45号钢淬火应力测试方法的实践教学研究

2014-05-02徐庆乡袁林江黄经述

实验技术与管理 2014年5期

骆芳，徐庆乡，袁林江，黄经述

（浙江工业大学之江学院，浙江杭州 310024）

实践教学环节是人才培养模式创新的重要组成部分，对促进学生创新能力、实践能力和学习能力的培养具有积极作用［1］。但本科生实践能力和水平略呈下降趋势，难以满足我国未来生态文明型社会建设对人才的广泛需求［2－5］。“工程材料与成形技术”是机械类专业必修的技术基础课，这门课程中，热处理是一个不可缺少的章节。许多高校针对“热处理”实验进行了改进和完善［6－8］，但在实验中体会“应力”是许多教师忽略的。“淬火”是热处理中重要的一个环节，它伴随着淬火应力的发生。“应力”既是现实存在的，也是抽象的。为了更好地让学生理解淬火应力的变化，选取价格低廉、综合机械性能好、淬火过程中容易发生变形甚至开裂的45号钢［9］作为研究对象，利用学生前期所学的力学知识自行设计实验，使学生能够直观地通过设计实验和测试，对“淬火应力”的概念以及影响淬火应力的因素有一个全面的认识。

1 实验设计方法

淬火应力大小的测试，通常采用X－衍射法对其进行残余应力的测试。残余应力的测试原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际是残余应变，而残余应力是通过胡克定律由残余应变计算得到的。但X射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力，然后再利用弹性力学理论求出应力的表达式。由于X射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力［10］。

目前，由于X－衍射法测量残余应力成本较高，本科实验教学经费相对较少，因此，为了改善教学效果、增强学生的动手实践能力，在教学过程中采用将理论与实践有机结合的教学方法［11］，充分利用实验室现有设备，对比测量不同试验工艺下的试样弯曲应力大小，并与金相图片进行对比，取得了一定效果。

一般来说，对于相对截面尺寸不太大的45号钢零件，其可全部淬透，组织应力小，热应力较大，二者叠加之后，表面为拉应力，心部为压应力。45号钢淬火裂纹最敏感的尺寸为5～8mm，说明这个截面尺寸的零件组织应力与热应力叠加之后，应力最大，已超过钢材断裂抗力而产生裂纹［12］。所以在设计零件时，为了研究45号钢淬火变形应力大小因素（及影响因素），既选择了淬火裂纹的敏感尺寸为5mm的截面，又选择了更能反映其应力变化、易弯曲变形的尺寸1～4mm。选用普通的水作为淬火介质。根据淬火工艺的相关知识，利用现有的实验手段和已掌握的试验技术，选取相应的试验设备，制定试验参数，对45号钢试件采用不同的加热温度参数和不同的尺寸参数，观察试样的变形，并比较其金相组织变化。

1.1 实验材料准备

选用45号钢作为实验研究对象，平面尺寸为100 mm×50mm，厚度（δ）及数量如表1所示。

表1 实验材料厚度和数量

1.2 实验设备

箱式电炉、线切割机床、金相镶嵌机及磨抛机，WYS－1材料力学试验台，金相显微镜及图像分析系统。

1.3 淬火实验方法设计

为了研究不同温度、不同厚度、水作为淬火介质条件下试样的变形和应力大小，特设计如下热处理方案，见表2。

表2 试样保温时间 min

2 实验结果与应力分析

对45号钢板进行应力分析，45号钢板发生弯曲，除了X－衍射法能够测出钢板弯曲的残余应力外，目前其他方法无法直接测出其中的应力，因残余应力的测量费用很高，所以本实验中利用学生已经学过的力学知识，自行设计出一种切实可行的对比实验测出45号钢板上的应力。首先测量出钢板的弯曲度，然后取新的45号钢板对其施加压力，使其产生同样的弯曲度，记录下压力值，通过应力公式计算出45号钢内部的应力值。

2.1 试样变形应力的测试方法及结果

在所有试样中选取弯曲较规则、均匀的45号钢板试样进行应力测量试验，见图1。弯曲尺寸测量方法如图2所示。表3为试样平面尺寸100mm×50mm弯曲纵向值。从表3看出：780℃的变化规律与840℃和910℃的变化规律不一致。主要是因为加热温度是780℃时，材料未发生完全奥氏体相变，相变应力相对较小；因此随板厚增加，内部应力小，表现出纵向距离变大。

图1 淬火后弯曲的45号钢板试样

图2 45号钢钢板弯曲尺寸测量方法

表3 试样弯曲纵向距离 mm

实验仪器不能测试长度为100mm的45号钢板，必须使用长度较大的试样，因此采用比对弯曲的方式，使比对钢板达到与淬火钢板一样的弯曲度，即：未淬火钢板弯曲尺寸＝淬火钢板弯曲尺寸×（未淬钢板长度／淬火钢板长度），比对钢板长度为200mm。这样测量出来的应力值就与淬火钢板的应力相同，见图3。

图3 测试方法示意图

换算后，所得的弯曲纵向值如表4所示。

表4 比对钢板弯曲值 mm

利用应力计算公式：

式中M为弯矩，F为压力，h为梁的厚度，b为梁的宽，a为加力梁支点与支持梁支点之间的差值。

应力测量方法：由于应力实验试样长度只有200 mm，无法放置在 WYS－1材料力学试验台的支点上，而实验室实验用的梁可以承受5 000N的力，只要施加的力小于5 000N，实验就可以在梁上进行。在实验用梁上放置2个圆柱金属在其上再放置实验试样，然后使用加力梁对实验试样施加压力，使比对钢板达到指定的弯曲尺寸，并记录下数值，进行计算（实验时a＝0.032 5m）由以上的方法测量出的压力见表5。

表5 比对钢板弯曲受力 N

对于200mm×50mm×1mm的试样在780℃下水淬弯曲的应力计算：

根据公式，将表5中的数据带入，得出表6。

表6 比对钢板弯曲时的应力 MPa

从表6中可以看到，随着淬火温度的提高，应力值提高。但此数据只能作为一种淬火变形程度的比较，而不能作为一种精确的应力值。

2.2 金相分析

取780℃、840℃和910℃淬火的钢板切样进行金相分析，见图4。

由图4可以看出，45号钢加热到780℃不完全奥氏体化，淬火后得到铁素体和马氏体；换句话讲，由于加热温度未达到完全奥氏体化，只有部分组织发生了奥氏体转变，当其冷却时，奥氏体发生了马氏体转变，铁素体未发生转变而遗留下来。因此转变所造成的应力相对来讲较小，这从表6中也得到了验证。加热到840℃完全奥氏体化，淬火后得到较细马氏体；即：加热转变的奥氏体几乎完全发生了马氏体转变，因此转变应力比780℃不完全转变要大（见表6）。910℃淬火后得到粗大的马氏体；一方面由于淬火加热温度的提高（＞840℃），除了组织从室温的铁素体和珠光体转变成了奥氏体之外，同时，转变的奥氏体还有晶粒长大现象，因此，粗大的奥氏体冷却转变成粗大的马氏体，所发生的转变应力大于前面所提到的温度转变应力。表6中也充分体现了这种变化。

图4 淬火后金相组织

3 结束语

由以上测试和理论分析可以看出，45号钢淬火后的淬火应力随淬火温度的升高而增大。淬火后所发生的变形现象，采用力学试验机设计一定的实验和测试方法，可以直观地反映淬火应力随淬火温度的变化，让学生能够用所学的力学知识，通过一定设计手段测试和比较，更好地理解和掌握新知识、新概念，提高运用已学知识解决实际问题的能力，以及创新设计能力。但此法只提供了一种直观的实验设计，只能作为一种趋势判断，精确的测试和设计还需要不断改善和修正。

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