實驗方案范例

1、脈沖電流輔助熱處理在消除帶狀組織方面的應(yīng)用研究指導(dǎo)老師： 組員 ：一、問題的提出低碳合金鋼（包括滲碳鋼）中的帶狀組織是指沿鋼材軋制方向形成的，以先共析鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此堆疊而成的組織形態(tài)。由于鋼液在鑄錠結(jié)晶過程中選擇性結(jié)晶形成化學(xué)成分呈不均勻分布的枝晶組織，鑄錠中的粗大枝晶在軋制時沿變形方向被拉長，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶（實質(zhì)上是條）和富化帶。貧化帶和富化帶彼此交替堆疊，在緩慢冷卻條件下，先在碳及合金元素貧化帶（過冷奧氏體穩(wěn)定性較低）析出先共析鐵素體，將多余的碳排入兩側(cè)的富化帶，最終形成以鐵素體為主的帶；而碳及合金元素富化帶（過冷奧氏體穩(wěn)定性較高）

2、，在其后形成以珠光體為主的帶，因而形成了以鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此交替的帶狀組織。成分偏析越嚴(yán)重，形成的帶狀組織也越嚴(yán)重。有的資料認(rèn)為，帶狀組織與雜質(zhì)元素的偏析有關(guān)。（1）鋼水在結(jié)晶時，在枝晶之間富集了磷、硫等雜質(zhì)，尤其是富集磷的地方，阻礙碳的溶解。鋼錠鍛軋變形時，富磷區(qū)被壓延而伸長為帶狀，此帶狀區(qū)的含碳量較低，在熱加工后的冷卻過程中，這些帶狀區(qū)首先析出先共析鐵素體。這以后形成的珠光體自然也成為帶狀。（2）條狀硫化物夾雜也可能促成帶狀。鍛軋形成條狀硫化物是先共析鐵素體形核的非自發(fā)核心，因而容易形成帶狀鐵素體。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，他們的性能也不同。帶狀組織的存在使鋼的組

3、織不均勻，影響鋼材性能，如呈現(xiàn)出各向異性，降低鋼的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等。在外力作用下性能低的帶易暴露出來，而且強弱帶之間會產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而造成了總體力學(xué)性能的降低，在鍛造過程中或零件工作時常常易沿著鐵素體帶或兩相交界處開裂。因此，消除帶狀組織是提高鋼材性能的有效途徑之一。在實際生產(chǎn)中，常常采用高溫退火工藝消除帶狀組織。傳統(tǒng)熱處理工藝采用高溫擴散退火消除帶狀組織。在本實驗中，研究脈沖電流輔助熱處理在消除合金結(jié)構(gòu)鋼鍛軋材中帶狀組織方面的應(yīng)用。二、實驗假設(shè)與理論依據(jù)1.實驗假設(shè)上世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)專家發(fā)現(xiàn)了電致塑性，此后，人們在脈沖電流這樣一種特殊的處理材料的方式上進行了諸多研究，脈沖感應(yīng)

4、淬火法便是感應(yīng)熱處理的最新發(fā)展之一。我國在脈沖電流熱處理方面發(fā)展也十分迅速，對于其應(yīng)用范圍也多集中在金屬熱處理的淬火方面。在脈沖電流輔助熱處理作用下，整個基體由脈沖電流帶來的焦耳熱相對來說比較少的，但材料內(nèi)部成分不均勻的區(qū)域和不同相之間電阻率有較大差異，由于Peltier效應(yīng)其界面附近會產(chǎn)生一個附加熱量，使得局部界面附近可能升高到一個比較高的溫度。同時，相關(guān)文獻指出一定密度的脈沖電流對金屬材料形變過程中的電致塑性效應(yīng)會使金屬內(nèi)部的原子獲得能量,原子振動能力增強。因此，通過一定頻率的脈沖電流后就使得材料基體中局部成分不均勻區(qū)獲得一個附加的熱量，脈沖電流同時為微區(qū)合金元素和碳元素提供一個額外的激活

5、能，加快原子擴散速度及在基體中的擴散距離，在一定程度上可降低由成分偏析帶來的組織不均勻。2.理論依據(jù)脈沖電流電致遷移、電致塑性效應(yīng)、Peltier效應(yīng)等三、實驗?zāi)繕?biāo)通過本實驗，認(rèn)識合金結(jié)構(gòu)鋼中的帶狀組織形貌，了解脈沖電流對合金結(jié)構(gòu)鋼中帶狀組織的影響，為后續(xù)的探索做好準(zhǔn)備。同時，學(xué)習(xí)基本實驗的操作，熟悉本專業(yè)部分儀器設(shè)備的使用方法，鞏固熱處理原理及工藝方面的專業(yè)知識，為以后的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。四、實驗對象、方法及手段1.實驗對象合金結(jié)構(gòu)鋼鋼錠式樣若干2.實驗方法通過對實驗式樣施加不同的熱處理方式，觀察帶狀組織改善狀況，和原式樣進行對比，并總結(jié)。3.檢測手段（數(shù)據(jù)統(tǒng)計）應(yīng)用金相顯微鏡，觀察合金結(jié)

6、構(gòu)鋼中的帶狀組織，同時使用能譜儀，對微區(qū)成分進行分析，了解合金元素的分布狀態(tài)。五、實驗原則實驗過程堅持求真務(wù)實、實事求是的原則，堅決杜絕實驗作假，編造實驗數(shù)據(jù)。六、實驗步驟1.準(zhǔn)備階段（起止時間2011年7月13日-2011年7月14日） 在準(zhǔn)備好的鋼錠上，采用線切割技術(shù)，制備20個式樣，式樣尺寸如下圖將式樣分為3組，A組式樣12個，B組式樣4個，C組式樣4個。將B組式樣，在線切割機上縱向剖開，制備金相式樣，并在金相顯微鏡下觀察，了解帶狀組織的形貌特征。2.實施階段（2011年7月15日開始） 將C組式樣2個置入1號電阻爐中，調(diào)好電爐溫度860，加熱結(jié)束后，保溫時間20分鐘，關(guān)閉電源，打開爐門

7、，將試樣取出，放入油桶中冷卻，冷卻結(jié)束后，取出試樣進行金相檢驗和分析。將C組另外2個式樣置入2號電阻爐中，調(diào)好電爐溫度860，加熱結(jié)束后，保溫10分鐘，關(guān)閉電源，隨爐冷卻，打開爐門，取出試樣，進行金相檢驗和分析。通過以上步驟，對比三組試樣金相組織，了解帶狀組織的形貌特征，并分析三組試樣金相差異的原因。將A組試樣進行實驗預(yù)處理。在奧氏體化過程中，取2個試樣兩端面用兩根導(dǎo)線分別焊接，放入電阻爐中加熱，兩根導(dǎo)線在爐外與MY一2005型脈沖電流發(fā)生器連接，將試樣加熱到AC3溫度930，同時輸入1000A，50HZ的脈沖電流，保溫180min，同時電阻加熱爐內(nèi)放入2個同樣尺寸同樣工藝路線不加脈沖電流的試樣進行對比。相變過程中，取4個式樣，同樣在端面上焊接兩根鐵絲作為導(dǎo)線，脈沖電流的輔助熱處理方式是將試樣在860保溫20min后，在冷卻過程中通入同樣的脈沖電流，同時模擬試樣中心和1/2R處的冷卻速度，制定其冷速分別為20/min和50/min，并在電阻加熱爐內(nèi)放入4個同樣尺寸不加脈沖電流的試樣進行對比，如下表所示。工藝編號脈沖電流保溫溫度保溫時間冷速一1保溫過程中93018020/min2無二3冷卻過程中8602050/min4無5冷卻8602020/min6無實驗結(jié)束后，對12