毕业设计（论文）-45钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能研究.doc

编号 本科生毕业论文45钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能研究Effects of Friction Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Steel 45学 生 姓名专 业机械设计制造及其自动化学 号指 导 教师学 院机电工程学院二一一年六月 II毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）45钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能研究，是认真学习理解学校的本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月日摘 要摩擦热处理就是摩擦生热，具体用于能量转换，例如，机械能转化为内能，内能表现为发热，这就是摩擦热处理。本文以45钢为研究对象，采用端面干摩擦的方式进行摩擦热处理试验。利用数显洛氏硬度计HRS-150测定试样的硬度；利用扫描电子显微镜拍摄试样的金像组织进行热处理分析。试验发现：摩擦热处理后的表面硬度达到淬火硬度；试样表面存在一定的摩擦热处理区；摩擦热处理区内的显微组织中含有大量的、均匀分布的马氏体。实验结论：摩擦淬火工艺完全可以实现。关键词：45钢 摩擦热处理 力学性能 Abstract Friction is the friction and heat treatment, specifically for energy conversion, for example, mechanical energy into internal energy, internal energy manifested as heat, which is the friction heat. In this paper, 45 steel as the research object, the way end dry friction the friction heat treatment. Using digital rockwell hardness tester HRS-150 determination of the hardness of the sample; by scanning electron microscope image of gold film sample of tissue for treatment.Test found: the friction surface hardness after heat treatment quenching hardness; the sample surface there is a certain friction heat treatment zone; friction and heat treatment the microstructure of the region contains a large number, uniform distribution of martensite.Experimental results: the friction hardening process can achieve.Key words: Steel 45 ；Frictional heat ；Mechanical properties目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1热处理的概述11.1.1热处理的定义11.1.3应用现状和发展前景11.2 45钢的简介21.2.1 45钢的介绍21.2.2 45钢的处理方法21.2.3 45钢的主要用途31.3摩擦热处理方法的提出31.3.1摩擦热处理的概述31.3.2摩擦热处理探究过程31.3.3摩擦热处理的特点41.4国内外现状简介51.5论文开展的研究工作6第二章 摩擦热处理分析82.1传热学的定义82.1.2导热基本定律傅立叶定律82.1.3温度场和导热系数92.2摩擦温度场92.2.1导热微分方程102.2.3摩擦温度场边界条件102.3摩擦热处理温度场模型122.3.1数学模型的建立122.3.2物理模型的建立132.4本章小结14第三章 摩擦热处理工艺试验153.1试验前的工作准备153.1.1机床的选择153.1.2摩擦副的选择163.1.3试样的选择与制备173.2摩擦热处理试验183.2.1试验方案的制定183.2.2摩擦热处理试验过程193.3本章小结22第四章 试样硬度和金相组织分析234.1.1取样234.1.2制样的镶嵌和磨样234.1.3硬度测量244.2试样组织分析264.2.1试验电子显微镜264.2.2 45钢金相组织分析274.3 本章小结31第五章 总结与展望325.1总结325.2展望32参考文献34致谢36II长春理工大学本科毕业论文 第一章 绪论1.1热处理的概述1.1.1热处理的定义热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构来控制其性能的一种金属热加工工艺1。1.1.2热处理的工艺过程热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。 金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。 加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长2。 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。1.1.3应用现状和发展前景。1.1.3应用现状和发展前景多年来3，国外热处理技术发展很快，包括可控气氛热处理、真空热处理、离子热处理、新型化学热处理、高能率热处理以及电子计算机在热处理中的应用等，此外，节能、节材的工艺和设备也在不断地发展。建国以来，我国的热处理技术也有了很大的发展，现有热处理生产厂点一万余家，热处理加热设备十万多台，年生产能力660多万吨钢件，年产值约50亿元。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理设备和实际生产水平方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理工艺和热处理设备落后、氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解国内外热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”。加强热处理的基础理论研究，大力发展多参数热处理和复合热处理工艺，采用新的加热源和新的加热方式，采用新的淬火介质和改进淬火方法。1.2 45钢的简介1.2.1 45钢的介绍45钢,是GB中的叫法,JIS中称为:S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为:C45 。国内常叫45钢，也有叫“油钢”。一般，市场现货热轧居多。冷轧规格1.04.0mm之间。含碳（C）量是0.420.50%，Si含量为0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量=0.25%，Ni含量=0.30%。1.2.2 45钢的处理方法（1）热处理推荐热处理温度：正火850，淬火840，回火600. 45钢为 优质碳素结构用钢 ,硬度不高易切削加工,模具中常用来做模板,梢子,导柱等,但须热处理 。 1. 45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。 实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。 2. 45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。 调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。 （2）渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质+表面淬火高。其表面含碳量0.81.2%，芯部一般在0.10.25%（特殊情况下采用0.35%）。经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC5862），芯部硬度低，耐冲击。 如果用45钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到0.30%芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。0.35%从来没见过实例，只在教科书里有介绍。可以采用调质+高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。 GB/T699-1999标准规定的45钢推荐热处理制度为850正火、840淬火、600回火，达到的性能为屈服强度355MPa GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16%，断面收缩率为40%，冲击功为39J1.2.3 45钢的主要用途轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。45钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好， 45钢可以淬硬至HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45钢表面淬火(高频淬火或者直接淬火)，这样就能得到需要的表面硬度。1.3摩擦热处理方法的提出1.3.1摩擦热处理的概述热的本质的认识过程摩擦生热早已在实践中被人们所熟悉，但是为什么会产生热？热是什么？人们很久也没有弄清楚在古代就对热有两种不同的看法，一种把热看成是一种特殊物质；一种认为热是物质的某种运动形式1.3.2摩擦热处理探究过程17 世纪以后，多数人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动形式，不少物理学家都相信这一点但是这种看法由于缺乏精确的实验根据，还不能形成科学的理论 到了18 世纪，对热的研究走上了实验科学的道路把热看成是一种特殊物质的热质说，由于能够解释某些实验结果，因而在当时获得了承认热质说将热看成一种没有质量或不可称量的流质热质，它不生不灭，存在于一切物体之中，物体的冷热程度，决定于其中所含热质的多少热质说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比热降低了，因此摩擦可以使物体的温度升高 1798 年，英国学者伦福德（17531814）在从事枪炮制造时，发现钻孔钻下的金属屑具有极高的温度，用水来冷却时，甚至可以使水沸腾他怀疑金属屑具有极高温度是不是由于比热降低造成的伦福德在他的笔记中写道，由摩擦所生的热，来源似乎是无穷无尽的，要用热质说解释摩擦生热现象，钻下的金属屑的比热要改变很大才行于是他设计并做了一系列实验，发现钻下的金属屑的比热在摩擦时并没有降低根据实验结果， 伦福德断言热质说不足为信，应当把热看成是一种运动形式，热质说的统治地位开始动摇了 1799 年，英国的戴维做了更加严格的实验他在零摄氏度以下的露天里，在抽成真空的玻璃罩内，使金属轮子和盘在钟表装置的带动下相互摩擦，结果使金属盘上的蜡熔化了在这个实验中，热不可能是由周围物体传递给蜡的，而且伦福德的实验已经证明，金属也不会由于比热的降低而放热，那就只能是由于摩擦生热使蜡粒子的运动加快了戴维的实验有力地打击了热质说4-51.3.3摩擦热处理的特点1、具有显著的节能效果至今为止的热处理方法中高频感应热处理是公认的节能性最好的热处理。因此，就以高频感应热处理与摩擦热处理的耗能情况比较就可以说明摩擦热处理的节能特点。（1）高频感应热处理能量消耗情况6：以现有文献资料可查得高频感应热处理的耗能情况可以按如下计算：高频淬火设备由电源、变压器、感应线圈和水套等构成，这些组成部分中，电源消耗功率平均约为10%（一般在5%15%）、频率转换消耗功率平均约为7%（一般在5%10%）、输电消耗功率平均约为3.5%（一般在2%5%）、磁损耗约为10%、冷水被加热带走感应产生的热量近50%、感应电流消耗约10%。还有一些热传导、辐射和空气之中的对流等消耗，但就按上述有据可查的数据，高频热处理最后可用于工件加热的能量可按下式计算：100% - 10% = 90% (电源消耗后余下部分)90%（1 - 7%）= 84% (频率转换后余下部分)84%（1 - 3.5%）= 81% (输电消耗后余下部分)81% (1 - 10%) = 73% (磁损耗后余下部分)73% (1 - 50%) = 37% (冷水带走热量后余下部分)37%（1 - 10%）= 33% (感应电流消耗后余下部分）从上述数据和计算可知，高频感应热处理中可用于加热工件用的有效能量只有约为33%，而67%以上均为无效消耗的能量。（2）摩擦热处理能量消耗情况：摩擦热处理是通过电机把电能直接转换成机械能、机械能直接转换成热量来加热工件，中间环节很少。当前电机的效率平均为93%，考虑到摩擦头的吸热和热量在空气中的散失量13%，那么摩擦热处理可用于工件加热的有效能量可达80%。由上面数据充分说明，摩擦热处理节能效果相对高频热处理非常明显。如果与其它热处理比较具有不可比拟的节能效果的特点。2、具有很好的环保效果高频感应热处理是当前国内外公认的环保热处理，但高频感应热处理存在电磁幅射、产生弧光和有害气体，而摩擦热处理不存在高频感应热处理存在的污染环境和有害健康的因素。因此，摩擦热处理是非常环保的绿色热处理技术。3、生产效率高摩擦热处理准备工序简单、加热时间短，其热处理效率与摩擦焊接和高频感应热处理相同。因此，能够达到很高的热处理效率。4、提高工件的综合机械性能摩擦热处理淬火，淬硬层具有高的硬度和耐磨性而芯部基体材质组织结构不变，具有很好的塑性及韧性。所以使工件的抗冲击性和耐用度大大提高。5、大幅度地降低热处理成本从节能和提高热处理效率角度，摩擦热处理都非常明显地降低热处理成本；再从提高工件机械性能的来考虑，摩擦热处理的经济效果将是非常可观的。6、可应用范围广摩擦热处理不但可广泛应用于各种轴类形状零件的柱面热处理，而且可用于不同形状的端面热处理，如汽车半轴、凸轮轴、曲轴以及轧钢厂冷轧辊的柱面热处理，还有锤头、汽阀顶杆、汽车调节螺钉、各种模具脱模机构中顶杆的端面热处理等。1.4国内外现状简介近年来7-10，钢制零件的表面热处理,大多采用传统的高频或中频感应加热淬火。之后一般还要进行磨削加工,以获得所要求的尺寸精度、形状精度和表面质量。传统的表面淬火加磨削工艺存在两个主要问题:一是表面热处理热处理工艺难以集成到产品生产线上、自动化程度低。二是磨削加工时,磨削热可能会对已热处理材料造成热损伤。长期以来,国内外研究磨削热所做的工作,主要集中在将磨削热作为消极因素加以研究。近十几年来,一些学者研究试图主动有效地控制磨削工艺条件,利用磨削热对工件表层进行热处理,初步形成了磨削淬硬表面热处理技术，试图将机械加工中的消极因素转变成积极因素。磨削热处理技术是利用磨削热替代高、中频感应淬火热源对钢件表层进行热处理,将磨削加工与表面热处理合为一体。磨削淬火技术正是在这种背景下,由德国学者E Brinksmeier和Brockhoff T于1994年率先提出,即首先利用粗磨加工产生的磨削热,在磨削加工过程中直接对工件表面进行表面淬火,然后再用精磨加工达到工件所要求的精度,从而解决了磨削中的热损伤和表面淬火难以在生产线集成的问题,实现了磨削加工与表面淬火相集成的新的加工工艺。磨削热处理是磨削加工与表面淬火的集成过程,其工艺过程如下:在零件上首先利用粗磨产生的大量磨削热取代传统的表面淬火热源以达到工件表层热处理的目的,然后再精磨获取所要求的精度和表面质量，从而省去感应加热表面淬火工艺,简化生产工艺。2000年澳大利亚的Zhang. L. C和Zaru-d.i I申请了关于磨削加工和表面淬火集成工艺的专利。2002年，澳大利亚的Zarudi.I等学者通过对调制态AISI4140钢零件进行磨削热处理试验，并根据工件组织显微分析结果，明确指出：与常规淬火相比，磨削热处理后的组织外表层具有超精细板条马氏体和少量胞状多边形为错结构。同时磨损与疲劳性能试验结果还表明，与常规淬火件或非淬硬件相比，高硬度、超精细化晶粒于多边形为错结构增加了磨削热处理后组织的热-化学稳定性，从而是工件磨损率、摩擦系数和疲劳寿命得到了显著的改善，充分证明了该工艺的应用优势。目前为止,国内外学者在磨削淬火工艺的研究方面做了许多工作并取得了一定的成果,但仍然存在下列技术问题,使得磨削淬火工艺在生产实际中的应用受到限制。(1)磨削淬火的理论研究较薄弱磨削淬火是一个复杂的过程,主要受到磨削技术和淬火技术两方面的影响。在磨削过程中,磨削力是一个重要参数,对机械能转化为热能有着至关重要的影响,是导致磨削过程中温度、相变等变化的最根本因素。因此,对磨削基础理论的研究尚需进一步加强。在淬火过程中,冷却速度对淬火能否实现以及淬火质量的好坏起着关键性的作用。目前磨削淬火技术研究中多利用空气自然冷却,磨削淬火技术的淬火质量和材料的应用范围必然受到影响,故对冷却速度的研究也需加强。(2)磨削淬火技术的工艺稳定性较差。工艺的稳定性是工业生产应用的前提条件。但目前对磨削淬火技术工艺稳定性的研究主要集中在最大淬硬层深度的再现性方面,而对淬硬层深度沿磨削方向的一致性的研究较为薄弱。在磨削淬火试验研究中发现,沿磨削方向,磨削淬硬层深度变化比较大。磨削过程由于受到多种因素的影响,磨削热量是一个动态变化的值,故造成沿磨削方向淬硬层深度的不一致。如何控制淬硬层深度沿磨削方向的变化,将是磨削淬火技术研究的一个重要内容。(3)磨削淬火技术应用范围较窄。目前,在磨削淬火试验研究中,为实现磨削淬火并达到较好的淬硬层深度,多选用淬透性较好的合金钢及部分中碳钢,且多采用切入式的长方体试平面磨削方式,而对磨削淬火技术材料的适用范围进行界定;此外对生产实际中应用较广的大表面平面、零件外圆及成形面的磨削淬火研究涉及较少。目前的研究局限于探讨阶段,与实际应用的结合不够紧密。1.5论文开展的研究工作由于热处理的方法很多，要想在本科生阶段全部作研究比较困难，论文选择了淬火为主要研究方向。论文选取45钢为研究对象，开展以下工作：（一）理论部分(1) 在现有的理论基础上，根据传热学理论，推出摩擦热处理温度场的温度计算公式。（二）实验部分（1）摩擦热处理试验方案的制定采取端面对磨的方式；（2）试样的制作以及摩擦副的选择（摩擦副材料为：YG6X硬质合金刚）；（3）摩擦试验机床的选择：C-4D-QJ型摩擦焊机；（4）不同转数下的对磨试验分别为2500r/m和1500r/m；（5）通过实验获得热处理部分的金像。（三）分析部分（1）通过数显洛氏硬度计测定热处理部分的硬度；（2）通过扫描电子显微镜分析热处理区的组织形貌和热处理层深度；（3）通过对比原始组织和热处理后的组织判断淬火是否成功；第二章 摩擦热处理分析论文后期，要对摩擦温度场进行分析，故在本引入传热学基础和温度场模型。2.1传热学的定义经常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学.传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后裔只讨论在平衡状态下的系统这些附加的定律足以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。 传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象而广泛存在于工程技术领域。2.1.1热量传递的基本方式热量传递的方式主要有：热传导、热对流、热辐射三种。(1)热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递称为热传导。通过试验经验的提炼，热传导现象的规律已经总结为傅里叶定律。(2)热对流：热对流是指流体过部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺合所引起的热量传递方式。对流换热仅能发生在流体中，而且必然伴随着热传导。对流换热按引起流体流动的原因不同，可分为自然对流和强制对流。 (3)热辐射：物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。2.1.2导热基本定律傅立叶定律单位时间内通过单位面积所传递的热量，正比例于垂直于截面方向上的温度变化率， 即11-12 （21）此处温度变化率是温差和距离比值的极限，即 温度变化率= （22）引入比例常数可得， （23）这就是导热基本定律，又称傅立叶定律的基本表达式。式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向，这是满足热力学第二定律所必需的。傅立叶定律用文字来表达是：在导热现象中，单位时间内通过截面的热量，正比例与垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积。它是导热现象规律性的经验总结。傅立叶定律用热流密度表示时有下列形式： （24）温度梯度可以表示如下： （25）之中表示为单位法向向量；表示温度在方向上的导数。温度梯度在空间坐标三个坐标轴方向上的分量，等于其相应的偏导数： （26）用向量表示傅立叶定律的表达式为： （27）2.1.3温度场和导热系数（1）温度场傅立叶定律表明13-16，导热热量与温度梯度有关，所以研究导热必然涉及物体的温度分布。一般的讲，物体的温度分布是坐标和时间的函数，即 （27）式中，为空间直角坐标，为时间坐标。温度场是各时刻物体中各点温度分布的总称。温度场分为两类：一类是稳态工作条件下的温度场，各点的温度不随时间而变化；另一类是瞬态温度场温度分布随时间的变化而变化。（2）导热系数17-19导热系数的定义式由傅立叶表达式给出： （28） 数值上，它等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度。导热系数的数值取决于物质的种类和温度。金属的导热系数通常都很高。 2.2摩擦温度场摩擦温度场20，顾名思义是在摩擦热处理实验中由摩擦热处理产生的温度场，包括摩擦副温度场和试样温度场，本文主要对试样温度场进行研究。对摩擦温度场的研究，有助于对摩擦热处理效果的分析，对完善摩擦热处理工艺有至关重要的作用。2.2.1导热微分方程由传热学知识可知21-23，任意方向的热流量总可以分解成为三个坐标轴方向的热流分量。通过，三个表面导入微元体的热流量，根据傅立叶定律可直接写成如下： （29）通过，三个表面导出微元体的热流量亦可按傅立叶定律写出如下： （210）按照能量守恒定律，如果物体内部没有热源，那么在稳态条件下，导入微元体热流量的总和应该等于微元体热流量的总和，故写出下列热平衡式：导入微元体的总热流量=导出微元体的总热流量 （211）将（29）、（210）代入（211）可得： （212）式中及总是不等于零的，于是能量守恒定律的最终结果可表示为： （213）这就是对一切稳态、无内热源、常物性导热问题普遍适用的导热微分方程。当然，还存在非稳态及有内热源的导热微分方程。 2.2.3摩擦温度场边界条件（1）摩擦温度场的单值条件24导热微分方程描述了导热问题的“共性”，但要得到一个确定的导热问题的解(温度场和热流)，还需要给定问题的“个性”，即单值条件。单值条件包括以下几项： 1、几何条件：说明参与过程的物体的大小和形状。如果是各向异性材料，还要给出导热系数主轴的方向。 2、物理条件：给定各种有关的物性量的值，包括随温度变化的函数关系、是否有内热源以及内热源的大小和分布。3、时间条件：说明过程在时间上的特点。稳态过程不需要时间条件;对于非稳态过程，则要给出初始温度分布，即初始条件。4、边界条件：描述在区域边界上过程进行的特点。几何条件和物理条件通常体现在导热微分方程的简化和坐标系的选择中，而时间条件(对非稳态问题)和边界条件则体现为单独的数学表达式。边界条件用数学描述如下：第一类边界条件：， ,表示测出端点的温度或浓度。第二类边界条件：，表示测出端点的热量或原子(或分子)数。 如果在端是绝热的，即：称为绝热条件。第三类边界条件：如； 表示与外界按热传导中的牛顿定律进行热交换，即自由冷却。（2）摩擦导热微分方程摩擦热处理的传热过程由于热源唯一、传导介质均匀、方向为一维。根据边界条件可以划定为一维热传导的范围之内。推到摩擦热处理微分方程如下：根据傅里叶定律，沿x , y及z轴传入微元体的热流量为： （214） 从微元体流出的热流量为： （215）摩擦温度场没有内热源，根据能量守恒定律有：流入与流出微元体的热流量差额等于单位时间内微元体蓄热量的增量。温度场t是坐标及时间的函数，即 （216） 既单位时间内微元体蓄热量的增量为： （217） 将(214)、(215)、(217)带入(216)式，经整理可得： （218） 则有 （219）一维、稳态传热状况下，导热微分方程为： = （220） 式（220）即位摩擦热处理过程中的导热微分方程。2.3摩擦热处理温度场模型2.3.1数学模型的建立如上所述25-27，本试验所涉及传热过程适用于第一类边界条件：即给出了物体表面温度随时间 变化的关系： （221）在稳态过程中=定值，称为定温壁。在时，导热物体各处温度均匀，都为，则初始条件是时，定值。在不稳定导热过程中，该表面温度不变，一直保持为。这时具有边界条件： (时)处 定值。在上述初始条件及边界条件下，由数学解析法求得的特解： （222） 其中 称为高斯误差函数： (223)式中的 tw、t0、t、x1、a为已知的，由以上已知条件可求出。其中，为给定的， ，为材料与温度所决定的参数。的值可由的值确定，具体数值可在相关表中查的，其中可由辛普生（Simpson）求积公式得。辛普生公式为： (224)对求积的过程为： (225)将上式带入式（217）得： 以上即为摩擦摩擦热处理试验中温度场传热过程数学建模过程。2.3.2物理模型的建立摩擦时工件传热物理模型如图2-1 图2-1平面摩擦的传热模型（1）假设整个过程中转速不变，摩擦副和工件表面没有磨损，顶紧力不变。研究摩擦温度主要考虑的是工件表面层的最高温度。（2）摩擦过程是许多表面颗粒随机摩擦的过程，随机摩擦点热源的集合可以近似的认作为一个连续分布的平面热源。这个平面就是摩擦副和工件的接触面。假设它是一个持续发热的均匀而恒定的面热源，其单位时间单位面积的发热量为。（3）由摩擦学知识可知摩擦热处理过程中热流量为： （226） 式中： 摩擦副与工件接触面积（即工件端面面积） 切向摩擦力 摩擦加热功率 工件端面半径2.4本章小结本章主要介绍了传热学的基础理论、摩擦温度场以及温度场模型的建立。根据传热学的理论推导出的摩擦温度场的数学模型和抽象出的物理模型，为深刻理解摩擦热处理的机理奠定了基础。同时，模型的建立也为后期温度场仿真中参数的设定提供了方法。第三章 摩擦热处理工艺试验摩擦热处理是一种刚刚处在研究阶段的新工艺。它是利用摩擦产生的热对工件表面进行处理，摩擦热处理使工件表面的温度短时间内升高到奥实体化的温度，然后迅速冷却到马氏体相变的温度，从而提高工件表面的强度、硬度和耐磨性，以达到淬火的目的。本章以45钢作为试验对象，进行摩擦热处理试验。3.1试验前的工作准备本试验是利用摩擦热处理来对工件进行表面处理，是一种全新的工艺，所以完全没有前人的经验可寻，只能是创造性进行。准备工作包括：机床的选择，摩擦副的选择，试样的制作，温度测量计的选择等。试验方案的设定的主要内容有：机床转速的选择，摩擦副材料的选择，摩擦方式的确定等。3.1.1机床的选择机床的选择摩擦试验是本课题最主要的实验部分，它作为整个实验最先行进行的一个部分，摩擦试验的好坏直接影响后续分析的结果，直接影响到摩擦热处理工艺效果。因此，摩擦试验是非常重要的过程。根据试验要求，需要选择一种具有可调转速、确定预定力的机床，并要保证一定的稳定性。根据现有条件，选择了长春数控机床有限公司生产的C-4D-Q连续驱动摩擦焊机。长春数控机床生产的摩擦焊机，完全可以满足我们对于机床的要求。机床的实物如图3-1所示。 图3-1 C-4D-Q连续驱动摩擦焊机摩擦焊机的主要性能如表3-1所示。产品名称连续驱动摩擦焊机单位型号C-4D-Q最大顶锻力40千牛主轴最高转速2500转分焊件直径814毫米旋转夹具夹料长度50270毫米移动夹具夹料长度100370毫米滑台最大行程320毫米总功率16千瓦生产率100180件时轮廓尺寸（长宽高）240010201620毫米重量3.2吨表3-1 C-4D-Q主要性能指表3.1.2摩擦副的选择本实验采用的方式对磨，所以所选的摩擦副应具有较强的耐磨性、较好的耐高温性、较高的硬度和较高的热硬性。经过慎重的筛选，最后决定选择硬质合金。硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬化相；另一部分是粘结金属。硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽，它们的硬度很高，熔点都在2000以上，有的甚至超过4000。另外，过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物也有类似的特性，也可以充当硬质合金中的硬化相。硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性。粘结金属一般是铁族金属，常用的是钴和镍。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500的温度下也基本保持不变，在1000时仍有很高的硬度。硬质合金的这些性能，是它称为我们试验的摩擦副的不二选择。常用的硬质合金以 WC为主要成分，根据是否加入其它碳化物而分为以下几类： 钨钴类（ WC+Co）硬质合金（ YG） 它由 WC和 Co组成，具有较高的抗弯强度的韧性，导热性好，但耐热性和耐磨性较差，主要用于加工铸铁和有色金属。细晶粒的 YG类硬质合金（如 YG3X、 YG6X），在含钴量相同时，其硬度耐磨性比 YG3、 YG6高，强度和韧性稍差，适用于加工硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、硬青铜等。 钨钛钴类（ WC+TiC+Co）硬质合金（ YT） 由于 TiC的硬度和熔点均比 WC高，所以和 YG相比，其硬度、耐磨性、红硬性增大，粘结温度高，抗氧化能力强，而且在高温下会生成 TiO 2,可减少粘结。但导热性能较差，抗弯强度低，所以它适用于加工钢材等韧性材料。 钨钽钴类（ WC+TaC+Co）硬质合金（ YA） 在 YG类硬质合金的基础上添加 TaC(NbC),提高了常温、高温硬度与强度、抗热冲击性和耐磨性，可用于加工铸铁和不锈钢。 钨钛钽钴类（ WC+TiC+TaC+Co） )硬质合金 (YW) 在 YT类硬质合金的基础上添加 TaC(NbC),提高了抗弯强度、冲击韧性、高温硬度、抗氧能力和耐磨性。既可以加工钢，又可加工铸铁及有色金属。因此常称为通用硬质合金（又称为万能硬质合金）。目前主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。综合考虑各方面的因素，本实验选择YG6X硬质合金钢作为摩擦副。YG6X是硬质合金材料，其中碳化钨及其他成分分别为WC 93.5% 、Co 6% 、Other 0.5%。其主要物理性能：密度 15.1g/cm3 、硬度HRA91.8 、抗弯强度2200Mpa、 粒度0.8m。金相组织：A02 B00 C00。由于其耐磨性好，使用强度较好，加工冷硬合金铸铁与耐热合金钢可获得良好效果，也适合于普通铸铁的精加工及钢材、有色金属的细丝冷拔磨具。所以最终决定选用YG6X 硬质合金材料作为摩擦副。YG6X硬质合金摩擦副为圆柱体，尺寸为200mm长端面直径为16mm。YG6X 硬质合金摩擦副的组织成分详细如表3-2。 表3-2 YG6X硬质合金组织成分牌号WCTaC(Nb)CoYG6X93.50.563.1.3试样的选择与制备（1）45钢中碳钢因珠光体含量增多，其强度和硬度较高，淬火后的硬度显著提高。45钢作为中碳钢的一种，不仅硬度、强度较高，且兼具较好的塑性和韧性，综合性能优良。45钢在机械结构中用途最广，长用来制作轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等。本文选用的45钢的原始组织形貌如图3-2所示。图3-2 45钢原始组织（100倍）经测定，试验所选的45钢化学成分和力学性能如下所示：化学成分：碳0.47%，锰0.71%，硅0.26，硼0.022%，硫0.018%抗拉强度：610MPa伸长率：16硬度：229HBS淬火后硬度:55HRC选定材料后确定试样的大小。根据所选的摩擦焊机机床确定试样的尺寸为：（长） 150mm，（直径）14mm，形状为小圆棒。用普通机床加工切割试样。3.2摩擦热处理试验摩擦热处理效果与摩擦产生的热量和冷却方式密切相关。要想达到热处理的目的，首先要保证摩擦能够产生足够的热量，即使工件表面温度短时间内达到奥氏体相变线以上；其次，要使工件能够瞬时足够降温使奥氏体仅能发生向同素异晶转变，使中的过饱和碳原子难以从晶格中扩散出去，从而获得马氏体达到热处理的目的。3.2.1试验方案的制定摩擦热处理的效果与摩擦热处理有直接关系，而摩擦热处理直接取决于试样和摩擦副之间的摩擦力和相对运动速度。在试样和摩擦副确定的条件下，摩擦力的大小取决于摩擦副和试样之间的预顶力的大小；相对运动速度是另一个主要要考虑的因素摩擦副和试样之间的相对运动速度取决于主轴转速。另外，还要考虑摩擦方式和冷却方式。（1） 预顶力的设定由于摩擦热处理是要把工件温度加热到奥氏体相变线以上，所以在设定预定力的时候要考虑，预顶力过大会使试验在摩擦加热过程中变形严重。变形如果严重的话，将会影响到试样内部的组织，对后续的组织分析增加难度。对于预顶力的设置，没有任何相关的经验可以参考，只能通过试验慢慢的摸索。经过多次的试验，最后在导师的指导下根据C-4D-Q连续驱动摩擦焊机性能，选择预顶力F为25千牛。（2） 主轴转速的确定试验中试样固定不动，摩擦副夹在主轴随主轴转动的。所以摩擦副和试验之间的相对运动速度取决于主轴转速。试验选用的C-4D-Q连续驱动摩擦焊机具有可调转速的优点，本实验根据C-4D-Q连续驱动摩擦焊机的性能特点选转速作为试验转速，2500。（3） 摩擦方式的确定试验为了更好的、更有效的利用摩擦热处理，采取在干磨。（4） 冷却方式的确定冷却方式主要有两种：水冷和油冷。水的冷却能力强，使钢易于获得马氏体，但工件的淬火内应力大，容易产生裂纹和变形。油的冷却能力较水低，工件不易产生裂纹和变形，但用于碳钢件淬火时难以使马氏体转变充分。所以，通常情况下碳素钢应用水冷；合金钢则因淬透性较好，采用油冷。试验中，45钢采用水冷，具体冷却示意图见图3-3： 3.2.2摩擦热处理试验过程摩擦热处理的试验是一个重复的过程，因为每次进行摩擦的过程都是相似的，摩擦条件也是相似的，摩擦副和试样材料不变二者之间的摩擦系数就不变，所以对同一种材料进行摩擦试验时，不同组之间的相似程度非常高；预定力不变摩擦副和试样之间的压力就不变，整个试验都是采用同一种预顶力。试验选取45钢试样十件。材料的十件试样分别在主轴转速为2500,1500条件下进行。试验结束后，根据试验结果在试样中，选取不通试样进行组织分析。下面是整个试验过程的示意图： 图3-3夹持在卡盘上的摩擦副按给定的速度旋转图3-3所示是，摩擦副固定在C-4D-Q连续驱动摩擦焊机旋转