1、国家职业资格培训教材国家职业资格培训教材编审委员会 编黄涛勋 主编依据依据劳动和社会保障部劳动和社会保障部 制定的制定的国家职业标准国家职业标准要求编写要求编写(1)光谱仪简介光谱仪是将复色光分解为光谱并进行记录的精密光学仪器。在光源作用下，使材料中的元素被激发，不同元素发射不同特征的光，根据光谱仪记录的系列谱线的波长和强度，对照谱线表即可得出材料中所含元素及其含量。(2)光谱试样的处理1)固体金属试样：由于固体金属本身导电，可以直接作为电极，相对电极可以用炭棒、铜棒或另一支同样材料的试样。1.光谱仪2)粉末状试样：对于矿石、矿物等一般非导体可磨成粉末，置于石墨电极之孔穴中，一般电极长度为23
2、cm，直径为6cm，每次取1020mg，在打弧过程中试样会熔成一个熔球并容易从孔穴中喷溅出来，为此可预先加入12倍纯炭粉与试样粉末混合均匀备用。3)溶液试样：溶液试样可以浸吸入石墨电极中进行分析。(3)光谱仪的使用大型精密光谱仪适用于中央实验室，在热处理现场一般使用台式光谱仪或便携式光谱仪。图4-1现场使用的光谱仪a)台式光谱仪b)便携式光谱仪2.电子探针X射线显微分析仪(1)电子探针X射线显微分析仪简介电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(见图4-2)，缩写为EPA或EPMA。图4-2电子探针X射线显微分析仪(2)试样制备电子探针对试样是有一定要求的，按其形状大致可分为块状、粉末及薄膜三类。
3、对于粉末试样，若只需了解其总的成分时，便可用压缩成形或烧结等办法把粉末压在一起，用与块状试样相同方法进行分析。(3)电子探针的应用电子探针既可以对物质微小部位进行成分分析，又能观察表面组织形貌，它能成功解释过去许多不了解的现象。1)合金中相成分的分析：电子探针不仅可以分析固溶体的成分和金属化合物成分，而且可以分析合金中的析出相及沉淀相成分。2)金属材料中的偏析及扩散的研究：金属材料经表面处理后，边沿至心部成分将发生很大的变化，并且对性能有很大的影响。3)晶界偏析：金属材料中由于晶界的偏析和吸附常常引起性能的变化，例如脆性断裂、蠕变性能变差等。4)夹杂物鉴定：用金相法鉴定夹杂物的类型，主要是利用
4、夹杂物光学性能的差异来鉴别的，所以这只能是定性的分析。5)细颗粒粉末分析：采用普通化学分析方法分析120m范围内的细颗粒粉末的化学成分则有一定的难度，而采用电子探针分析细颗粒粉末的成分和含量，则速度快分析准确。6)痕量分析：痕量元素的存在往往影响材料的性能，为了研究材料性能变差或得到改善的原因，必须对痕量元素进行分析，采用电子探针可检测到(1001000)10-6范围内的元素含量，因此可以采用逐点分析或线扫描分析方法测定材料中痕量元素的化学成分。3.俄歇电子能谱仪(1)俄歇电子能谱仪简介高能量的入射电子束(或X射线)照射固体试样时将与试样的原子发生碰撞，可以激发出原子的内层电子。俄歇能谱仪由电
5、子光学系统、电子能量分析器、样品安放系统、离子枪、超高真空系统等组成（见图4 3）。图4-3俄歇电子能谱仪(2)试样的制备在取样的过程中，最重要的是千万不能使试样受到污染，应取自新鲜的试样，以保证得到真实的结果。如果是粉末试样，可用胶带把粉末粘结在胶带上，制作时只要把粉末均匀地撒在胶带上即可。(3)俄歇电子能谱仪的应用1)研究合金元素的偏析：利用俄歇电子能谱仪分析合金元素和微量元素在合金表面、晶界、相界上的吸附、扩散和偏析等。2)渗层元素的确定：利用俄歇电子能谱仪可测出元素随着深度而分布的曲线。3)热处理的表面偏析分析：从俄歇电子能谱图上可看到在60Ni20Co10Cr6Ti4Al镍基合金中，
6、在真空热处理前、后铝元素的表面浓度的明显变化。4)腐蚀的研究：材料在周围环境作用下会发生化学和电化学反应，甚至发生溶解，这些作用是通过表面或界面进行的。5)摩擦、磨损的研究：当两物体表面相互作用时，两物体的表面元素发生转移，利用俄歇电子能谱分析可以对其表面的组分、结构、状态特征、形貌特点进行分析，从而对运动过程中的变化有所真实的了解。6)压力加工后的表面分析：轧成0.05mm薄片的18Cr9Ni0.5Ti钢做俄歇电子能谱分析时发现，表面的含钛量大大高于平均成分，在不同温度下加热时表面钛的偏析不同，这种现象是压力加工后表面偏析引起的。7)磨削氧化膜的表面分析：利用俄歇电子能谱深度分析法，可分析在
7、磨削过程中氧、铁、碳、硫元素的氧化过程、氧化物的深度和氧化膜的致密程度。4.离子探针显微分析仪(1)离子探针显微分析仪简介以聚焦很细(12m)的高能(1020keV)一次离子束作为激发源照射样品表面，使其溅射出二次离子并引入质量分析器，按照质量与电荷之比进行质谱分析的高灵敏度微区成分分析仪器，称为离子探针显微分析仪。仪器主要包括4个部分：能够产生加速和聚焦一次离子束的离子源；样品室和二次离子引出装置；能把二次离子按质荷比分离的质量分析器；二次离子检测和显示系统以及计算机数据处理系统。(2)试样制备如仅需测量试样的平均组分，则需要对试样的表面预先进行研磨处理，即先用砂纸打磨后经抛光、水洗及丙酮清
8、洗、真空干燥，在这个过程中应注意防止油污和其他物质污染。当分析绝缘体试样时，因表面电荷的积累使离子探针难以测量，可用电子喷射法或用负离子为一离子束进行分析，也可在绝缘体表面放置一个导电栅网方式进行分析，这些方法均能获得稳定的质谱。(3)离子探针的应用离子探针具有电子探针不具备的优点，能检测包括氢在内的、元素周期表上的全部元素，对不同的元素，检测灵敏度是不同的。1)表面和薄膜分析：离子探针做静态分析时, 离子溅射是发生在样品表面少数原子层或吸附层上(0.52nm)的，它是研究样品氧化、腐蚀、扩散和催化等表面的物理化学过程，也是检测沉积薄膜、表面污染元素分布和晶体界面结构缺陷的理想工具。2)深度分
9、析：做动态分析时，在一次离子束剥蚀作用下，样品成分及其浓度将随着剥蚀时间而变化，因而可得到样品深度浓度分布曲线。3)同位素分析：同位素比值测定精度为0.11，不仅应用于生物、医药、有机化学和近代核物理，而且在地球和空间科学领域里，在测定月岩、陨石和地球样品微量元素同位素组成及地质年代学研究上，都能发挥微区痕量分析的特长。4)绝缘体样品分析：事先可在样品表面镀一层碳膜(或金属膜)，或者采用低能电子喷射样品表面，也可用负离子轰击样品的方法，以避免绝缘体样品分析测试中在其表面积累电荷以及由此产生的电位变化现象。光学金相显微镜由于易于操作、视场较大、价格相对低廉，直到现在仍然是常规检验和研究工作中最常
10、用的仪器。1)按照有关技术标准对各种热处理后的显微组织进行评级，以便控制热处理质量。2)热处理工艺参数的控制，如高速钢淬火加热时用晶粒度试验控制加热温度、渗碳层的金相检验以控制气氛碳势和渗碳时间。3)测定各种硬化层(渗碳层、渗氮层、感应加热淬硬层)及各种镀层的深度。1.光学金相显微镜4)监测各种热处理质量缺陷(过热、过烧、表面脱碳、增碳、显微裂纹、渗碳和碳氮共渗黑色组织及回火不足等)。5)热处理废品及零件失效分析，通过分析找出废品和早期失效的原因。6)进行原材料检验，如非金属夹杂物、碳化物偏析和带状组织等。现代光学金相显微镜（见图4 4）已普遍采用无限远光学系统设计，并广泛使用平场消色差物镜、
11、广视场目镜、高倍干物镜，一般均装备有明视场、暗视场、偏振光、DIC等常用的照明方式。图4-4现代光学金相显微镜2.电子金相显微镜图4-5现代电子金相显微镜(1)扫描电子金相显微镜扫描电子金相显微镜，简称扫描电镜，是用电视的方式成像，用极狭窄的电子束去扫描样品，即电子束在样品上做光栅运动。扫描电镜的特点是景深长，图像层次丰富，立体感强，为三维结构图像。1)扫描电镜的试样制备 对试样的要求：试样可以是块状或粉末颗粒，能在真空中保持稳定，但含有水分的试样应先烘干除去水分，或使用临界点干燥设备进行处理。表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。新断开的断口或断面，一般不
12、需要进行处理，以免破坏断口或表面的结构状态。有些试样的表面、断口需要进行适当的侵蚀，才能暴露某些结构细节，则在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，然后烘干。对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸，不能过大。样品座的尺寸各仪器不相同，一般小的样品座为?3?5mm，大的样品座为?30?50mm，以便分别用来放置不同大小的试样，样品的高度也有一定的限制，一般为510mm左右。 块状试样的制备：对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上不需要进行什么制备，只需要用导电胶把试样粘结在样品座上即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或导电性能较差的
13、材料，要先进行镀膜处理，即在材料表面形成一层导电膜，以避免电荷积累，影响图像质量，并可防止试样的热损伤。 粉末试样的制备：先将导电胶或双面胶纸粘结在样品座上，再均匀地把粉末试样撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再镀上一层导电膜即可上电镜观察。 镀膜：镀膜的方法有两种，一种是真空镀膜，另一种是离子溅射镀膜。离子溅射镀膜的原理是：在低气压系统中，气体分子在相隔一定距离的阳极和阴极之间的强电场作用下电离成正离子和电子，正离子飞向阴极，电子飞向阳极，两电极间形成辉光放电，在辉光放电过程中，具有一定动量的正离子撞击阴极，使阴极表面的原子被逐出，称为溅射。如果阴极表面为用来镀膜的材料(靶材)，需要镀膜的
14、样品放在作为阳极的样品台上，则被正离子轰击而溅射出来的靶材原子即沉积在试样上并形成一定厚度的镀膜层。离子溅射时常用的气体为惰性气体氩，工艺要求不高时，也可以用空气，气压约为5102Torr。离子溅射镀膜与真空镀膜相比，其主要优点是：第一，装置结构简单，使用方便，溅射一次只需几分钟，而真空镀膜则要半个小时以上；第二，消耗贵金属少，每次仅约几毫克；第三，对同一种镀膜材料，离子溅射镀膜质量好，能形成颗粒更细、更致密、更均匀、附着力更强的膜。 可以观察直径为030mm的大块试样(在半导体工业可以观察更大直径)，制样方法简单。 场深大，300倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察。此外，还具有图
15、像富有立体感、真实感、易于识别和解释。 放大倍数变化范围大，一般为15200000倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。 具有相当高的分辨率，一般为3.56nm。 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。 可进行多种功能的分析。例如，与X射线光谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析。配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析等。 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，以便观察
16、在不同环境条件下的相变及形态变化等。所以，扫描电镜能用于组织分析以及基体、析出相、夹杂物、扩散层和表面涂层的成分鉴定。(2)透射电子金相显微镜透射电子金相显微镜，简称透射电镜，这是一种电子束透过样品而直接成像的电镜。1)透射电镜样品的制备 复型电子金相的制样技术：用非晶体材料把由浸蚀产生的金相表面显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制薄膜(又叫做复型)放到透射电镜中进行观察分析，采用这种薄膜来研究物体表面形态的方法称为复型技术。一般采用塑料及真空蒸发沉积的碳来做复型材料。一次复型又称为萃取复型。 金属薄膜的制样：金属薄膜的厚度约为100200nm，且在制备过程中不允许有任何组织结构的变化
17、，其制备方法如下：第一步利用电火花切割、砂轮切割等方法从大块试样中切取0.20.4mm的薄片。第二步用机械磨光等方法，从薄片的两面均匀地磨去切割损伤层，直到薄片厚度为0.1mm左右。第三步将预减薄的试样最终减薄到100200nm。2)透射电镜在显微检验中的应用 热处理基本组织的辨认：热处理后常得到托氏体、贝氏体、马氏体等非平衡组织，有时受转变温度、合金成分及含碳量的影响，特别是在转变量多时常会失去其典型特征，难以在光学显微镜下可靠地辨认。而透射电镜利用复型电子金相及薄膜技术，可以比较可靠地确定光学金相显微镜难以分辨的组织，还能根据衍射花样确定相的晶体结构。 鉴别微量第二相结构：采用薄膜透射技术
18、可以确定材料中微量的第二相结构及第二相与母相的关系。所以，利用薄膜透射技术可以研究钢的回火转变以及过饱和固溶体的脱溶分解。 研究组织的亚结构：薄膜透射技术在鉴别组织形态、确定相结构及取向关系的同时，还能研究各相内的晶体缺陷特征。(1)概述超声波(频率为20000Hz)在被检测材料中传播时,材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测来了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声波检测的主要设备包括超声波探伤仪、探头和试块。1.超声波检测图4-6便携式超声波探伤仪1)超声波探伤仪：这是超声波检测的主体设备，如图4-6所示。超声波探伤仪主要性能有
19、水平线性、垂直线性和动态范围。2)探头和试块 超声波探头是一个电声换能器，如图4-7所示，它既能将电能转换成超声能，产生超声波，又能将超声能转换成电能，接受超声波。探头可以控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率。利用超声波探头可以实现波形转换和控制工作频率。探头的种类很多，根据波形不同，可分为纵波探头、横波探头等。根据耦合方式不同，又可分为接触式探头和液浸探头。根据晶片数不同，还可分为单晶探头和双晶探头。图4-7超声波探头 试块是具有简单几何形状的人工反射体的试样，如图4-8所示。通
20、常试块的各种特性都是已知的，在超声波探伤的测量工作中，常与试块作比较测量。试块分为标准试块和对比试块。标准试块是指材质、形状、尺寸、性能等由国际组织或某国权威机构讨论通过的试块。对比试块是指检测特定试件用的试块，对比试块与检测试件的声性能要相近。超声波试块的作用是校验仪器和探头的性能，确定探伤起始灵敏度，校准扫描线性。图4-8超声波系列试块(2)操作方法1)探测面的修整：应清除焊接工作表面飞溅物、氧化皮、油污及锈蚀等。2)在每次探伤操作前都必须利用标准试块(CSKIA、CSKA)校准仪器的综合性能、校准面板曲线，以保证探伤结果的准确性。3)调节仪器的扫描速度和灵敏度。4)扫查探测：使用锯齿形波
21、扫查、左右扫查、前后扫查、转角扫查、环绕扫查等几种扫查方式，以便发现各种不同的缺陷并且判断缺陷性质，只要在相应的灵敏度下有波出现即为伤波。5)缺陷测定：给缺陷定性、定量和定位。6)记录：在工件或记录纸上标出缺陷的位置、深度和面积。7)将数据文件传输给PC机，进行数据处理、保存，以便出具检测报告。(3)应用超声波检测可以用于锻件、轧制件、焊件和某些铸件的无损检测。(4)特点1)不受材料限制，金属和非金属都可进行超声波无损检测。2)超声波探伤探测距离大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度快，有较高的探伤灵敏度、周期短、成本低、灵活方便、效率高。3)波声的方向性好。4)超声波探伤对
22、人体及环境无害。5)超声波探伤要求工作表面平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类，对缺陷没有直观性。 (1)概述X射线检测是利用X射线穿过材料或工件时的强度衰减，以检测其内部结构不连续性的仪器。2. X射线检测便携式X射线机将射线发生器、高压发生器、冷却系统和控制系统共同安装一个机壳中，如图4 9所示，其体积小，重量轻，便于携带到现场进行X射线照相检测。图4-9便携式X射线机图4-10移动式X射线机(2)操作方法1)作业前详细了解被检工件材质、规格、确定热处理状况。2)运用铅质英文和阿拉伯数字组合编排出能准确识别底片并具有唯一性的标记，布置在相应的透照位置上。3)对焦。4)曝光：根据透照
23、厚度和焦距选择合适的参数对工件进行曝光。5)胶片冲洗。6)底片质量观察。7)底片评定：评定时应做好底片评定记录。8)根据评定记录出具报告。(3)应用适用于检测与射线束方向平行的厚度或密度上异常部分。(4)特点1)X射线检测方法适用于任何材料，可以检测各种材料的铸件、焊件的缺陷，还可以检测封闭物体的内部结构。2)检测中选用不同的波长，可以检测不同厚度的钢件，最厚可达500mm。3)检验结果显示直观，并且可以长期保存。3.涡流检测(1)概述将检测线圈靠近被检测工件，其表面会感生出电磁涡流，若金属工件有缺陷，涡流场强度和分布就会改变，通过测定涡流的变化来评定工件的某些性能或者发现缺陷的无损检测方法称
24、为涡流检测。图4-11涡流探伤检测仪(2)使用方法1)仪器预调：在使用涡流探伤检测仪之前要先预热2030min，以便使仪器的性能稳定，保证检测结果准确可靠。2)选用和制作对比试样：对比试样用于检测涡流探伤检测仪的性能，也可以用来判断被检测工件是否合格。3)调节仪器：选择检测参数和状态，需要选择合适的检测频率、灵敏度、相位角调节、平衡回路、设置滤波器、抑制器。4)检验试件，分析、处理检测结果。(3)应用1)缺陷检测：一般用来检测工件表面和近表面的缺陷，可以检测出缺陷的形状、尺寸和位置。2)材质分选：材质不同，电导率就不同，从而会使涡流场发生变化，可分选出不同的金属材质。3)尺寸检测：可以检测工件
25、的尺寸和形状。4)物理量测量：用于测量工件的硬度、强度以及内应力等物理参量。(4)特点1)只适用于导电材料。2)非接触检测，检测速度快，且不需要耦合剂。3)适用于导电材料的表面和近表面检测。4)可用于异形材和小零件的检测。5)可以在高温环境中检测，检测线圈不受高温的影响。(1)概述利用导磁金属被磁化，通过合适的显示介质来发现试件表面和近表面的不连续性的位置、大小、形状和严重程度的无损检测方法称为磁粉检测。缺陷磁痕可分为各种工艺性质缺陷的磁痕、材料夹渣带来的发纹磁痕、夹渣和气孔带来的点状磁痕。4.磁粉检测图4-12固定式磁粉探伤仪图4-13便携式磁粉探伤仪(2)使用方法1)接通电源开关,电源指示
26、灯亮,机器处于待工作状态。2)根据探伤工艺规范要求,调整磁化参数。3)设定磁化方式，单独周向、纵向或复合磁化。4)将工件放在两电极上,将工件夹紧。5)按下“工作键”，慢慢地顺时针调节各个“电流调节”旋钮至磁化电流达到工艺规定数值为止。6)按下“退磁键”，对工件进行退磁，退磁完毕后,用弱磁场计检查工件的剩磁是否符合要求。(3)应用1)磁粉检测只适用于检测铁磁性材料及其合金的缺陷。2)磁粉检测法可以检测铁磁性材料的表面、近表面的缺陷，诸如裂纹、发纹、折叠、夹层等，它适于薄壁件或焊缝表面裂纹的检验，也能显露出一定深度和大小的未焊透缺陷，但难于发现气孔、夹碴及隐藏在焊缝深处的缺陷。3)可以检测原材料、
27、半成品、成品以及各种管材、板材、棒材、型材和锻、铸、焊件的缺陷。(4)特点磁粉检测设备简单、成本低、操作容易、检验迅速，能够直观、清晰地显示出缺陷的情况，工作效率高，可以重复检查，检测灵敏度高，可检测出微米级的宽度缺陷。(1)概述利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入探伤试片和固体材料工件表面开口缺陷处，用去除剂清除覆着在工件表面上的多余渗透液，干燥后再施加显像剂，将渗入的渗透液吸出到工件表面，即可显示缺陷的存在，如图4-14所示，检测人员采用目视法观察缺陷，这种无损检测方法称为渗透检测。图4-14渗透检测5.渗透检测图4-15固定式渗透检测装置(2)使用方法1)预清洗：用清洗剂将被检工件表面的污
28、物(氧化皮、铁锈、油脂等)完全清洗干净。2)渗透：放置510min，待工件和试块表面干燥后，施加渗透剂，喷嘴应距工件和试块表面2030mm，渗透时间应根据使用说明，一般为515min，这期间应保持探伤表面被渗透剂充分湿润。3)清洗：采用清洗剂或水(水压应小于或等于0.15MPa)将工件表面的渗透剂清洗干净。4)显像：将显像剂充分摇匀后，对被检工件保持距离300mm处均匀喷涂，喷涂显像剂后片刻即可观察缺陷。(3)应用1)用来检测非多孔的金属材料及非金属材料的缺陷。2)用来检测铸件、锻件、焊接件表面裂纹和气孔等缺陷。3)可以检测出各种裂纹，例如金属材料的磨削裂纹、疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、热处理淬火
29、裂纹。(4)特点1)渗透检测显示直观，容易判断，操作简单，灵敏度高，适应性强，一次操作可以检测出一个平面上所有方向的缺陷，可以检查各种大小尺寸的工件。2)不受材料组织和成分限制，也不受工件大小尺寸的限制，应用范围广。3)设备简单，检测费用低。1)根据零件服役时所受载荷类型，选择相应的试验方法，如轴类零件应选用弯扭复合疲劳试验，轴承零件应进行接触疲劳试验，冷变形模具材料可选用冲击疲劳试验和磨损试验。2)根据材料化学成分和热处理状态，选择合适的试验方法。试样的试验结果，不可能完全代表零件实际使用时的性能或寿命。(1)概述能进行拉伸、压缩、剪切及弯曲等各种静力试验的试验机称为万能试验机。1.万能试验
30、机图4-16微机控制的电液伺服万能试验机(2)使用方法1)选择吨位：在试验前，要估计试样能承受的最大载荷，然后选择试验机的测量范围。2)开机调零：开动液压泵电动机，关闭回油阀，调节测力指针对准零点。3)安装试样：先用上夹头夹紧试样一端，再调整下夹头位置，夹紧试样另一端。4)加载：操作送油阀，对试样加载。5)实验完毕后，关闭送油阀，打开回油阀，使工作台回到初始位置，取下试样。2.疲劳试验机图4-17微机控制的电液伺服疲劳试验机工件原材料的化学成分是通过出厂检验和入厂复检来保证的。金属中夹杂物破坏了金属的连续性，在金属锻压和轧制过程中，夹杂物可能被延展成长而薄的流线状，形成带状组织，使金属产生明显
31、的各向异性，大大增加了淬火裂纹产生的几率。表面有脱碳层的零件，会严重降低疲劳强度，热处理时也容易开裂。1.化学成分的影响2.组织缺陷的影响3.表面质量缺陷的影响一方面要加强原材料的进厂复检，严格把好进厂关；另一方面也要认真检查热处理前工件的外观、形状、尺寸，还要检查热处理前工件的状态，包括材料牌号、化学成分、力学性能数据、金相组织数据以及毛坯制造方法、热处理前加工方法等。4.原材料质量的控制措施在复杂应力的综合作用下，丝杠类细长零件的弯曲、导轨类不等截面零件的扭曲、板状类剪刀片的翘曲以及大直径薄壁套环类零件的端面翘曲等。体积变形通常是由于组织转变引起的，例如模块尺寸的胀大或缩小；圆柱形等截面零
32、件的轴向伸长、缩短等。这是由于随着时间的推移、组织状态发生改变或应力松弛而引起的。1.外形变形2.体积变形3.微小变形零件在加热或冷却过程中，表面和心部及各不同截面区域之间，由于加热速度和冷却速度不一致形成温差，进而产生不同的热胀冷缩量差别而形成热应力。零件加热冷却过程中，表面与心部及不同截面区域之间的相变不等时性所造成的组织应力，在一定的塑性条件配合下，当应力超过钢的屈服强度后，就会产生塑性变形。1.热应力引起的变形2.组织应力引起的塑性变形3.比容变形零件在热处理过程中，因各种相结构的组织比容不同，在相变时发生体积和尺寸的变化即为比容变形。(1)奥氏体稳定性高的高合金钢零件当采用较缓慢的加
33、热方式，并在淬火冷却时采用多次分级或完全的等温淬火时，此时由于热应力和组织应力塑性变形量很小，可以忽略不计，零件的变形基本上是比容变形。(2)均匀加热和冷却的球体零件由于此时球体零件各个方向上的应力是平衡的，所以其淬火后的变形也基本上是单纯的比容变形，球体也不会因每淬火一次直径或体积变化一次。(3)截面尺寸很小的超小型零件这类零件加热或冷却时无论如何激冷激热，总是不会形成明显的内外温差和组织转变的不等时性，因此热应力和组织应力都很不明显，此时的变形也基本上是单纯的比容变形。比容变形一般只与奥氏体中碳和合金元素的含量、游离相碳化物、铁素体的多少、淬火前后组织比容变化差和残留奥氏体量的多少以及钢的
34、淬透性等因素有关。零件从毛坯制造开始，每经过一道加工工序后，都会产生复杂的加工应力。应结合零件的结构和热处理炉的特点确定装炉方式。图4-18用覆盖保护法预防变形的实例a)、b)冲模c)冲头1.消除零件热处理前的加工应力2.合理的装炉方式当零件上下两部分截面厚度有突变并且差别较大时，应采用分段加热方法，先加热零件的厚截面区，当接近淬火温度时再全部放入盐浴炉中加热，这样可有效地防止薄截面区域加热过快产生塑性压缩变形。图4-19截面厚度有突变的零件3.采用分段加热或缓慢加热图4-20花键孔靠模4.正确的冷却方法形状不对称的碳钢零件，当截面厚度较小时，采用120150的低温硝盐浴淬火冷却比采用水冷淬火
35、变形量可减少1/2左右，但弯曲的方向相反；若在150180的碱浴中淬火冷却也有减小弯曲变形的效果。这是最普遍的校正宏观局部变形方法。1)轴类、板形零件的冷压校直。2)淬火冷却后的趁热热压校直。3)贝氏体等温淬火后高塑性状态下的趁热校正和冷压校正，以及回火加热后趁热校正。4)利用相变超塑性条件的静压固定校正。5)淬火和校正过程合并进行的淬火压力机床校正。6)氧乙炔火焰局部加热校正。7)高频局部感应加热“热点”校正。8)尖角锤锤击高硬度零件凹面冷击校直。1.机械校正法9)特定条件下淬硬零件喷砂喷丸校直。10)某些特定条件下电焊接应力校正弯曲和外凸变形的电焊校正等。由于这些内容都在热处理工初、中、高
36、级书中有过叙述，所以这里就不再介绍了。常用的热处理校正法有：对胀大变形的工件在Ac1温度下用加热急冷法进行收缩处理，对收缩变形的工件用淬火胀大法进行胀大处理。2.热处理校正法(1)加热急冷法在Ac1温度下加热在水中急冷，工件不发生组织转变，不会产生组织应力，只产生因心部和表面热收缩量不同而形成的热应力。这种方法可以收缩处理各种不同形状的工件，如环形工件的内孔和外圆，扁方形工件的孔、孔距尺寸及外形尺寸，轴类零件的长度以及某些需要局部尺寸收缩的工件等。(2)淬火胀大法其原理是利用淬火时工件表层发生马氏体相变时比体积增大，对尚未发生马氏体相变或未淬透的心部施以拉应力，通过心部拉伸塑性变形达到使工件沿
37、主导应力方向胀大的目的。对于低、中碳钢和低、中合金结构钢制造的工件，采用常规淬火加热温度的上限温度加热水冷淬火时，在工件淬透或半淬透的情况下，可使主导应力方向胀大020%050%。一般情况下加热温度是根据材料的化学成分来确定的，但温度和加热速度、保温时间在一定的范围内是相互联系的：加热速度越快，奥氏体化温度越高；奥氏休化温度越高，需要的奥氏体化时间越短。应遵循组织变化或表层化学成分变化所必须的周期，应按照钢材的原始状态确定其最短的保温时间。热处理零件的淬火裂纹及表面质量的好坏与加热介质有很大关系。1.加热温度2.保温时间3.加热介质关于零件结构与热处理缺陷的关系在第一章第四节中已有详细论述，这
38、里只重申保证热处理零件的正确结构的两条最重要的基本原则：为了避免尺寸分布不均匀时产生的应力，工件图样要设计减应力工艺孔；陡直的断面过渡部分应尽可能用大的半径（3080mm）连接并将锐棱倒纯。2.材料选择1.零件的结构不合理淬火、渗碳淬火或表面渗碳淬火时必须注意材料的淬透性，保证材料内部的淬硬层深度。热处理工艺规程是保证工件热处理质量的工艺文件，不按工艺规程操作或工艺规程制订有误都会产生热处理缺陷或废品。由于测量误差造成废品的原因有：硬度测量仪安装不稳定产生振动；试样表面清理不充分；使用错误的检验负荷。5.工艺操作不当4.硬度检验3.热处理工艺规程工艺操作不当也能产生缺陷，如零件渗碳淬火后出现软
39、点，其主要原因是工件采用化学方法去毛刺后没有按规定洗净晾干而生锈，使局部脱碳形成软点。后序处理不当也会造成废品。6.后序处理产生的缺陷1.影响压铸模使用寿命之一：耐热疲劳性能1)热强度不足。2)使用温度高于回火温度。3)蠕变强度不足。4)模具材料的热胀系数及热导系数低。5)模具的设计中有应力集中。6)模具的使用不当，其中最重要的是生产率，即模具在使用过程中实际工作时加热、冷却的频率和温差变动情况、预热方法、冷却降温方式等。热疲劳裂纹是由拉应力和塑性应变等多种因素组合而成，塑性应变使裂纹出现，而拉应力使裂纹扩展。2.影响压铸模使用寿命之二：断裂(整体开裂)1)设计模具时，尽量避免应力集中点，否则
40、极易发生断裂现象。2)模具材料和热处理，包括模具材料的冶金质量、化学成分和热处理的强韧化等与韧性有直接的关系。3)使用过程中定期进行去应力处理。4)使用方式的影响，主要有模具受力的大小、压力的大小和冲压强度。3.影响压铸模使用寿命之三：冲蚀(浸蚀)1)熔融金属的温度。2)熔融金属的化学成分。3)模具设计(特别是流道的设计)。4)热处理及表面处理(如氧化或氮化)。4.影响压铸模使用寿命之四：凹陷1)热强度不足。2)使用温度高于回火温度。3)蠕变强度不足。训练2淬火油的检测和维护典型的淬火油有三种类型：快速淬火油、中速或常规淬火油、等温淬火油或热油。1)水分是最常见的污染物，根据经验有问题的淬火油
41、至少有半数以上是油中有水，它的存在会显著降低淬火工件的光亮性，造成淬火软点、零件变形、开裂、斑点等，低至体积分数为0.1的水含量就会使油槽产生大量的泡沫，严重增加火灾的危险，特别容易造成安全事故。凭声音定性测定油中的水：即将试管中装入1/3的油样，然后加热，若在油冒烟之前能听到爆裂声，则油中一定含有水。2)炭黑一般来自于炉内的气氛，特别是在高碳势或者气氛无法控制的时候。为了减少工件淬火时炭黑的带入量，对于连续式气体渗碳炉、多用炉等应做到每月烧一次炭黑并定期停炉打扫炉内炭黑；对于井式气体渗碳炉应做到每月停一次炉掏净炉内炭黑，这样可以减少炭黑对淬火油的污染。3)油渣是淬火油在使用过程中发生氧化或聚
42、合作用而引起的。新淬火油是没有油渣的，尽管在油中常加有添加剂来阻止或延缓油渣的形成，但如果淬火油不稳定，则形成油渣的趋势就会明显。4)淬火油在长期使用过程中会老化变质，发生老化的原因主要有：与炽热的钢材接触而热分解并引起聚合；加热的油与空气接触而引起氧化、脱水、分解和聚合；与锈蚀物或钢的表面接触生成铁的皂化物等，促进了油的氧化、脱水、分解和聚合；因淬火油被加热，油中轻的组分挥发；作为氧化聚合及热聚合的老化产物形成油渣等。由于以上这些中的任何一种或全部的杂质均可能存在于淬火操作的整个过程中，因此作为一个热处理技师，应当对此有所了解，并需要掌握评估这些杂质在对淬火油，特别是对淬火冷却曲线的影响。训
43、练3盘状零件的淬火裂纹分析图4 21所示为某盘状零件，材料为35钢，淬火、回火处理，硬度为2832HRC。图4-21某盘状零件外形示意图4.验证及结论(1)调整三硝水密度为了证实三硝水密度的作用，将三硝水密度调整到规定的范围(1.451.50)再进行淬火，产生裂纹的现象大大减少，但因在三硝水中停留时间掌握不当，产生裂纹现象仍不能杜绝。(2)调整该件在三硝水中停留时间该件在三硝水中停留时间按每35mm厚度停留1s计算，仅需在三硝水中冷却23s，经生产验证后杜绝了裂纹的产生。(3)结论该件淬火裂纹的产生，是因淬火冷却介质三硝水密度过低及在三硝水中停留时间过长两个综合原因所致。3.工艺过程检查2.原
44、材料检查1.裂纹分析5.改进措施1)缩短三硝水的检测周期，严格控制其密度在1.451.50以内，并严肃工艺纪律，加强专职工艺员监督。2)将35钢改为40Cr钢并在油中淬火，从而从根本上杜绝了裂纹的产生。训练4汽车后桥从动锥齿轮的淬火变形分析1.零件外形及热处理技术要求图4-22汽车后桥从动锥齿轮2.生产工艺路线4.热处理工艺过程检查(1)原材料化学成分分析从锻坯上取样进行化学成分分析其结果是：wC=0.19%，wSi=0.30%，wMn=0.99%，wCr=1.22%，wTi=0.053%。(2)锻坯正火试验锻坯经过模锻，9509702h加热保温，单件分散空冷和风冷。(3)热处理工艺参数试验将930渗碳改为880碳氮共渗，适当降低淬火温度(830840)，淬火油温控制在140160，有利于减小从动锥齿轮的变形量。(4)挂具设计齿轮的挂装方式应根据其形状大小和变形量要求来选择。3.热处理工艺过程挂具设计应考虑齿轮内、外缘的蓄热量之比与齿轮内、外缘的单位表面积散热量之比，以此来调整控制齿轮内、外缘的淬火介质的流量。图4-23从动锥齿轮挂具简图(5)验证与结论按上述试验方案进行生产验证，渗碳层深度、硬度均合格，内孔尺寸精度、内孔不圆度合格率为100%，内、外缘平面度合格率大于或等于90%。
