热处理对机床主轴用40Cr、65Mn钢力学性能的影响.pdf

D e s ig n a n d R e s e a 『c h 设计与研究 热处理 对机床主轴用 4 0 C r 、 6 5 M n钢 力学性能 的影 响 冰 伍倪燕 宜宾职业技术学院现代制造系， 四川 宜宾 6 4 4 0 0 3 摘要 以机床主轴用 4 0 Cr 、 6 5 Mn钢为研究对象 ， 对其不同热处理工艺下的力学性能进行 了测试研究。实 验结果表明 随着 回火温度的升高 ， 6 5 Mn钢和 4 0 Cr 钢力学性能有着相同的变化趋势， 抗拉强度和 屈服强度下降， 伸长率和断面收缩率升高， 硬度下降 ， 耐磨性变化不显著。在相同的热处理条件下 ， 6 5 Mn钢比 4 0 C r钢强度高、 塑性差、 耐磨性好、 综合力学性能要更好。两种材料在用于机床主轴时 经过调质处理便可很好地满足生产需要。 关键词 热处理 ； 4 0 C r钢 ； 6 5 Mn钢 ； 力学性能 中图分类号 T H1 2 2 文献标识码 B E f f e c t s o f h e a t t r e a t me n t o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f 4 0 Cr s t e e l a n d 6 5 Mn s t e e l u s e d i n ma c h i n e t o o l s p i n d l e W U Ni y a n D e p a r t m e n t o f Mo d e r n Ma n u f a c t u r i n g ， Y i b i n V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ， Y i b i n 6 4 4 0 0 3 ，C H N Abs t r ac tI n v i e w 0 4 0 Cr s t e e l a n d 6 5 Mn s t e e l t h a t u s e d i n ma c h i n e t o o l s p i n d l e．t h e i n flH e n c e o f h e a t t r e a t me n t o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s t e e l wa s i n v e s t i g a t e d．T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t wi t h t h e i n c r e a s i n g t e mp e r e d t e mp e r a t u r e，t h e v a r i a t i o n o f me c h a n i c al p r o p e r t i e s f o r 40 C r s t e e l a n d 6 5Mn s t e e l wa s a l mo s t t h e s a l n e ．Te n - s i l e s t r e n g t h a n d y i e l d s t r e n gth d e c r e a s e d ，e l o n g a t i o n a n d s e c t i o n s h ri n k a g e r a t e r a i s e d， h a r d n e s s d e c r e a s e d a n d t h e a b r asi o n r e s i s t an c e c h a n g e wa s n o t o b v i o u s ． Un d e r t h e s a me h e a t t r e a t me n t c o n d i t i o n，6 5 Mn s t e e l h a d b e t t e r c o mp r e h e n s i v e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h a n 40 C r s t e e 1 ．W h e n u s e d for ma c hi n e t o o l s p i n d l e，t h e s e t wo k i n d s o f ma t e r i als t h rou g h mo d u l a t i o n p r o c e s s i n g c a l l b e v e r y g o o d t o me e t p r o d u c t i o n n e e d s ． Ke y wo r d s h e a t t r e a t me n t ；40Cr s t e e l ；6 5 Mn s t e e l ；me c h a n i c a l p r o p e r t y 数控机床是我 国制造业尤其是 国防工业 中的一件 核心装备 ， 其技术水平 的高低 对于现代化工业进程的 高速前进起着重要 的作用。它 的发展追求 高精度 、 高 效率及高的可靠性 ， 其质量与可靠性又直接影响到其 加工精度及生产效率 J 。而机床 主轴 作为数控机 床 中最核心的一个部件 ， 它带动着工件或刀具旋转 ， 用来 支撑传动零件 、 传递运动及扭矩 ， 其运动精度就需要力 学性能相匹配的材料作为支撑 。 对于机床主轴用材料 的选择 ， 一般工作条件下会 用 4 5钢 。若对于精度要求较高的工作条件 ， 就需要强 度 、 硬度及其他力学性能更好的材料。4 0 C r 钢为现阶 段机械制造业中广泛使用 的合金钢 ， 其调质处理后具 有 良好的综合力学性能 ， 可用于载荷较大 ， 表面要求较 硬的机床主轴 ， 其疲劳性 、 组织特性等性能很多研究者 做出了研究探讨 - 5 ] 。6 5 Mn钢其强硬度较高 ， 耐磨性 } 四川省教育厅 自然科学基金资助项 目 1 5 Z B 0 4 9 5 磐 好 ， 可用于精度要求较高的磨床砂轮主轴， 对于其组织 性能的探讨也有很多研究者做出了贡献 ] 。本文针 对于 4 0 C r 钢和 6 5 Mn钢两种机床主轴用钢 ， 在不 同的 热处理工艺下 ， 对其力学性能进行测试研究。 1 试验 方案 本实验选用 4 0 C r 钢和 6 5 M n钢两个钢种 ， 在进行 热处理前首先通过成分分析得 出合金 中各元素含量 ， 结果分别如表 1和表 2所示 。 表 1 4 0 Cr 钢化学成分 w t ％ 元 素 C Mn S i C r N i P S C u F e 含量 0 ． 4 3 0 ． 5 4 0 ． 3 2 1 ． 0 1 0 ． 0 2 5 O ． O 3 0 ． 0 2 5 0 ． 0 2 5 B a 1 ． 制备好试样后分别对两类钢种进行热处理 ， 热处 75 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a 理试样编号、 工艺参数及冷却介质等如表 3所示。热 处理设备采用高温箱式电阻炉 ， 在热处理完成后分别 对各组试样进行力学性能测试 、 洛氏硬度测试及磨损 试验测试。力学性能测试 为拉伸试验， 样品制备按 国 家标准进行 ， 通过对试验数据的记 录和计算最终得到 样品的抗拉强度 o r 屈服强度 、 延伸率 6以及断 面 收缩率 。洛 氏硬度采用型号为 H R1 5 0的洛 氏硬度 计对宏观硬度进行测试 ， 每组试样取 5个点进行测试 ， 最终结果为 5个点的平均值。磨损试验则采用型号 为 L MD一1 0的磨损试验机进行测试 ， 其中磨料为 1 ． 5 k g 的石英砂 ， 磨损时间的选择为 1 0 h ， 在进行磨损试验的 前后分别对试样用万分之一克天平称重 ， 算出磨损前 后材料损失的重量 ， 每组试样进行 3次试验 ， 最终结果 取 3次的平均值。 表 2 6 5 Mn钢化 学成 分 w t ％ 元素 C M n s i C r N i P l s C u F e 含量 0 ． 6 5 1 ． 1 1 O ． 2 6 0 ． O 2 O ． 0 1 0 ． 0 2 b． 0 1 2 O ． 0 1 B a 1 ． 表 3热处理 工艺参数 淬火温度 回火温度 编号 试样材质 淬火介质 Z T／℃ Z T／ ℃ l 4 0 C r 钢 8 6 0 油 2 0 0 2 4 0 C r 钢 8 6 0 油 4 5 0 3 4 0 C r 钢 8 6 0 油 5 2 0 4 6 5 Mn钢 8 3 0 油 2 o 0 5 6 5 Mn钢 8 3 0 油 4 5 0 6 6 5 Mn钢 8 3 0 油 5 5 0 2实验结果与分析 2 ． 1 热 处理 工艺对 材料 拉伸性 能 的影 响 表 4材料 经热处理后 的拉伸 性能 编号 1 2 3 4 5 6 抗拉强度 6 ／ MP a l 6 1 0 l 3 8 0 9 8 5 1 8 3 6 1 4 2 5 1 0 5 0 屈服强度 o r ／ MP a 1 4 2 2 1 1 8 9 7 9 3 l 7 8 5 1 3 5 8 8 9 3 延伸率 6 ／ ％ 7 ． 1 8 ． 2 1 5 ． 8 2 ． 1 6 ． 3 l 1 ． 8 断面收缩率 ／ ％ 1 1 ． 1 3 9 ． 8 5 7 ． 2 5 ． 6 2 8 ． 3 3 4 ． 5 1号到 3号试样为4 0 C r 钢经过 8 6 0℃油淬后在不 同温度下回火 的试样 ， 1号为 2 0 0℃低温 回火 ， 2号为 4 5 0℃中温回火 ， 3号为 5 2 0。 高温 回火 ， 4号到 6号 试样为 6 5 Mn钢经过 8 3 0℃油淬后在不同温度下回火 76 的试样 ， 4号为 2 0 0℃低温 回火 ， 5号为 4 5 0℃ 中温 回 火 ， 6号为 5 5 0℃高温 回火。表 4为材料经热处理后 的拉伸性能 ， 为了更加清晰地看清其变化过程 ， 将其 中 数据用 图形表示 ， 如 图 1所示 。拉伸性 能包含 了抗拉 强度 、 屈服强度 、 延伸率 6以及断面收缩率 这 4个指标 。其中抗拉强度和屈服强度反应了材料 的强 度 ， 延伸率和断面收缩率反应了材料的塑性。 60 5O 40 3O 2O 1 O 1 2 3 4 5 6 试样 编号 a 】 强度 L 延伸率 断面收缩率 。 匡 1 b z U 帚 啪咖枷抛 咖啪伽枷瑚0 M P a ， 比 4 0 C r 钢还要 高， 到高温 回火 时抗拉 强度和屈 服强度降至1 0 5 0 M P a和 8 9 3 MP a ， 同样整体 比 4 0 C r 钢强度要大。其延伸率和断面收缩率在低温回火时很 小 ， 分别为 2 ． 1和 5 ． 6 ， 塑性很差 ， 经过高温 回火后分 别达到 1 1 ． 8和 3 4 ． 5， 比4 0 C r 钢略低但 已经能很好地 满足使用。 2 ． 2热处理工艺对材料宏观硬度的影响 表 5 材料经热处理后的宏观硬度 编号 1 2 3 4 5 6 洛氏硬度／ H RC 5 3 4 0 3 3 5 5 4 2 3 6 l Z 3 4 5 6 试样编号 图2 材料经热处理后的宏观硬度 表 5和图 2为材料经热处理后 的宏观硬度 ， 也就 是洛氏硬度。4 0 C r 钢经过 2 0 0 o C低 温 回火后硬度很 大 ， 达到了 5 3 H R C， 此时材料加工性能差。将 回火温 度提高到 4 5 0 o C后 ， 材料硬度降低为 4 0 H R C， 进一步 将 回火 温 度提 高 到 5 2 0 o C后 ， 材 料 硬 度 降低 为 3 3 H R C， 说明 4 0 C r 钢 随着 回火 温度 的提 高硬度逐 渐下 降。6 5 Mn钢和 4 0 C r 钢有着相 同的变化趋势 ， 随着 回 火温度从 2 0 0℃低温 回火 ， 到 4 5 0 o C中温 回火 ， 再到 5 5 0 q c高温 回火 ， 其 硬度 值 随之 从 5 5 HR C降 至 4 2 H R C， 再到 3 6 HR C 。两种材料经过热处理后洛氏硬度 的测试表明 ， 4 0 C r 钢和 6 5 Mn钢 的硬度都随着 回火温 度的提高而下降， 并且 6 5 M n钢的硬度要 比4 0 C r 钢 略高。 2 ． 3 热处理工艺对材料耐磨性的影响 表 6 材料磨损后损失的重量 编号 1 2 3 4 5 6 损失重量／ mg 2 3 ． 8 2 3 ． 6 2 3 ． 5 l 1 ． 9 l 1 ． 9 1 1 ． 7 重量越小代表材料的耐磨性越好。从图表中可以看 出 4 0 C r 钢和6 5 M n 钢在经过不同温度回火后耐磨性几乎 都没有变化。4 0 C r 钢损失 的重量为 2 3 ． 5 2 3 ． 8 m g ， 6 5 Mn钢损 失 的重量 为 1 1 ． 71 1 ． 9 m g 。数 据说 明 6 5 Mn钢的耐磨性要 比4 0 C r 钢好。 2O 鑫 ， s 佃1 1 0 5 3 结语 7 U ； l O 串 幂z 朋 如 ∞ 加 m 0 u 旨{ ， 隧 瓣 基于等效结构应力法的正弦波纹腹板焊接梁疲劳评定研究 水 马 超 范 勤 魏 国前 武汉科技大学机械 自动化学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 针对 Ha r r i s o n的正弦波纹腹板焊接梁试验模型 ， 采用等效结构应力法 ， 研究 了焊缝焊趾 的等效结 构应力分布特性及网格大小对应力分布 的影响 ， 分析了裂纹萌生位置及其疲劳寿命。对 比 Ha r r i - s o n的试验结果 ， 验证了等效结构应力法在正弦波纹腹板焊接梁疲劳评定方面的适用性。 关键词 正弦波纹腹板 ； 焊接梁 ； 等效结构应力法 ； 疲劳评定 中图分类号 T G 4 0 5 文献标识码 A E q u i v a l e n t s t r u c t u r e s t r e s s b a s e d f a t i g u e e v a l u a t i o n f o r we l d e d g i r d e r s wi t h s i n u s o i d a l l y c o r r u g a t e d we b s MA C h a o ， F A N Q i n ，WE I G u o q i a n S c h o o l o f Ma c h i n e r y a n d A u t o ma t i o n ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ， C H N Abs t r ac t F o r we l d e d g i r d e r s wi t h s i n u s o i d a l l y c o r r ug a t e d we b s ，t h r o u g h Ha r r i s o n t e s t mo d e l ，u s i n g t h e e q u i v a l e n t s t r uc t u r a l me t ho d，t h e s t r e s s d i s t r i bu t i o n i n we l d s a n d t h e i n flu e n c e o f g r i d s i z e o n t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n h a v e b e e n s t u d i e d，t h e c r a c k s p o s i t i o n h a s b e e n a n a l y z e d，a n d t h e f a t i g u e l i f e h a s b e e n c a l c u l a t e d ． Co mp a r e d Ha r r i s o n t e s t r e s ul t ，e q u i v a l e n t s t ru c t u r a l me t h o d s h o ws b e t t e r a p p l i c a b i l i t y i n t e r ms o f f a t i g u e e v a l u a t i o n f o r we l d e d g i r de r s wi t h s i n u s o i d a l l y c o r r u g a t e d we bs ． Ke y wo r ds s i n us o i d a l l y c o r r u g a t e d we bs ；we l d e d g i r d e r s ；e q u i v a l e n t s t ru c t u r a l me t h o d；f a t i g u e e v a l ua t i o n 波纹腹板焊接梁是一种新型焊接梁结构， 具有优 越的力学性能和 良好的经济效益， 在建筑和机械行业 度下降 ， 伸长率和断面收缩率升高， 硬度下降， 耐磨性 变化不大。 3 两种材料经过调质处理后都拥有 良好 的综合 力学性能 ， 可 以满足机床主轴的使用需求。 参考文献 [ 1 ] 杨 兆军 ， 陈传海 ， 陈菲 ， 等． 数控机床可靠 性技术 的研究进展 [ J ] ． 机 械工程学报 ， 2 0 1 3 ， 4 9 2 0 1 3 01 3 9 ． [ 2] 王弘 ， 高庆 ． 超 声疲 劳试验 方法 在 4 0 C r钢疲 劳性 能研究 中 的应用 [ J ] ． 机械工程材料 ， 2 0 0 3， 2 7 1 2 2 93 1 ． [ 3 ] 王弘， 高庆． 缺口 应力集中对 4 0 C r 钢高周疲劳性能的影响[ J ] ． 机械 工程材料 ， 2 0 0 4， 2 8 8 1 21 4 ． [ 4] 宋洪伟 ， 刘志文 ， 张俊 宝， 等 ． 表 面纳米化 4 0 C r 钢 的组织特征 [ J ] ． 机 械工程材料 ， 2 0 0 4， 2 8 1 3 5 3 7 ． [ 5] 秦松祥 ， 肖冰 ， 李曙 生， 等． 4 0 C r 钢 磨 削淬火 层组 织及 其 形成 机理 [ J ] ． 机械工程材料 ， 2 0 0 7， 3 1 1 2 2 42 6 ， 2 9 ． [ 6 ] 李红英 ， 耿 进锋 ， 龚 美 涛 ， 等． 6 5 Mn钢 奥 氏体 连 续 冷却 转 变 曲线 C C T图 [ J ] ． 材料科学与工艺 ， 2 0 0 5 ， 1 3 3 3 0 2 3 0 4 ． [ 7 ] 杜忠泽 ， 黄俊霞 ， 符寒光 ， 等． 6 5 Mn钢大塑性变形后的组织与力学性 能 [ J ] ． 吉林 大学学报 T学版 ， 2 0 0 6， 3 6 2 1 4 31 4 7 ． [ 8 ] 王兆希 ， 屈宝平 ， 薛飞 ， 等． 6 5 M n金 属材料 氢脆性 能实验研究 [ J ] ． 核 动力工程 ， 2 0 1 1 ， 3 2 4 l 41 8 ． [ 9 ] 张 占平 ， 齐育红 ， D E L AG N E S D， 等． 钢 的回火时 间 一温度 一硬度 动 力学关系 [ J ] ． 材料热处理学报 ， 2 0 04 ， 2 5 1 4 1 4 5 [ 1 0 ] 于燕 ， 杨海峰 ， 刘云旭 ， 等． 回火处理对 T R I P钢点焊接 头组织 和性 能影 响[ J ] ． 材料热处理学报 ， 2 0 1 4 ， 3 5 5 1 4 9 5 2 ． [ 1 1 ] 杜忠泽 ， 符寒光 ， 丰振军 ， 等． 回火处理对铸造高速钢轧 辊耐磨性 的 影响 [ J ] ． 材料热处理学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 9 3 9 9 ． [ 1 2 ] 赵斌， 员霄 ， 躜雪梅 ， 等． 热处理工艺对含 Y过共晶 F e C r C堆焊合 金组织与耐磨性的影响[ J ] ． 材料热处理学报 ， 2 0 1 5 ， 3 6 7 1 0 21 0 7 ． 作者简介 伍倪燕 ， 女 ， 1 9 7 9年生 ， 研 究生， 主要从 事 C A D ／ C A M软件应用、 数控机床安装与调试 、 数控编 程与加工等课程的教 学及研究， 己发表论文 9篇 ， 参编 教材 5门， 主研科研及教研教 改 1 0项 ， 其 中省级科研 1项 ， 专 利 1 项 。 编辑 汪 艺 收稿 E l 期 2 0 1 51 1 1 0 文章编号 l 6 0 2 拶 如果您想发袭 对本 的肴法 湖北省 自然科学基金 2 0 1 4 C F B 8 0 3 ； 湖北省 教育厅重点项 目 D 2 0 1 3 1 1 0 2 78 中的相寝位置。 ； z u l b 年 帚 朋