毕业设计（论文）热处理工艺对45钢组织和硬度的影响研究.doc

目录第一章 绪论11.1 中国钢铁产业的现状11.2碳钢的应用、优点及缺点21.3 钢的热处理工艺31.4 本论文研究内容4第二章 试验方法52.1热处理实验材料52.2 热处理设备52.3 45钢试样的热处理工艺52.3.1 45钢试样的淬火52.3.2 45钢试样的回火62.3.3 45钢试样的退火72.3.4 45钢试样的正火72.4金相试样的制备82.4.1 金相试样的制备过程82.4.2制备步骤82.5 硬度测试102.5.1 硬度测试设备102.5.2 洛氏硬度计与布氏硬度计的使用方法11第三章 普通热处理工艺对45钢组织和硬度的影响123.1 普通热处理工艺对45钢组织的影响123.2 普通热处理工艺对45钢硬度的影响14第四章 结论17参考文献18致谢19 第一章 绪论1.1 中国钢铁产业的现状中国1949年全国产钢只有16万吨，新中国成立，我国钢铁工业进入一个崭新的历史时期。1996年钢产量超过1亿吨，2005年的钢产量达到了创纪录的3.5亿吨，2007年我国生产粗钢近4.9亿吨，总体呈较快增长态势。60多年来中国的产钢量增长1000多倍，成为世界钢铁发展史上的一大奇迹。当前钢铁生产的发展得益于钢铁科技发展为钢铁行业的清洁生产奠定了良好的基础，使钢铁生产不断降低消耗与成本，不断优化钢铁材料的性能，成为各行业协调发展，优化环境的重要支撑条件。钢铁科技的自身优化与完善，还有赖于信息、环境、装备、加工等学科技术进步的推动。可以肯定，今后直到2020年的l0l5年内，钢铁工业作为国民经济重要基础产业与支柱产业的地位不会改变。目前，我国钢铁产业的生产力布局相对比较分散，产业布局方式既不适应铁矿资源结构的变化，也有悖于市场选择和环保优先的原则。钢铁工业在快速增长的同时，由于受体制和机制不完善的影响，粗放型发展特征非常明显，近两年来，盲目投资、低水平扩张问题尤为凸显。其后果正在显现：产能过剩的矛盾十分突出、资源供给和环境容量难以支撑、低水平产能占比重过高、行业恶性竞争已经出现、产业集中度进一步下降等。当前我国钢铁工业面临的形势：一方面钢铁业仍然在快速发展，另一方面来自“煤、电、油、运、矿”的压力正在增大。这种局面使得国内钢铁业在寻求扩张的同时，不得不考虑到工业布局的因素。我国钢铁产业发展政策要求，从矿石、能源、资源、水资源、运输条件和国内外市场考虑，大型钢铁企业应主要分布在沿海地区。政策提出，东南沿海地区应充分利用深水良港条件，结合产业重组和城市钢厂的搬迁，建设大型钢铁联合企业。十一五”期间钢铁工业结构调整的关键在于建设临海钢铁精品基地，这是专家在2007中国钢铁产业链发展高层论坛上的共同看法。首钢结合搬迁与唐钢合作建设的曹妃甸临海钢铁精品基地和鞍本集团建设的营口(鲅鱼圈)临海钢铁精品基地均已开工建设，有望于“十一五”末期建成一期工程。宝钢与广东省国有钢铁企业联合建设的湛江临海钢铁精品基地、武钢与柳钢联合建设的防城港临海钢铁精品基地条件也已成熟。可以说，建设4大临海钢铁精品基地是我国建设钢铁强国的重要战略举措。只有加快建有强大竞争力的现代化临海钢铁基地，才能从根本上改善不合理的钢铁产业布局、抑制低水平重复建设，并最终通过市场力量加快淘汰落后产能和落后产品的步伐，加快结构调整和优化升级，实现向钢铁强国的转变。1.2碳钢的应用、优点及缺点碳素钢（简称碳钢）是C的质量分数在0.2%2.06%之间并含有少量Si、Mn、P、S等杂质的铁碳合金。碳素钢分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和铸钢。1碳素结构钢钢虽然含有有害杂质及非金属夹杂物较多，但其冶炼方法简单，工艺性好，价格低廉，而且在性能上也能满足一般工程结构件及普通零件的要求，因此，用量很大轧制成钢板和各种型材，用于厂房、桥梁、船舶等建筑结构或一些受力不大的机械零件（铆钉、螺钉、螺母等）。优质碳素结构钢含有害杂质P、S的量及非金属夹杂物较少，其均匀性及表面质量都比较好。这类钢的产量较大，价格便宜，力学性能较好，广泛用于制造种机械零件和结构件,这些零件通常都要经过热处理后使用。在机械制造业中，用于制造各种刃具、模具及量具的钢称为工具钢2。由于工具要求高硬度和高耐磨性且多数刃具还要热硬性，所以工具钢的含碳量均较高。工具钢通常采用淬火+低温回火的热处理工艺，以保证高硬度和耐磨性。碳素工具钢的优点是容易锻造、加工性能良好，而且价格便宜。缺点是淬透性低，Si、Mn含量略有改变，就会对淬透性产生较大的影响。因此，对碳素工具钢还容易产生淬火变形和淬裂，尤以形状复杂的工具为甚，同时它的回火抗力也较差。为了提高碳素工具钢的可锻性及减少其淬裂倾向，其硫、磷含量应比优质碳素结构钢限制更严格。一些形状复杂、综合力学性能要求较高的大型零件，由于在工艺上难于用锻造方法成形，在性能上又不能用力学性能低的铸铁制造，因而需要采用铸钢件。目前铸钢在重型机械制造、运输机械、国防工业等部门应用较多，如轧钢机机架、水压机横梁与气缸、机车车架、铁道车辆转向架上的摇枕、汽车与拖拉机具轮拨叉、起重行车车轮、大型齿轮等。1.3 钢的热处理工艺钢的热处理工艺包括淬火、回火、退火 和正火。淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)、Ac1（过共析钢）以上3050。保温一段时间，然后快速冷却以获得高硬度的马氏体的热处理工艺。淬火的目的是得到马氏体，马氏体是一种高硬度的组织，硬度取决于含碳量，含碳量越高，马氏体的硬度越高。马氏体是一种含碳量过饱和的的固溶体,过饱和的碳造成了马氏体晶格的严重畸变，致使其变形抗力增大。因此，马氏体具有很高的硬度和耐磨性。钢淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其重新加热至Ac1以下某温度。保温一段时间，然后冷却至室温的热处理工艺叫回火。根据回火温度的高低不同，可将回火分为三种：第一种是低温回火（150250）,低温回火将得到回火马氏体。其目的是降低淬火应力和脆性，提高工件韧性保证淬火的高硬度和耐磨性。第二种是中温回火（350500），中温回火得到回火托式体。其目的是提高弹性极限和屈服强度，保持较高硬度和一定韧性。第三种是高温回火（500650），高温回火得到回火索氏体。回火索氏体综合机械性能最好。通常把淬火加高温回火称调制处理。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。4将钢加热之临界温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般炉冷），已获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。退火工艺种类很多，根据加热温度可以分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火。前者包括完全退火、均匀化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。退火的主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并未淬火做好准备。1正火将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)、Accm（过共析钢）以上3050，保温一段时间后，在空气中冷却的的热处理工艺。正火后的组织为铁素体和索氏体。由于冷却速度过快些，得到的索氏体为细片状珠光体，其强度、硬度比珠光体高，但韧性并没有下降，综合机械性能较好。正火可以细化晶粒，是组织均匀，减少亚共析钢中铁素体的含量，是珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。11.4 本论文研究内容对45钢进行水淬、回火（低温回火、中温回火、高温回火）、完全退火、正火，研究水淬、回火（低温回火、中温回火、高温回火）、完全退火、正火对45钢组织和硬度的影响。第二章 试验方法2.1热处理实验材料热处理的实验材料为1010mm的45钢。45钢中含有C、Mn、S、P、Si等化学成分，各种化学成分的含量表2-1。表 2-1 45 钢化学成分5元素CMnSPSi含量（%）0.40.50.50.80.450.450.170.382.2 热处理设备图2-1为对试样进行加热的箱式电阻炉。图2-1 SX2 12-10 箱式电阻炉2.3 45钢试样的热处理工艺 45钢的临界温度Ac1是725，Ac3是7802.3.1 45钢试样的淬火淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)、Ac1（过共析钢）以上3050，保温一段时间，然后快速冷却以获得高硬度的马氏体的热处理工艺。1对45钢试样进行淬火，首先要确定其工艺参数，其中有加热温度，加热时间。淬火加热温度按常规工艺：亚共析钢的淬火加热温度为Ac3305045钢属于亚共析钢，45钢的淬火加热温度810830左右。本次试验所选择的温度为840。淬火保温时间：t=a K D6式中t加热时间（min）；a到达淬火温度的加热系数（min/mm）；K装炉修正系数；D-工件的有效厚度（mm）；在一般的加热条件下，采用箱式炉进行加热时，碳素钢及合金钢a多采用11.5min/mm，k=1。实验试样为1010mm，t=1015min。本次试验保温时间10min。2.3.2 45钢试样的回火钢淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其重新加热至Ac1以下某温度，保温一段时间，然后冷却至室温的热处理工艺叫回火。根据回火温度的高低不同，可将回火分为三种：第一种是低温回火（150250）,低温回火将得到回火马氏体。其目的是降低淬火应力和脆性，提高工件韧性保证淬火的高硬度和耐磨性。第二种是中温回火（350500），中温回火得到回火托式体。其目的是提高弹性极限和屈服强度，保持较高硬度和一定韧性。第三种是高温回火（500650），高温回火得到回火索氏体。回火索氏体综合机械性能最好。通常把淬火加高温回火称调制处理。对45钢试样进行回火，首先要确定其工艺参数，其中有保温温度，保温时间。45钢试样是进行低、中、高温回火，分别为200、400、600。回火保温时间：t=aD+b 6 式中t回火保温时间（min）；D工件有效尺寸（mm）；a加热系数（min/mm）；b附加时间，一般为1020min。盐浴的加热系数为0.50.8min/mm；铅浴的加热系数为0.30.5min/mm；井式回火电炉（RJJ系列回火电炉）加热系数为1.01.5min/mm；箱式电炉加热系数为22.5mim/mm。实验试样为1010mm，保温时间为3045min，本次试验选择30min。2.3.3 45钢试样的退火将钢加热之临界温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般炉冷），已获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。45钢试样实验进行的是完全退火，完全退火又称重结晶退火，是将钢加热至Ac3以上3050，保温一段时间后缓慢冷却（随炉冷或埋入石灰或沙土中冷却），已获得接近平衡组织的热处理工艺。对45钢试样进行完全退火，首先要确定其工艺参数，其中有保温温度，保温时间。完全退火加热温度：T=Ac3+3050，45钢的加热温度为810830。本次试验所选择的温度是830。45钢完全退火的保温时间为30min。2.3.4 45钢试样的正火正火将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)、Accm（过共析钢）以上3050，保温一段时间后，在空气中冷却的的热处理工艺。对45钢试样进行正火，首先要确定其工艺参数，其中有保温温度，保温时间。正火加热温度根据钢的相变临界点选择正火加热温度。T=Ac3+3080,45钢的正火加热温度范围是810890，本次试验所选择的温度是870。正火保温时间：加热时间t=KD 6 式中t为加热时间(s)；D使工件有效厚度（mm）；K是加热时间系数（s/mm）。表2-2 K值的经验数据加热设备加热温度（）(碳素钢）K/(s/mm)(合金钢)K/(s/mm)箱式炉80095050606070盐浴炉80095015252030t=610min，本次试验选择10min。2.4金相试样的制备2.4.1 金相试样的制备过程制备大小一定试样，对试样进行显微组织观察，包括取样、磨制、抛光和浸蚀。9 2.4.2制备步骤（一）取样应根据研究目的选取有代表性的部位和磨面，确定好试样的高度后，用 Q-2型金相切割机（图2-2）取试样。图2-2 Q-2型金相切割机（二）、磨制磨制包括粗磨与细磨。磨制是为了获得一个平整的表面，为下一步骤中的抛光做准备。粗磨时首先用砂轮机将试样的毛刺磨平，有利于用砂纸对试样的打磨。用砂轮机将试样的毛刺打磨完毕后，然后用再用砂纸对试样进行下一步的粗磨。先用200目的砂纸进行粗磨，然后再用600目的砂纸进行粗磨。粗磨结束后，然后用1000目的砂纸进行细磨，将试样表面磨成一个光滑的水平面，表面不能有明显的划痕。对试样在砂纸上进行磨制时不能来回磨，只能朝一个方向磨，每磨一次试样要转动90度在进行磨制，这样有利于消除磨痕。(三)、抛光磨制完毕后，需要对试样进行抛光，抛光需要用抛光机（图2-3抛光机）图2-3抛光机抛光的目的是为了去除磨面上的磨痕获得光滑的镜面。抛光机使用时需要有氧化铝溶液配合使用。抛光机上需铺有绒布，对试样进行抛光时需要不断的向绒布上滴入氧化铝溶液。抛光时要将试样抓紧，但不要用太大的压力，直到抛成光亮的镜面，镜面上不能有划痕、金属夹杂物。（四）腐蚀对试样进行腐蚀所用的腐蚀液是用4%的硝酸酒精溶液配制而成。腐蚀液对试样表面进行化学溶解，磨面表层原子被溶于腐蚀中。在溶解中由于晶粒和晶粒之间溶解速度不同，组织被显示出来。腐蚀好的试样经酒精洗涤，用热风吹干即可进行显微组织观察2.5 硬度测试2.5.1 硬度测试设备对试样进行硬度测试的设备是洛氏硬度计（图2-4）、布氏硬度计（图2-5）图2-4 HR-150A 洛氏硬度计图2-5 布氏硬度计2.5.2 洛氏硬度计与布氏硬度计的使用方法洛氏硬度实验以测量压痕深度表示材料的硬度值。洛氏硬度实验所用的压头有两种：一种是圆锥角=120；另一种是一定直径的小淬火钢球或硬质合金球。7洛氏硬度计的使用方法：以金刚石圆锥体测定硬度为例。为保证压头与试样表面接触良好，实验时先加初始试验力F0，在试样表面得一压痕，深度为h0。此时，测量压痕深度的指针在表盘上指零。然后加上主试验力F1，压头压入深度h1。表盘上指针以逆时针方向转动到相应刻度位置。试样在F1作用下产生的总变形h1中包括弹性变形与塑性变形。当将F1卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（h1-h）。这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度，而指针顺时针方向转动停止时所指的数值就是洛氏硬度值。洛氏硬度值就是以压痕深度h来计算的。H越大，硬度值越低；反之，则越高。为了照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，一般用常数k减去h来计算硬度值，并规定每0.002 mm为一个洛氏硬度单位。于是洛氏硬度值的计算式为HR=（K-h）0.002式中HR为洛氏硬度值的符号。当使用金刚石圆锥压头时，k取0.2mm；当使用淬火钢球或硬质合金球压头时，k取0.26mm.实际使用的洛氏硬度计，其测量压痕深度的百分表盘上的刻度，已按上式相应的硬度值，因此实验时可根据指针的指示直接读出硬度值。布氏硬度计的使用方法：布氏硬度实验的原理是用一定直径D（mm）的硬质合金球为压头，施以一定的实验利F(N)，将其压入试样表面，经规定保持时间t（s）后卸除试验力，试样表面将残留压痕。测量压痕平均直径d（mm），求得压痕球形面积A（mm2）.布氏硬度值（HBW）就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商，F以N为单位时，其计算公式为HBW=0.102F/A=0.204F/D(D2-d2)1/2。 通常，布氏硬度值不标出单位。7第三章 普通热处理工艺对45钢组织和硬度的影响3.1 普通热处理工艺对45钢组织的影响45钢830完全退火得到的组织为珠光体和铁素体，图3-1是45钢完全退火的显微组织图。图3-1 45钢完全退火显微组织图400其中黑色的为珠光体，白色的为铁素体。3完全退火通过完全重结晶，使热加工中造成的粗大晶粒、不均匀组织细化和均匀化，接近平衡组织。对45钢进行正火可以得到铁素体和索氏体，图3-2是45钢正火显微组织图。图3-2 45钢正火显微组织图40045钢正火显微组织图中，黑色组织为索氏体，白色组织为铁素体。由于冷却速度过快些，得到的索氏体为细片状珠光体，其强度、硬度比珠光体高。正火可以细化晶粒，使组织均匀，减少铁素体的含量，使珠光体含量增多并细化。对45钢840水淬可以得到针状马氏体， 图3-3是45钢水淬的显微组织图。图3-3 45钢水淬显微组织图400马氏体组织较细，因为将45 钢加热到840时奥氏体晶粒较细，并且融入了足够的碳，可以得到组织较细的马氏体组织。45钢200低温回火的组织为回火马氏体，图3-4为回火马氏体显微组织图。图3-4 45钢低温回火显微组织图400回火马氏体它是由过饱和固溶体和与其共格的-碳化物组成。回火马氏体仍保留着原来马氏体的形状。在过饱和固溶体上分布着大量高度弥散的细小-碳化物。45钢400中温回火的组织为回火托式体，图 3-5为回火托式体显微组织图。图3-5 45钢中温回火显微组织图400回火托式体是由尚未发生再结晶的铁素体和弥散分布的极细小的片状渗碳体组成，铁素体尚未结晶，仍保留着原来马氏体的形态。 45钢600高温回火的组织为回火索氏体，图3-6为回火索氏体显微组织图。图3-6 45钢高温回火显微组织图400回火托式体是由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成的，铁素体已发生了再结晶，同时渗碳体聚集长大，渗碳体颗粒要比在回火托式体中大，渗碳体颗粒要比在回火托式体中大，弥散度较小。93.2 普通热处理工艺对45钢硬度的影响对45钢采用不同的热处理工艺，将对45钢的硬度值产生不同的影响，如表3-1。表3-1普通热处理工艺对45钢硬度的影响普通热处理类型加热温度/组织硬度低温回火20034HRC中温回火40029.5HRC高温回火600212HBW淬火84033.2HRC完全退火830155HBW正火870189HBW布氏硬度值约为洛氏硬度值的十分之一。高温回火的洛氏硬度值为21.2HRC,完全退火的洛氏硬度值为15.5HRC，正火的洛氏硬度值为18.9HRC。图3-7为45钢硬度值随回火温度的变化图，从图中可以看出随着回火温度的升高，45钢的硬度值降低。 图3-7 45钢硬度值随回火温度的变化 低温回火的组织是回火马氏体。它是由过饱和固溶体和与其共格的-碳化物组成。回火马氏体仍保留着原来马氏体形状，硬度变化不大。中温回火的组织是回火托式体。它是由尚未发生再结晶的铁素体和弥散分布的极细小的片状或渗碳体组成，其硬度降低。高温回火的组织是回火索氏体。它是由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成的。铁素体已发生了再结晶，同时渗碳体聚集长大，渗碳体颗粒要比在回火托式体中大，硬度降低。因此随着回火温度的升高，硬度逐渐降低。正火的作用与完全退火相似1，图3-8为45钢830完全退火与870正火的硬度值。图3-8 45钢830完全退火与870正火得硬度值(单位HRC)45钢正火后的组织为铁素体和索氏体，正火可以使组织细化，完全退火后的组织为铁素体和珠光体，索氏体为片状珠光体，强度硬度比珠光体高，所以45钢正火的组织硬度要比完全退火的组织硬度高。第四章 结论通过对45钢进行840淬火、回火（200低温回火、400中温回火、600高温回火）、830完全退火、870正火，对45钢热处理后的组织进行显微观察，对其组织进行分析，并测量热处理后的组织硬度，得出以下结论：（1）45钢840水淬后的组织是针状马氏体，针状马氏体具有较高的硬度。（2）45钢200低温回火、400中温回火、600高温回火的硬度值分别为34HRC、29.5HRC、212HBW，其硬度值随回火温度的升高而降低。（3）45钢830完全退火、870正火的组织分别为铁素体和珠光体、铁素体和索氏体，两者热处理方式具有相似性，但是正火后的组织硬度比完全退火后的组织硬度高。参考文献1罗继相 ，王志海 .金属工艺学 .武汉理工大学出版社，2009.2 :34-352戴起勋.金属材料学.化学工业出版社，2005.6:993石德柯，材料科学基础 第2版，机械工业出版社，2003.7（2008.9重印），1844崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理.机械工业出版社, 2007 .5 :278 ,292-2935 王永康,45钢热处理工艺节能途径分析J. 能源研究与信息，2000.4（1）,32-336黄春峰.钢的力学性能及热处理工艺经验公式J. 金属热处理.1998，（4）：12-177束德林.工程材料力学性能 第3版.机械工业出版社，2007.5（2010.6重印）：49-518王运炎，朱莉.机械工程材料 第3版.机械工业出版社，2008.12(2010.6重印)：949 刘艳英,臧金旺,李宪武.金相试样制备概述.金属世界，2010年1月 第一期致谢终于将论文写到此处，意味着我们四年大学生活的结束，也意味着我们即将真正踏入社会。在论文完成之际，我要感谢指导老师戴景杰。戴老师陪伴着我们做实验，在我们不懂的地方，戴老师主动的对我们进行指导，并对每一项实验进行详细的介绍，让我们在实验前就对该实验就有详细的了解。戴老师渊博的知识，严谨的工作态度，让我们受益匪浅。在此，我对戴老师表示感谢与敬意。实验能够的顺利进行，还要谢谢学校领导给我们提供实验场所，能够一心一意的实验，感谢学校领导的关怀。在实验过程中，还有孟庆森教授、李守英老师老师的悉心教导，更好地了解实验过程以及注意事项，让我们能够更加完美的将实验做好。谢谢孟教授、李老师对我们的指导。感谢我的班主任老师翟建，在选题与实验过程中，对我们进行思想上的关怀，让我们认真做实验，认真完成论文。实验的顺利完成使我们同组者相互写作的成果，我们相互帮助、相互协作共同的完成了实验，完成课题。对我们的同组者表示十分感谢。感谢父母对我学业的支持，让我顺利的完成学业。