45號鋼淬火應(yīng)力測試方法的實踐教學(xué)研究

駱 芳，徐慶鄉(xiāng)，袁林江，黃經(jīng)述

（浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院，浙江 杭州 310024）

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的重要組成部分，對促進學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)具有積極作用［1］。但本科生實踐能力和水平略呈下降趨勢，難以滿足我國未來生態(tài)文明型社會建設(shè)對人才的廣泛需求［2－5］。“工程材料與成形技術(shù)”是機械類專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課，這門課程中，熱處理是一個不可缺少的章節(jié)。許多高校針對“熱處理”實驗進行了改進和完善［6－8］，但在實驗中體會“應(yīng)力”是許多教師忽略的。“淬火”是熱處理中重要的一個環(huán)節(jié)，它伴隨著淬火應(yīng)力的發(fā)生?！皯?yīng)力”既是現(xiàn)實存在的，也是抽象的。為了更好地讓學(xué)生理解淬火應(yīng)力的變化，選取價格低廉、綜合機械性能好、淬火過程中容易發(fā)生變形甚至開裂的45號鋼［9］作為研究對象，利用學(xué)生前期所學(xué)的力學(xué)知識自行設(shè)計實驗，使學(xué)生能夠直觀地通過設(shè)計實驗和測試，對“淬火應(yīng)力”的概念以及影響淬火應(yīng)力的因素有一個全面的認(rèn)識。

1 實驗設(shè)計方法

淬火應(yīng)力大小的測試，通常采用X－衍射法對其進行殘余應(yīng)力的測試。殘余應(yīng)力的測試原理是以測量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測得的結(jié)果實際是殘余應(yīng)變，而殘余應(yīng)力是通過胡克定律由殘余應(yīng)變計算得到的。但X射線衍射方法主要是測試沿試樣表面某一方向上的內(nèi)應(yīng)力，然后再利用彈性力學(xué)理論求出應(yīng)力的表達(dá)式。由于X射線對試樣的穿入能力有限，只能探測試樣的表層應(yīng)力［10］。

目前，由于X－衍射法測量殘余應(yīng)力成本較高，本科實驗教學(xué)經(jīng)費相對較少，因此，為了改善教學(xué)效果、增強學(xué)生的動手實踐能力，在教學(xué)過程中采用將理論與實踐有機結(jié)合的教學(xué)方法［11］，充分利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備，對比測量不同試驗工藝下的試樣彎曲應(yīng)力大小，并與金相圖片進行對比，取得了一定效果。

一般來說，對于相對截面尺寸不太大的45號鋼零件，其可全部淬透，組織應(yīng)力小，熱應(yīng)力較大，二者疊加之后，表面為拉應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力。45號鋼淬火裂紋最敏感的尺寸為5～8mm，說明這個截面尺寸的零件組織應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加之后，應(yīng)力最大，已超過鋼材斷裂抗力而產(chǎn)生裂紋［12］。所以在設(shè)計零件時，為了研究45號鋼淬火變形應(yīng)力大小因素（及影響因素），既選擇了淬火裂紋的敏感尺寸為5mm的截面，又選擇了更能反映其應(yīng)力變化、易彎曲變形的尺寸1～4mm。選用普通的水作為淬火介質(zhì)。根據(jù)淬火工藝的相關(guān)知識，利用現(xiàn)有的實驗手段和已掌握的試驗技術(shù)，選取相應(yīng)的試驗設(shè)備，制定試驗參數(shù)，對45號鋼試件采用不同的加熱溫度參數(shù)和不同的尺寸參數(shù)，觀察試樣的變形，并比較其金相組織變化。

1.1 實驗材料準(zhǔn)備

選用45號鋼作為實驗研究對象，平面尺寸為100 mm×50mm，厚度（δ）及數(shù)量如表1所示。

表1 實驗材料厚度和數(shù)量

1.2 實驗設(shè)備

箱式電爐、線切割機床、金相鑲嵌機及磨拋機，WYS－1材料力學(xué)試驗臺，金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)。

1.3 淬火實驗方法設(shè)計

為了研究不同溫度、不同厚度、水作為淬火介質(zhì)條件下試樣的變形和應(yīng)力大小，特設(shè)計如下熱處理方案，見表2。

表2 試樣保溫時間 min

2 實驗結(jié)果與應(yīng)力分析

對45號鋼板進行應(yīng)力分析，45號鋼板發(fā)生彎曲，除了X－衍射法能夠測出鋼板彎曲的殘余應(yīng)力外，目前其他方法無法直接測出其中的應(yīng)力，因殘余應(yīng)力的測量費用很高，所以本實驗中利用學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的力學(xué)知識，自行設(shè)計出一種切實可行的對比實驗測出45號鋼板上的應(yīng)力。首先測量出鋼板的彎曲度，然后取新的45號鋼板對其施加壓力，使其產(chǎn)生同樣的彎曲度，記錄下壓力值，通過應(yīng)力公式計算出45號鋼內(nèi)部的應(yīng)力值。

2.1 試樣變形應(yīng)力的測試方法及結(jié)果

在所有試樣中選取彎曲較規(guī)則、均勻的45號鋼板試樣進行應(yīng)力測量試驗，見圖1。彎曲尺寸測量方法如圖2所示。表3為試樣平面尺寸100mm×50mm彎曲縱向值。從表3看出：780℃的變化規(guī)律與840℃和910℃的變化規(guī)律不一致。主要是因為加熱溫度是780℃時，材料未發(fā)生完全奧氏體相變，相變應(yīng)力相對較小；因此隨板厚增加，內(nèi)部應(yīng)力小，表現(xiàn)出縱向距離變大。

圖1 淬火后彎曲的45號鋼板試樣

圖2 45號鋼鋼板彎曲尺寸測量方法

表3 試樣彎曲縱向距離 mm

實驗儀器不能測試長度為100mm的45號鋼板，必須使用長度較大的試樣，因此采用比對彎曲的方式，使比對鋼板達(dá)到與淬火鋼板一樣的彎曲度，即：未淬火鋼板彎曲尺寸＝淬火鋼板彎曲尺寸×（未淬鋼板長度／淬火鋼板長度），比對鋼板長度為200mm。這樣測量出來的應(yīng)力值就與淬火鋼板的應(yīng)力相同，見圖3。

圖3 測試方法示意圖

換算后，所得的彎曲縱向值如表4所示。

表4 比對鋼板彎曲值 mm

利用應(yīng)力計算公式：

式中M為彎矩，F(xiàn)為壓力，h為梁的厚度，b為梁的寬，a為加力梁支點與支持梁支點之間的差值。

應(yīng)力測量方法：由于應(yīng)力實驗試樣長度只有200 mm，無法放置在 WYS－1材料力學(xué)試驗臺的支點上，而實驗室實驗用的梁可以承受5 000N的力，只要施加的力小于5 000N，實驗就可以在梁上進行。在實驗用梁上放置2個圓柱金屬在其上再放置實驗試樣，然后使用加力梁對實驗試樣施加壓力，使比對鋼板達(dá)到指定的彎曲尺寸，并記錄下數(shù)值，進行計算（實驗時a＝0.032 5m）由以上的方法測量出的壓力見表5。

表5 比對鋼板彎曲受力 N

對于200mm×50mm×1mm的試樣在780℃下水淬彎曲的應(yīng)力計算：

根據(jù)公式，將表5中的數(shù)據(jù)帶入，得出表6。

表6 比對鋼板彎曲時的應(yīng)力 MPa

從表6中可以看到，隨著淬火溫度的提高，應(yīng)力值提高。但此數(shù)據(jù)只能作為一種淬火變形程度的比較，而不能作為一種精確的應(yīng)力值。

2.2 金相分析

取780℃、840℃和910℃淬火的鋼板切樣進行金相分析，見圖4。

由圖4可以看出，45號鋼加熱到780℃不完全奧氏體化，淬火后得到鐵素體和馬氏體；換句話講，由于加熱溫度未達(dá)到完全奧氏體化，只有部分組織發(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)變，當(dāng)其冷卻時，奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，鐵素體未發(fā)生轉(zhuǎn)變而遺留下來。因此轉(zhuǎn)變所造成的應(yīng)力相對來講較小，這從表6中也得到了驗證。加熱到840℃完全奧氏體化，淬火后得到較細(xì)馬氏體；即：加熱轉(zhuǎn)變的奧氏體幾乎完全發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，因此轉(zhuǎn)變應(yīng)力比780℃不完全轉(zhuǎn)變要大（見表6）。910℃淬火后得到粗大的馬氏體；一方面由于淬火加熱溫度的提高（＞840℃），除了組織從室溫的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變成了奧氏體之外，同時，轉(zhuǎn)變的奧氏體還有晶粒長大現(xiàn)象，因此，粗大的奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變成粗大的馬氏體，所發(fā)生的轉(zhuǎn)變應(yīng)力大于前面所提到的溫度轉(zhuǎn)變應(yīng)力。表6中也充分體現(xiàn)了這種變化。

圖4 淬火后金相組織

3 結(jié)束語

由以上測試和理論分析可以看出，45號鋼淬火后的淬火應(yīng)力隨淬火溫度的升高而增大。淬火后所發(fā)生的變形現(xiàn)象，采用力學(xué)試驗機設(shè)計一定的實驗和測試方法，可以直觀地反映淬火應(yīng)力隨淬火溫度的變化，讓學(xué)生能夠用所學(xué)的力學(xué)知識，通過一定設(shè)計手段測試和比較，更好地理解和掌握新知識、新概念，提高運用已學(xué)知識解決實際問題的能力，以及創(chuàng)新設(shè)計能力。但此法只提供了一種直觀的實驗設(shè)計，只能作為一種趨勢判斷，精確的測試和設(shè)計還需要不斷改善和修正。

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［1］李蕊愛.積極探索專業(yè)實踐教改的有效途徑［J］.中國高等教育，2011（12）：41－42.

［2］張剛，盛連喜，崔丹，等.本科生實踐類課程教學(xué)評價改進研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30（1）：180－183.

［3］左鐵鏞.高等學(xué)校實驗室建設(shè)的作用與思考［J］.實驗室研究與探索，2011，30（4）：1－5.

［4］馮端.實驗室是現(xiàn)代化大學(xué)的心臟［J］.實驗室研究與探索，2000，19（5）：1－4.

［5］鄭家茂.構(gòu)建“做學(xué)研”相結(jié)合的創(chuàng)新實踐平臺，促進學(xué)生“做中學(xué)、學(xué)中研、研中創(chuàng)”［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（1）：1－4.

［6］朱利敏，王長生，王順興，等.《機械工程材料學(xué)》綜合設(shè)計性實驗教學(xué)改革與實踐［J］.實驗室科學(xué)，2008（2）：49－50.

［7］肖宏濱，王長生，王順興.《機械工程材料學(xué)》綜合實驗教學(xué)改革［J］.實驗室科學(xué)，2006（6）：19－22.

［8］武曉峰，曹麗云，岳旭東，等.機械工程材料課程實驗教學(xué)改革［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2009（8）：102－104.

［9］王者森.45號鋼零件淬火開裂分析及防止措施［J］.機械制造，2001，39（2）：35－39.

［10］張定銓，何家文.材料中殘余應(yīng)力的X射線衍射分析和作用［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1999.

［11］趙月靜，陳繼榮，張永弟.單片機原理及應(yīng)用課程創(chuàng)新實踐教學(xué)改革［J］.實驗技術(shù)與管理，2013，30（1）：176－179.

［12］李炳炎.模具淬火工藝的控制［J］.模具制造，2012（2）：83－86.