 BC 段，虽然电压升高，但电流保持不变；在 CD 段，电流又随电压的上升而急剧增大，由此可见，在曲线的不同阶段，阳极金属的溶解特性会发生不同的变化。 一般来说，电解抛光时选择的电流与电压应该位于 BC 段之间， BC 段因而又称为抛光段。 图 2. 2 电解抛光原理图 第 二 章 实验过程 14 电解抛光，是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果 （如 图 所示）。 外色泽一致，光泽持久，机械抛光无法抛到的凹处也可整平；生产效率高，成本低廉； 增加工件表面抗腐蚀性，可适用 于所有不锈钢材质 [15]。 所需条件及设备：电源，整流器，电极棒，冷却管，加热器，挂具，铅板，电解槽，排风装置。 （其中电源选用的是最高 30V 的 可调节直流电源， 阴极材料是铅 板，阳极材料为 410S 铁素体不锈钢。 抛光液的配制：要配制 100ml 的抛光液，先往烧杯倒入 85ml 的无水酒精，再沿着杯壁倒入 15ml 的高氯酸加以混合。 要注意高氯酸用完之后要储存在不透光的容器里，且使用时要注意良好的通风，若不小心碰触，则要用大量的清水进行冲洗至少 15 分钟。 电化学抛光时，阳极接镊子，然后用镊子夹取在无水酒精清洗并风干后的试样，放入抛光液中，抛光时间大约为 30s，抛光电压设置为电源的最大值，即 30v，电流在。