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1、实验八 弹簧钢的组织观察与检验(验证性)一、实验目的及要求1. 掌握弹簧钢的金相检验方法。2. 正确分析弹簧钢的各种常见组织和缺陷。二、实验原理弹簧钢是用于制造各种弹性元件的专用结构钢，具有弹性极限高，足够的韧性、塑性和较高的疲劳强度。弹簧钢中参加的合金元素主要有硅和氤目的是为提高淬透性。目前，我国生产的弹簧钢主要有碳素钢、镒钢、硅镒钢、铭硅钢、铭合金钢等几类。(1) 碳素弹簧钢碳素弹簧钢 3 (C)在0.6%0.9%之间，热处理后可以得到高的强度，且具有适当的塑 性和韧性。由于碳素钢的淬透性较差，故只能用于制造小尺寸的板簧或螺旋弹簧，热处理后的组织为回火托氏体。细小的弹簧钢带及钢丝常用来制造
2、钟表、仪器及阀门上的弹簧。这类冷拉钢丝需经过特殊工艺处理(铅浴等温淬火)，即通过920C加热拉伸或轧制后，在 420550 C铅浴中等温 淬火，再经冷拉，其总变形量可达85%90%,而且不引起断裂。通过二次强化处理的钢丝，其抗拉强度可达 21562450N/mm2。它的组织是沿拉伸方向分布的纤维状回火索氏体及托 氏体。应用这种钢材制成的弹簧，一般先经冷缠成形，然后再200300 C加热回火消除内应力，使之定形，称之为定形处理。(2) 镒弹簧钢这类钢与碳钢相比，优点是淬透性和强度比拟高，但比硅镒钢的强度和弹性极限要低， 同时屈强比也小。镒钢外表脱碳倾向小， 缺点是有过热敏感性和回火脆性，淬火时容
3、易开裂。这类钢用于绕制截面较小的弹簧。(3) 硅镒弹簧钢钢中参加硅可以显著的提高弹性极限和屈强比。硅能缩小丫区，提高A3和Ai点，使共析点S移向低碳部位。同时硅能提高淬透性，使Ms点降低。含硅弹簧钢要求高的淬火温度和退火温度。由于这类钢的珠光体转变在较高温度下进行，所以在一般的退火条件下，可获得较细的珠光体。硅能产生固溶强化作用，可显著的提高钢的强度和硬度。同时硅还能降低碳在铁素体中的扩散速度，使马氏体在回火时能延缓碳化物的析出和聚集长大，从而增加了淬火钢的耐回火性。 硅又是强烈的促进石墨化的元素，故这类钢容易在退火过程中发生石墨化现象。同时这类钢加热时的脱碳倾向较大，钢中的含硅量过高， 易生
4、成硅酸盐夹杂物。在钢中同时参加硅和镒元素，可以发挥各自优点，减少彼此的缺点，因此硅镒弹簧钢得到了广 泛的应用。在硅镒钢的根底上，参加鸨元素，可显著提高硅镒钢的淬透性，65Si2MnWA钢的直径达50mm的弹簧可在油中淬透。同时由于鸨元素的参加，形成鸨的碳化物，从而阻碍淬火 加热时奥氏体晶粒的长大，在较高温度下淬火仍可获得细小的显微组织，从而明显的提高弹簧的综合力学性能。(4) 硅铭弹簧钢在硅钢中参加铭和钮元素(60Si2CrVA钢)，使钢能获得较高的淬透性，能使50mm弹簧在油中可淬透，同时又因铭和钮的碳化物能阻止奥氏体晶粒的长大，所以这类钢的过热 敏感性及脱碳倾向均较小。这类钢与60Si2M
5、n钢的塑性相近时，其强度和屈服点比 60Si2Mn 钢高。在硬度相同的情况下，冲击韧度较好。鉴于这类钢耐回火性高，力学性能比拟稳定， 因此适用于制造300350 C范围内使用的耐热弹簧及承受冲击应力的弹簧。(5)铭合金弹簧钢50CrVA钢是典型的气阀弹簧钢，直径为3040mm气阀弹簧能在油中淬透。为使50CrVA钢具有良好的塑性和冲击韧度，其含碳量较60Si2Mn钢为低。铭元素除能提高淬透性和形成合金碳化物，同时还能降低碳在a-Fe中的扩散速度，提高了钢的耐回火性，使钢能在较高温度回火后仍具有理想的强度和硬度，而且韧性较好。钮元素可在钢中形成稳定的V4C3碳化物，不但可细化晶粒，而且减少钢的过
6、热倾向。 鉴于50CrVA钢有较好的耐回火性， 因此在较高温度(300 C)下长期工作仍有比拟稳定的强度和韧性。正常回火组织为细致均 匀的回火托氏体，有时基体中允许有少量的未溶解的碳化物。常用牌号：冷拔钢丝 T8MnA、65Mn，碳素钢65、65Mn、70Mn ,硅铭系的60SiCrA、 60Si2CrVA,硅镒系的 60Si2Mn，退火态使用的 50CrVA、60Si2MnA、65Si2MnWA 等。表8-1常用弹簧钢的牌号、热处理标准和力学性能见下表钢号淬火温度/ C淬火 介质淬火后硬度HRC回火温度/ c冷却 介质回火后硬度HRC力学性能Rm /(N/2、 mm )ReL/(N/2、 m
7、m )A (%)Z(%)70820830油60 64380400水4550102983383070 ( 30)800810水60 63380400水455065Mn830810830油油60 63480380400水水455098078483060Si2M nA870860870油油61 65460430460水水45501274117652560Si2M nA ( 30)830840水61 65430460空气455050CrVA850860870油油59 6259 62520370400水4550127410781045弹簧钢丝成材过程的强化处理工艺有：冷拉后淬火加中温回火， 组织为回火托
8、氏体；“铅淬(将热轧盘加热到奥氏体状态后，淬到450550 C的熔化铅液中作等温处理，得到冷拉性能很好的回火索氏体，最后通过一系列冷拔得到需要的钢丝。这种钢丝组织为纤维状的形变索氏体)冷拔处理。弹簧钢热处理工艺主要有两种：(1) 淬火+中温回火处理。适用于热成型的热轧弹簧钢和冷卷成型的冷拉退火弹簧钢。中 温回火得到回火托氏体组织，具有较高的弹性极限与屈服强度，同时具有足够的韧 性和塑性。2低温去应力退火。适用于冷拉弹簧钢或油淬回火钢丝冷盘成型的弹簧。弹簧钢的金相检验内容有： 石墨碳和非金属夹杂物检验按照GB/T 10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定?和GB/T 13302-1991钢
9、中石墨碳显微评定方法?进行评级。石墨碳呈黑色小球状，原因是反复加热造成的，抛光时脱落形成孔洞。 外表脱碳层检验按照GB/T 224-2021钢的脱碳层深度测定法?进行。全脱碳层晶粒度不均匀原因是弹簧钢到达临界变形度时，再结晶造成晶粒聚集长大。 显微组织检验球化退火处理，组织为球状珠光体。冷拉碳素弹簧钢丝包括冷拉65Mn弹簧钢在冷拉处理前经过索氏体细珠光体转变俗称铅淬处理，所以冷拉后组织成纤维状的索氏体细珠光体。淬火组织为针状马氏体，回火组织为回火托氏体。在拉拔时必须进行球化退火提高塑韧性。在测定马氏体针级别时应当进行浅侵蚀，测量大多数马氏体针的长度。弹簧的外表质量对疲劳性能有较大的影响，为了改
10、变弹簧的外表状态，一般可采取喷丸强化处理，使弹簧外表发生塑性变形，处于压应力状态。通过这种处理，可减轻弹簧的外表缺陷以及应力集中地区对疲劳寿命的影响，大大提高弹簧的耐疲劳性能。其他参考标准：JB/T 10591-2007内燃机气门弹簧技术条件?，QC/T 528-1999汽车钢 板弹簧金相检验标准?三、实验仪器及材料1. 实验仪器 XJG-01型立式金相显微镜，XJG-02立式型金相显微镜， XJG-05型卧式金相 显微镜，4XC型金相显微镜2. 试验材料 65Mn , 60Si2Mn, 60Si2MnA四、实验内容及步骤1、观察弹簧钢的各种状态的显微组织。2、根据每个试样的实验内容画出组织图，在图中注明各组织组成物。3、根据相应检验标准评定级别，标明放大倍数。五、思考题1. 60Si2Mn正常退火后、淬火后、淬火加中温回火后的金相组织是什么?
