毕业设计（论文）-T8钢冲模热处理研究.doc

毕业设计T8钢冲模热处理研究 机械工程系 XXX112018146学生姓名： 学号： 材料成型及控制工程系 部： XXX（高工）专 业： 指导教师： 二一五年 五 月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： T8钢冲模热处理研究 系部： 机械工程系 专业： 材料成型及控制工程 学号： 112018146 学生： 蔡杭狄 指导教师（含职称）： 韩海军（高工） 1 课题意义及目标T8属于碳素工具钢，淬硬型塑料模具用钢一般进行淬火回火工艺。较高硬度和耐磨性，淬火、回火后，有较高的硬度和耐磨性。但热硬度低，抗热变形力，塑性和强度都是较低的。一般作为形状简单，具有高硬度和耐磨性的各种工具钢，如锉刀、刮刀、冲头、锯条、木工加工木材工具等工具1。目的：通过对T8钢常规热处理的研究，利用金属学及热处理的相关知识，研究如何能提高T8钢冲模在淬火+低温回火热处理时在特定面的淬火厚度，得出一定的工艺方法。以所学专业知识为基础，以实用为目的，通过热处理工艺进行分析及相关参数的计算，进一步得到T8钢的热处理规范，在常规热处理基础上有所创新。总结出熟练掌握热处理，特别是碳素模具钢热处理的规律和方法。 意义：培养综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能和专业知识。通过完成课题，强化处理实际问题的能力；掌握基本的设计(科研)方法，受到初步的训练。2 主要任务（1）通过对T8钢常规热处理的研究，利用金属学及热处理的相关知识，研究如何能提高T8钢冲模在淬火+低温回火热处理时在特定面的淬火厚度，得出一定的工艺方法。（2）以所学专业知识为基础，通过热处理工艺进行分析及相关参数的计算，进一步得到T8钢的热处理规范，在常规热处理基础上有所创新。总结出碳素模具钢热处理的规律和方法。（3）对T8钢热处理工艺性进行科学的分析；必要时通过实验对相关参数进行准确的分析研究。（4）通过查阅相关的热处理资料和研究手册，设计出合理的工艺法案。3主要参考资料1戚正风金属热处理原理M北京：机械工业出版社，1999. 2林吉曙碳钢硬度值的研究J成都纺织高等专科学校学报，2002，19(2)：14-18.3张西鹏 热处理工艺对高速钢硬度的影响J热加工工艺，2007，36(2)：61-634盖全芳不同淬硬钢的回火特性J鲁东大学学报(自然科学版)，2007，23(2)：180-183.5李晓理 热处理工艺对T8 钢显微组织及硬度的影响J辽宁科技大学学报，2014，37(2)：137-143.6金宝士，宋春梅，张淑琴，等. 热处理工艺对T8 钢硬度及冲击韧性的影响J佳木斯工学院学报，1994，(12)：2-4.4 进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告2014.12.01-2014.12.202广泛阅读相关文献，制定实验方案2014.12.21-2015.03.103完成热处理实验及组织观察，准备中期检查 2015.03.11-2015.04.20 2015.03.11-2015.04.204完成力学性能测定及实验结果分析2015.04.21-2015.05.155撰写毕业论文，准备答辩 2015.05.16-2015.06.10 2015.05.15-2015.06.05审核人： 赵跃文 年 月 日T8钢冲模热处理研究摘 要：本文通过对T8钢进行研究，分别阐述了冷作模具钢，热作模具钢的特点以及T8钢的普通热处理的特点，研究如何通过热处理的方式来使用T8钢制造冷冲模具，并达到相应的标准。通过冷作模具钢的要求来选择热处理的方式，进一步研究T8钢的球化退火和淬火+低温回火热处理，力图达到模具钢所需的硬度值要求。对进行过淬火+不同温度下的低温回火后的锻后T8钢试验样品进行硬度值和冲击韧性测试，完成T8钢冲模热处理的研究。关键词：T8钢，冲模，淬火+低温回火处理，热处理Research on T8 Steel Die Heat TreatmentAbstract：Through research on T8 steel, this paper respectively illustrates characteristics of cold work die steel, hot work die steel and normal heat treatment of T8 steel, and studies how to apply T8 steel to manufacture cold punching die by heat treatment and achieve the corresponding standard. According to the requirements of cold work die steel, it fatherly studies the spheroidizing annealing and quenching + low tempering heat treatment, so as to meet the requirement of die steel. It has a test of hardness value and impact toughness on the T8 steel sample forged by quenching + low tempering under different temperatures, so as to complete the research on T8 steel die heat treatment.Keywords: T8 Steel, Die, Quenching + Low Tempering Treatment, Heat Treatment太原工业学院毕业设计目 录1 前言11.1 T8钢的简介11.2 模具钢的具体要求22 热处理简介52.1 热处理的类型62.1.1 热处理工艺及规范82.1.2 热处理的三要素102.1.3 铁碳合金相图112.2 T8钢的常规热处理及其特点162.2.1 T8模具钢的性能要求182.2.2 T8模具钢的热处理规程192.3 本章小结193 T8钢冲模热处理实验203.1 实验方案203.2 实验数据与结果224 结 论23参考文献24致谢25第 I 页 共 I 页1 前言1.1 T8钢的简介钢的冶炼可以从古代追溯至今，它具有十分古老的历史。在中国，最早的炼金术师便是第一代从事金属热处理的人。他们偶然间发明了火药，并且极大地推动了社会的大跨步发展，在人类的发展史添上了浓厚的一笔。金属热处理的发展在现代史中尤为重要。钢以其极高的强度、良好的性能成为人类最青睐并且使用最多的材料之一，它是建筑，制造和生产，运输等等人类日常生活中必不可少的成分。在现代社会，钢扮演了现代社会物质基础的重要角色。T8钢是一种常见的高碳钢，碳含量一般大于0.7%，这赋予了T8硬而脆的特点；T8钢是一种常见的工具钢，且T8钢属于碳素工具钢，一般适用于制造横截面积（断面）大，和磨削类的工具；也部分地适用于淬硬型(钢在淬火时，硬度值上升较大)塑料模具用钢。T8钢由于含碳量较多所表现出的高硬度和耐磨性，体现在了它作为工具钢时，具有很优良的性能。按照使用方向分类是一种优质的碳素工具钢；按照其成分分类，是一种高碳的碳素合金钢；化学成分含Si：0.35%；Mn：0.40%；P0.035%；S0.030%，按照冶金质量分类是一种优质的冶炼钢；淬火回火后有较高的硬度、耐磨性，但受热后不稳定，钢的热硬性较低（在较高温度下，仍能保持较高硬度的性能，也称作红硬性），容易发生热形变。好的一面是它的淬透层深度大，容易进行淬透和渗透工艺。材料的塑性及材料强度（材料强度和结构强度统称强度）较低。T8钢概述及其一般用途：T8钢在加热过程中容易因过热引发材料裂解，在加热过程中，金属热变形较大。并且因为T8钢本身的的金属塑性、金属的强度都相对较低，不适合于模具钢的制造。但T8钢淬透性好，且通过热处理会获得更高的硬度和较好的耐磨性。因为高含碳量，高的硬度和优秀的耐磨性，它可用于制造截面（断面）大的工具，和需要一定的硬度来与工件直接接触，进行成型工艺的工具；用于制造承受一定冲击力并且要求耐磨性较高，淬透性好的刃口工具，如锉刀、刮刀、冲头、锯条、木工加工木材工具等工具。1.2 模具钢的具体要求热作模具钢的一般性能要求：(1)硬度：无论是热作模具还是冷作磨具，它们在工作时受力状态是比较复杂的因此需要材料有一定的硬度。冷作模具的硬度一般在58HRC以上，而热作模具，尤其是要求比较高的抗热疲劳性能的模具，通常硬度在45HRC左右。对于普通经常使用的塑料模具来说，一般硬度要求在35HRC左右。并且硬度值也不是越高越好，高的硬度值代表着较高的脆性和较低的韧度，在模具生产中是极其不利的。（2）高强度与高韧性：零件在成形时，模具承载着非常巨大的负荷，如冲击、扭曲还有一定的压力等。尤其是高速冲压、高速精密锻造和金属液态成形等技术以及金属一次成形技术的发展，模具承受着更加剧大的负荷，往往由于钢材的屈服强度和韧度不够，造成模具的型腔边缘或模具内部局部塌陷、刃口崩刃或断裂而造成早期失效，带来非常大的损失。因此模具热处理后应具有相应较高的硬度和韧度。（3）耐磨性：热成型过程中，该材料对模具型腔的内表面的相对运动和腔内部的热压力共同影响，造成了模具的内表面的磨损。因此，模具的尺寸精度，形状和表面粗糙度发生了改变而破坏。磨损的触发的条件很多，过程也非常复杂，除了影响模具的外界条件（空气，温度，湿度等）外在因素外,影响因素还有很多，比如采用钢材的化学成分（内部杂质）的内部结构不均匀性、组织结构状态的不同（晶胞的排列方式）、材料的力学性能等等内在因素。（4）疲劳性：因为模具的反复机械冲击和热冲击应力下工作的周期性，这种力称为交变热应力，在热模具工作过程中，交变热应力将更明显地导致模具热裂受应力和温度的影响而引起裂纹，引发疲劳磨损和破坏。在模具的破坏中，往往是在型腔内表面形成浅而细的裂纹，裂纹的迅速传播和扩展导致模具失效。同时钢存在着不同的的化学成分，例如：磷(P)、硅(Si)、锰(Mn)、铝(Al)、铜(Cu)和稀土元素等等。这些化学成分不均匀也会导致疲劳强度降低。还有金属在冶炼过程中造成的的冶金缺陷，常见的冶金缺陷一般有裂纹、结疤、表面局部重叠、气泡、中心疏松、夹杂物等等。比如非金属夹杂物的存在，使钢中出现气孔，孔隙和含气腔，微裂纹，从而降低钢的疲劳强度，在模具工作环境中产生了交变应力。在这些交变应力作用下，首先从产生于此类易于破坏的区域的冶金缺陷开始，产生疲劳失效。疲劳失效继续发展成为疲劳裂纹，最终导致损坏。（5）粘着性：模具零件的表面由于金属原子之间存在着共用原子与单相扩散的作用，接触处会产生原子的相互作用。往往会使得被加工金属与加工工具之间互相接触，使金属产生粘着和粘附。主要体现在一些剪切、切削这类带有纵向载荷的工具和冲压工具的表面会更多的产生粘附或翘曲结痂现象，这会影响刃口的锋利程度。另一方面由于局部组织中化学成分，晶格组织结构横向或者竖向的拉伸改变，会使部分刃口崩裂，还会使粘附在刃口上的金属脱落，掉落在模具内腔中参与下一次制作，进一步划伤模具，使工件表面产生划痕和残缺。因此需要良好的抗粘着性来解决类似问题。（6）抛光和蚀刻性：塑料模具因为其产品的成本极低、制作方便快捷、回收利用简易的特点，应用越发广泛。但是也存在这些缺点，比如其表面粗糙度值很低，会频繁与模具摩擦，影响到模具的寿命和生产效率。产品的质量也无法保证，而且塑料由于其本身化学成分的特点，因此具有一定的腐蚀性，会对模具产生化学破坏。另一方面塑料制品需要较高的表面光洁度，因此好的模具钢应该具有一定的抗腐蚀和抛光性能。冷作模具钢的性能要求：相对于热作模具钢，冷作模具钢对高热态金属的性能无太多要求，更多的需要选用的钢材的硬度、耐磨性好。因此一般冷作模具钢一般需要有较高的含碳量来获得足够的硬度。为了增加淬透性，提高钢材耐磨性。一般也需要较高的合金元素的含量。冷作模具钢制造模具的范围一般包括冲裁模具（落料冲孔模，冲孔，切边模，剪切）、冷挤压模和冷镦模、压弯模、拉伸模及拉丝模等。模具（冷作）在工作时由于被加工材料的硬度极高，很难让其产生屈服。模具的工作部分便会受到很多复杂的负载，如压力，弯曲力，周期性的冲击力和摩擦力。因此，冷作模具的损坏原因一般是磨损损坏。也有因金属强度原因如断裂、崩力和变形而前期失效的。高硬度、高耐磨性的模具是冷作模具钢最基本的要求，同时也需要高的抗弯强度和足够的韧性，以此来保证模具在冲压工艺中以免损坏，另一方面由于模具的加工工艺和其本身所具有的复杂的形状。而且摩擦面积大磨损大并且修复起来非常困难，出现磨损问题一般只能报废，因此要求具有更高的耐磨性。且模具工作时承受冲压力大而且形状复杂的模具，在其边缘部分易于产生应力集中引起边缘破坏，所以要求具有较高的韧性和特定面的高韧度；冲压模具一般尺寸大、形状复杂所以要求具有较好的淬透性、不易变形和材料开裂。总之，冷作模具钢在淬透性、耐磨性与韧性等方面（材料本身在常温下的力学性能）的要求要较高一些在高热环境下硬度变化的性能上很少有要求或基本上不需要严格的要求（因为是冷成型无需加热），对应于一些合适的冷模钢的形成，例如Crl2、Cr12Mo1V1、9CrWMn等，在此不一一赘述这些钢的特点。 图1.1冷作模具钢 图1.2热作模具钢2 热处理简介热处理是指在固态金属材料上，通过高温加热，恒温保温和快速冷却与缓慢冷却的方式，来改变其表面和内部的微观物理结构，从而改变其性能。或者通过物理手段改变材料表面或内部的化学成分和组织形态的变化，获得金属用以进行工作所需的金属特性的一种工艺方法。金属热处理机械制造过程中，最后一个并且非常重要的环节，与其它加工工艺（变形，切削，磨削）相比，热处理一般不改变工件的形状和整体外的成分，而是通过温度变化来改变工件内部结构和显微组织，或改变金属表面的结构，改变和提高适用金属的性能。其特点是改善金属的内在质量，不通过化学手段，达成无法观测到的金属性能的转变。为了使得金属工件能够使用于不同的环境，对其本身的性能则有一定的要求，比如抗变形负荷需要较好的力学性能；金属标变硬度，韧度和导电性能则表现在物理性能上；化学性能力一般体现在抗腐蚀作用上。需要达到上述的要求的话，除了合理的选择材料和各种成型工艺之外，进行金属的热处理工艺也是至关重要的。钢材是人类生活中应用最广的材料，其内部显微组织复杂多样，但可以通过热处理进行控制和改变，所以钢的热处理是金属热处理的主要研究方向。此外，铝，铜，镁，钛及其合金也可以使用改变其机械性能，物理性能和化学性能的热处理方法，可应用于更多更广泛场合，适宜极端环境等等。 2.1 热处理的类型 热处理工艺按其发生了何种变化一般可分为三类：普通热处理，化学热处理与形变热处理，其中普通热处理的使用是机械生产过程中最为常见的。 普通热处理：它是借由温度的变化，来改善金属组织和性能的热处理方法，主要包括：退火：是将金属加热到临界点以上的温度，以获得高温相，然后缓慢冷却，固体金属相变发生在近平衡条件下，使凝固过程中的变形更小，提高金属融固过程中，焊接或热处理后的组织和性能；也可以把金属置于炉内加热，使其达到相变温度以下30-50的位置，金属可以消除应力。或受到金属冷变形，进行冷挤压或者拉伸后会发生回复和再结晶。退火是使金属内部组织趋近于平衡状态的热处理。如果在恒定平均的冷却速度中获得高温阶段后，金属比退火组织为细小的组织，为了达到效果与退火，但性能的提高发挥了重要作用，被称为正火。淬火金属加热到临界点以上温度，获得高温相。这时的相极其不稳定，很容易因为外界条件的变化而改变。然后急剧冷却，会得到不平衡的组织。这样做一般是为了保持高温相，也可以形成亚稳相。这样就能够使得高温阶段的优良性能得以保存，大幅简化了下一步热处理的过程，因此摧毁一般会搭配其他的热处理同时进行。假设在温度较高的情况下，第二相溶解（基相不会改变），然后冷却保持至与室温温度同高的热处理方案。则称为固溶热处理。回火：一般在一个热处理工艺过程中和淬火同时进行，是淬火的下一步热处理，只要是为了把淬火后残余的不平衡组织进行进一步的处理。步骤是加热到临界点以下温度保持一段时间，然后让其慢慢冷却，使金属重新趋近于平衡的组织。并且控制相变的进程，使金属获得合宜的组织和性能。固溶处理后，在室温或加热到较低温度促进溶解过程的第二阶段，后者被称为“时效处理”。 化学热处理：应用扩散的金属和合金相的形成规律，将需要的可控介质渗透到金属，达到强化零件的作用。用不同的元素，以加热、保温等方式，渗透进入金属表面，改变它的化学成分和结构的变化规律，来进行热处理。用于符合金属相变的需要和方便进行下一步的热处理，来改善金属的力学性能。通常的元素是：碳，氮，氧，硫，硼，铝，铬，硅，钛，钒，等，也可以许多种元素共同渗入形成多元合金。化学热处理可以在气态、液态或固态介质中进行。 形变热处理：在金属塑性加工过程中，加入热处理工艺。金属的变形和相变之间的动态相互作用，特别是变形和相变，能够用来控制金属的显微组织并提高其综合性能。目前重要的工艺发展有控制轧制和锻后余热淬火。这些工艺既提高金属的性能，又降低能源消耗。其他形式的热处理：加热使金属获得高温相。高温相的状态决定了金属在冷却过程中发生相变的能力。为了保证在热处理过程中金属表面化学成分不发生改变，广泛应用了可控保护气氛或真空热处理。 为了强化热处理效果、节约使用的能源，就会使用极高的能量来进行热处理，如激光效应，电感加热，离子冲击等等，这些方法会在瞬间聚集极高的热量来瞬间完成金属的加热。电感应加热利用感应涡流在金属表面的集中效应，与金属表面层被迅速加热到高温，然后淬火，这是成熟的技术，被广泛应用于热处理。离子冲击热处理是给离子介质加上低压电场，用于电离或者让高电压高能量离子冲击工件表面。工件表面层能够发生涡流反应，迅速加热到所需温度。或者使电离的离子获得高速度，冲击表面层的金属来进入金属表面达到渗透作用，改变组织的化学组成和结构。在氮化（工件表层渗入氮原子）处理的过程中，经常会使用到离子冲击热处理。由于普通的氮化处理过程繁琐，需要浪费大量的能源和原材料，渗入效果也不理想，人们就通过使氮原子离子化，使其获得高温和高速度，直接轰击在工件表面，就可实现一次渗透，相比原始工艺有很高的优越性。这种方法也迅速的应用到了其他的渗入型热处理。一个值得注意的问题是，这样的热处理下的金属表面上的非晶态金属的结构和性能的变化比较多变，无法预估。2.1.1 热处理工艺及规范热处理工艺：这是人们在千百年来进行热处理工艺的过程中总结出的热处理工艺制度(加热制度与冷却制度)，一般需要进行两个选择，特定的能够发生特定相变的金属和控制组织变化的方法。钢的热处理过程，是具有连续冷却使得奥氏体转变为过冷奥氏体是在上述两方面过程中工件的热处理后得到的组织。热处理规范就是人们用记录数据的形式，记录下的不同的钢种，所进行不同的处理方式或，获得的相应的热处理结果的表格编绘而成。常用的热处理规范详见下表（T8钢作为所研究钢种详尽说明）。 表2.1热处理规范表钢号退火正火淬火加热温度冷却方式HB加热温度HB加热温度冷却介质HRC35850-890炉冷187850-890191870-890盐水45-5045820-840炉冷197820-840226820-840盐水55-6060770-810炉冷187800-820229-249780-810盐水60-6270790-810炉冷187800-840241-302780-820盐水60-63T8/T8A740-760加热187760-780241-302750-800水淬油冷63-65650-680等温冷至500-600空冷钢号不同温度回火后硬度HRC15020030040050055060065035504843352622204558555041332622606258504534302121706258504537322824T8/T8A636054433531272.1.2 热处理的三要素通常所说的热处理的三要素一般是指工件的（加热温度）加热所到达的温度；（保温时间）到达所需温度后保持温度的时间；（冷却速度）冷却到常温的速度快慢。热处理有三个比较关键的特点：即使是相同材料的零件，由于工件的大小，形状不同，热处理所得到的结果也是不同的。（1）.尺寸效应：钢材的力学性能随其形状、尺寸的改变而变动，金属的力学性能通常是随着尺寸的增大而降低。在相同的冷却介质中，热处理的淬透深度也随着尺寸增大而随之变浅。（2）.质量效应：一个大型工件各部分的质量（重量）的如果是不同的，热处理的最终结果也是不相同的，这一点在淬火过程中尤为常见。通常工件直径越粗，越难以淬透。工件越大，淬火越难。质量不同造成的热处理结果差别就大。质量效应是从工件大小的角度分析淬火效果。淬透性是从钢材的材料角度分析淬火效果。淬透性好的工件的质量效应就小，也就是说，淬透性能改善质量效应。（3）.形状效应：零件的形状也会影响到热处理的结果，主要因响应度是金属的表面积与体积的比值。例如金属板和金属球等不同形状的结构，他们的淬火效果就大不同。某个零件或工件上的不同部位，如果经过相同淬火方式，但是冷却方式有差异，淬火产生的效果也完全不同。工件的“尺寸、质量、形状”就是工件的三要素。在热处理工艺规范的制备过程中，热处理工艺三要素必须与热处理工件三要素结合在一起，不可分割，参考手册热处理CCT，TTT曲线也具有不可忽视的热处理三要素中的工件三要素：工件的表面和工件心部的加热、冷却中的温度差异。2.1.3 铁碳合金相图 图2.2铁碳合金相图（1）铁碳合金编辑 铁碳合金相图描述的对象中，主要研究纯铁与铁的化合物Fe3C之间的关系，实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金中的基本组成元素也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。铁和碳的原子大小、结构不同，可以形成互不相同的各种固溶体。Fe3C的固溶体和Fe相图是间隙固溶体，由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。铁素体铁素体，排列方式为体心立方晶格。符号F(或)，是碳在-Fe中的间隙固溶体。BCC总体积间隙体积是较大的。由于它的排列方式为体心立方晶格，单位晶格之间的间隙体积很小，空隙中无法塞下很多的碳原子，因此它的溶解碳的含量是非常小的，最多只有0.0218%（727时），室温下几乎为零。所以铁素体性能与纯铁相近，硬度低、塑性高、并且具有一定的铁磁性（一种材料的磁性状态）。=30%50%，AKU=128160J b=180280MPa，5080HBS铁素体结构和铁的结构类似，若需要显微观测的话，则需要用4%硝酸酒精溶液擦拭。在镜下观察时，可以发现明亮区域呈等轴分布的多边形晶粒。对亚共析钢进行观察可以发现为很多白色块状体分布，这是亚共析钢中的铁素体。但当碳含量接近共析体时由于低铁素体含量呈现出断续性的网格分布的珠光体。奥氏体 奥氏体，符号A(或)表示。是碳在-Fe中的间隙固溶体,排列方式为面心立方晶格；虽然FCC间距总体积小，但是一个单一固溶体的规模间距较大，因此有大量的溶解碳，最多2.11%（1148摄氏度），727摄氏度时，溶解量为0.77%。在一般情况下，奥氏体存在于727 1394，是一种高温结构，只在固定的高温度范围内能够稳定的存在，所以奥氏体具有较低可塑性的和较高的硬度，通常是对钢铁进行热变形加工的，如锻造，轧制，应加热到奥氏体状态，这就是人们常说的趁热打铁。b=400MPa，170220HBS，=40%50% 对奥氏体的另一个重要性能是它具有顺磁性，可用于要求部分工件或全部工件不受磁场影响的场合。奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在。渗碳体 由铁和碳组成的的结构复杂的金属化合物是由渗碳体形成的。化学式是“Fe3C”，熔点是1227。碳原子质量分数Wc=6.69%。硬而脆，耐腐蚀。如需进行显微镜观测，则需用4%硝酸酒精腐擦拭。显微镜下，则可以观测到渗碳体是一个个白色的斑点，光线环境较差时不易观测的到。如果用4%苦味酸浸泡，就会观测到黑色的颗粒。钢铁中的渗碳体是一种强化相，根据形成的条件不同，根据渗碳体有条带状、片状、颗粒状、网状。它们的形态、大小、分布、数量，对钢的性能有很大的影响。 总结:在铁碳合金中的共三个相，即，铁素体，奥氏体与渗碳体。但奥氏体不稳定，只能存在于高温条件下，降低温度就会分解。所以在室温条件下，所有的铁碳合金只存在两相。因此室温下的铁碳合金只存在铁素体和渗碳体。因为在铁素体中的碳含量很小，室温下几乎为零，基本可以忽略。可以认为，在铁碳合金中，碳大部分以碳原子的形式存在于渗碳体中。这是非常重要的。由于铁原子有两种价态，所以铁和碳可以形成一系列化合物。但是只是Fe-Fe3C这一种化合物具有研究意义，通常被称为Fe-Fe3C相图。同时，对于铁碳合金相图，Fe，Fe3C是主要组成成分和研究对象。由于铁碳合金中的碳含量较高，但是实际应用与生产中使用的钢的碳含量一般是不大于5%的，并且从0 6.69%是它的碳的组成成分轴。铁碳合金相图一般意义上实际是Fe-Fe3C相图。（2）相图分析编辑 Fe-Fe3C铁碳合金相图更为复杂，为了简化研究，可以看成是由一些基本的相图组成的，一般从上至下，分为两部分相图。进行分析和研究时主要研究上半部分的共晶转变和下半部分的共析转变过程。 共晶转变发生1148的温度环境中,其中4.3%C的液相会发生共晶转变。莱氏体是Lc (AE+Fe3C)转变的产物，由奥氏体和渗碳体组成，用字母L表示。存在于1148727之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示。温度降低时碳含量不发生改变，组织由奥氏体和渗碳体组成。727左右的莱氏体称为低温莱氏体，硬度高，但是塑性很差（存在共晶奥氏体和共晶渗碳体）。由渗碳体和珠光体组成，用符号Ld表示。低温莱氏体是由珠光体，Fe3C和共晶Fe3C组成的混合物，本质硬而脆。如需进行显微观测，则需要使用4%的硝酸溶液擦拭。在显微镜下，原本为白色粒状或者棒状的珠光体由于化学侵蚀，呈现出黑色。分布在Fe3C基体上。Fe3C和共晶Fe3C交织在一起，无法分辨。 共析转变发生在727，这时0.77%的奥氏体会参与共析转变。AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体，组织纹路略似人的指纹，其中黑色片状为渗碳体，白色为铁素体。 共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体。（3）特征点 相图中有如下特征点：A，D，E，C，G(A3点)，S(A1点)；它们的都有各自的含义并且非常重要，根据相图分析如下点： 相图中重要的点(14个)：组元的熔点: A (0, 1538) 铁的熔点;D (6.69, 1227) Fe3C的熔点同素异构转变点:N(0, 1394)-Fe -Fe;G(0, 912)-Fe -Fe相图碳在铁中最大溶解度点:P(0.0218,727),是碳在-Fe 中的最大溶解度E(2.11,1148),是碳在-Fe 中的最大溶解度H (0.09,1495),是碳在-Fe中的最大溶解度Q(0.0008,RT),是室温下碳在-Fe 中的溶解度三相共存点:S(共析点，0.77，727)，(A+F +Fe3C)C(共晶点，4.3，1148)，( A+L +Fe3C)J(包晶点，0.17，1495)，(+ A+L )其它点B(0.53，1495)，发生包晶反应时液相的成分F(6.69，1148 )， 渗碳体K (6.69，727 )， 渗碳体（4）特性线水平线ECF：共晶反应线；碳含量为6.69%-2.11%之间的的铁碳合金，在平衡结晶过程中发生了共晶反应。水平线PSK：共析反应线；碳含量为6.69% - 0.0218%之间的铁碳合金，发生共析反应。PSK线（也称为A1线）均会发生共析反应，共析反应发生在平衡结晶过程中。 GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线， 通常称A3线。 ES线是固溶碳在A中的线，通常称为ACM线。由于溶解的碳含量在1148，最大为2.11%。而727，碳的溶解量只有0.77%。所以碳质量分数大于0.77%的铁碳合金，是在温度在1148至727的过程中产生的冷态铁碳合金。从析出的Fe3C。渗碳体说成为二次渗碳体（Fe3CII）。ACM线也从临界温度线Fe3CII开始沉淀。（5）相图相区单相区(4个+1个)： L，A，F，(+ Fe3C)两相区(7个)：L + ，L + Fe3C，L + A，+ A ，A + F，A + Fe3C，F + Fe3C。（6）碳量影响编辑含碳量对铁碳合金平衡组织的影响 根据杠杆原理，碳含量和碳合金的显微组织及室温下碳合金的相组成之间的关系，可以统用定量关系概括。含碳量对机械性能的影响 渗碳体（分一次，二次和三次渗碳体）含量越多，分布越均匀，金属材料的硬度和强度就会越高。由于含碳量升高，塑性和韧性也会相应降低。但当渗碳体分布在晶界或矩阵的缝隙中时，材料的塑性和韧性下降，且强度也降低。含碳量对工艺性能的影响 一般来讲，含碳量并不是越高越好的。一般认为中碳钢（硬度在HB200左右）适合进行切削加工，因其塑性比较适中，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。 对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。因为对钢进行热处理一般需要热塑性好，屈服强度低，容易变形的要求。所以一般的锻造是在奥氏体状态时，锻件必须根据铁碳相图确定合适的温度进行锻造。始锻温度不能太高，以免温度太高引起过烧，万一产生可以采用正火工艺弥补；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。 在铸造过程中，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分，其结晶温度低（实际结晶温度一般低于理论结晶温度），且流动性好，并具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。 一般来说，较低的碳含量（生铁钢熟铁）就代表着更好的焊接性能（熟铁钢生铁）的钢，所以低碳钢比碳钢更容易焊接。2.2 T8钢的常规热处理及其特点 T8钢的普通热处理工艺：（1）T8钢正火的目的及正火后的组织结构和性能对T8钢进行正火处理是为消除二次渗碳网，为球化退火做好组织准备。将T8钢加热到相变点（同素异晶转变点、共晶点、包晶点），即Accm以上3050完全奥氏体化，根据工件的有效厚度和加热器的形式来确定保温时间，在空气中冷却一段时间后保温。在常化的过程中，冷却速度快，使二次渗碳体无法沿奥氏体晶界析出网状结构，通常用这种方法来消除二次渗碳体网。经正火处理后的T8钢的组织结构转变为以较细珠光体为主的组织结构。组织结构为珠光体和层状渗碳体。T8钢正火后增加到大约280HBW的硬度。提高了T8钢的耐磨性，但是韧性和延展性相应的降低。（2）T8钢的球化退火的目的及球化退火后的组织结构和性能T8钢的球化退火处理使T8钢中的珠光体中的层状渗碳体球化，变成球状渗碳体，为淬火做好组织准备。将T8钢加热到Ac1以上20-40，保温一段时间。然后随炉缓慢冷却到600以下，再出炉，空冷至完全冷却。球化退火过程中，加热温度不超过Ac1，渗碳体开始溶解，但尚未完全溶解，形成许多小连锁或点状渗碳体和奥氏体在基体中的缝隙中密布分散；同时，低温短时加热也使得奥氏体成分不均匀。在随后的冷却过程中，原有的碳微粒为核心，或在奥氏体中的碳原子在新核心的富集集中，形成比较均匀的粒状碳颗粒。由于球状表面能量最小，缓冷时，渗碳体聚集长大形成较大粒状。室温时得到珠光体与粒状渗碳体。退火后，T8钢硬度降低到187HBW以下。通过改变了碳的分布方式使得韧性和塑性都得到提高，但是耐磨性随着渗碳体的变化而降低。 （3）（3）T8钢淬火的目的及淬火后的组织结构和性能T8钢的淬火处理为回火做好组织准备。T8钢加热到一定温度Ac1以上30 50，炉内保温一段时间后发生奥氏体转变，之后放置于水中迅速冷却。根据：t=D，t-加热时间（加热升温时间和保温时间）（min）-加热系数（min/mm）D-工件有效厚度（mm）计算出加热时间，根据计算出的加热时间进行淬火处理。当T8钢加热到AC1温度以上时，主要成分为奥氏体和部分不溶的T8钢的显微渗碳组织。淬火后，奥氏体变为马氏体，未溶的细粒状渗碳体保存下来，组织中还有部分残留奥氏体。淬火后硬度（T8钢）增加到不少于62HRC，增加耐磨性，韧性和可塑性减少。（4）T8钢低温回火后的目的及回火后的组织结构和性能 低温回火的目的是稳定组织，降低淬火应力。将T8钢加热到150250，保温一定时间，然后冷却到室温。部分饱和碳原子与固溶体在低温回火马氏体（Fe2C）沉淀。析出碳化物和过饱和固溶体格联系在一起的沉淀，保持一致，形成一个新的组织结构，回火马氏体以-碳化物（Fe2C）形式析出。析出的-碳化物与为析出的过饱和固溶体晶格相互作用，残留奥氏体也转变为回火马氏体，碳化物以渗碳体形式保留下来。低温回火后，T8钢的组织为回火马氏体和渗碳体。低温回火后，在T8钢保持高硬度和高耐磨性的基础上，而且也提高了T8钢的韧性和塑性；同时还降低淬火应力和脆性。T8钢的硬度为58 62HBC，且工作表面硬度为48 54HBS。2.2.1 T8模具钢的性能要求中文名T8钢化学成分硅 Si0.35；锰 Mn0.40；硫 S0.030标准：GB/T 1298-1986力学性能：硬度：退火187HB，压痕直径4.40mm；淬火62HRC。热处理规范：试样淬火780800，水冷。T8钢具有较高硬度和耐磨性，淬透性也比较好，但是作为模具钢，很大的不足之处在于韧度不足而导致的硬而脆，且热变形大，仅适合作为冷作模具钢，可运用于冲模方向，因此通过热处理来改善T8钢的脆性，使其作为冷作模具钢中的冲裁模具是完全可行的。2.2.2 T8模具钢的热处理规程由2.2可知T8钢提升韧性和塑性的方法主要有球化退火和淬火+低温回火处理两种方式，T8钢球化退火工艺与淬火+低温回火处理的热处理规程如下：球化退火方案：加热至740-750,保温2.5h。然后冷却到650-680，保温5h。等冷却到600-500就可以出炉，可以得到的硬度值是HBC187。调制处理方案；淬火温度为780-790,在油或熔盐中冷却。由于回火温度不同可以分为三种方案。方案一：回火140-160（1-2h）,硬度值60-62HRC；方案二：回火160-180（1-2h），硬度值58-61HRC；方案三：回火180-200（1-2h），硬度值56-60HRC。2.3 本章小结由分析得知，可通过对T8钢进行球化退火和淬火+低温回火处理的方式，可以在保留T8钢高硬度和耐磨性的特点的同时，提升T8钢的韧性和塑性。因此采用锻后球化退火T8钢的淬火+低温回火处理的方式来进行试验，以进一步具体的测量T8钢的性能。3 T8钢冲模热处理实验 实验方案：采用锻后T8钢的淬火+低温回火处理的方式来进行试验，得出结果记入实验数据。3.1 实验方案（1）问题 如何通过热处理来改善T8钢材质，使其符合成为冷作模具钢的方法。T8钢已进行过锻后处理。（2）实验假设与理论依据 实验假设 通过对锻后T8钢进行淬火+低温回火处理，使其最终能够达到冷作模具钢的标准来进行使用。理论依据钢号退火正火淬火不同温度回火硬度HRC加热温度冷却方式HB加热温度HB加热温度冷却介质HRC150200300400500550600T8/T8A740-760加热187760-780241-302750-800水淬油冷63-6563605443353127650-680等温冷至500-600空冷模具钢的硬度需求一般在58HRC以上，而冷作模具尤其是要求高的抗周期应力疲劳性能的模具，通常硬度在45HRC左右。对于普通使用的塑料模具，一般硬度要求在35HRC左右。 表3.1 T8钢的热处理规范 能够达到理论值要求，冲击韧性和抗疲劳性将在进行热处理后进行有效评估。（3）实验目标 通过对T8钢进行不同淬火方式下的等温低温回火，比较相互之间的硬度和冲击值，选出最优的热处理方式。（4）实验对象、方法及手段实验对象：20mm4m的锻后T8钢，先切割成长180mm的短棒，然后铣成标准冲击试样。（10mm10mm55mm） 实验方法：不同方式的淬火+相同温度下的低温回火。检测手段（数据统计）：对热处理后的试样进行洛氏硬度测试和冲击试验，冲击试验采用一次冲击摆锤试验。（5）实验原则 严格按照热处理工艺要求进行，确保安全。（6）实验内容 先进行球化退火处理，其工艺为加热到750780，保温3h；炉冷到680，保温4h；然后随炉冷到550，接着出炉空冷，最后进行最终热处理，最终热处理方式见下表；工艺加热温度/保温时间/min冷却工艺及回火温度与时间178015水淬+200下1小时回火28001015油淬大致两秒然后淬入水中，然后油冷至200，一小时回火处理3650-680预热预热时间5水淬油冷，淬入水溶液大约2秒，然后200回火处理1小时然后780-800加热加热时间2（7）实验过程（实验步骤）将实验器材预热；领取试样，放入炉中加热；按照实验内容进行试样处理；记录数据；实验后妥善处理试样与实验器材。3.2 实验数据与结果实验数据：工艺冲击值/J平均冲击值/J硬度（HRC）平均硬度（HRC）114.214.439,31,2550.714.447.5,37,4214.647,27,3721914.755.5,61.5,45.559.21463,64.5,57.51161.5,61,63310493.357,54.5,5156.34851,60,58