热处理工艺对45钢组织性能的影响.pdf

安徽工程大学毕业设计 论文 I 热处理工艺对热处理工艺对 45 钢组织性能的影响钢组织性能的影响 摘摘 要要 钢是当今社会应用最广泛的材料之一 作为结构材料使用 它的性能在很高的层面 上决定了产品的质量 因此其性能的提升具有重要的意义 本论文主要研究的是不同的 加热温度和不同冷却速度对 45 钢组织性能的影响 结果表明 加热温度与冷却方式对 45 钢的性能影响很大 因此通过改变加热温度 和冷却方式对提高 45 钢性能作用很大 其中淬火受加热温度的影响最为明显 冷却速 度一定的情况下淬火加热温度过高或过低对其性能都会产生不利的影响 温度过低会因 珠光体和铁素体的存在使硬度不均匀 温度过高会形成粗大的马氏体组织使力学性能恶 化 45 钢加热后快速冷却可以得到马氏体 缓慢冷却会得到珠光体 随着冷却速度的 改变还可能得到贝氏体和屈氏体等组织 无论是快速冷却得到的马氏体 还是缓慢冷却 所得到的珠光体都是从奥氏体转化而来的 因此 无论是其组织性能还是力学性能都与 其热处理工艺有关 故控制其性能的关键在于其热处理工艺 实验证明在 840 淬火后 所得到的钢的性能最佳 在对材料性能要求越来越高的将来 此结论必将产生深远的影 响 关键词关键词 热处理 45 钢 淬火 退火 正火 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 II The influence of heat treatment process on structure and property of 45 steel Abstract Steel is is one of the most widely applied materials in the modern day used as structural materials its property determines the quality of the products in high level Therefore the improvemengt of the property of the steel is valuable very much The main objective of this preliminary investigation is to verify the effect of different temperature and different cooling rate to the property of 45 steel The results show that it is very big that the heating temperature and cooling way impact on property of 45 steel So it gets work to improve property of 45 steel by changing the heating temperature and cooling way It is the most obvious that the difference in quenching when heating up temperature changes It bad that the heating up temperature either too high or too low Martensite and pearlite exist if the heating up temperature too low opposite martensite structure will be massive Both if them are detrimental to the property of the 45 steel Both martensite obtained during rapid cooling and pearlite obtained during slow cooling comes from austenite Therefore both the microstructure and mechanical properties are related to steel thermal history The experiment proves that the 45 steel keep the best properties when quenching in 840 The conclusion will be wery important in the future Keywords heat treatment 45 steel Quenching Annealing normalizing 安徽工程大学毕业设计 论文 III 目录目录 第第 1 章章 绪论绪论 2 1 1 45 钢的研究现状 2 1 1 1 45 钢的化学成分 2 1 1 2 45 钢的当前热处理现状 2 1 1 3 45 钢的性能 3 1 1 4 45 钢的用途 3 1 2 45 钢的发展趋势 3 1 3 毕业设计的内容概述 3 1 3 1 课题研究的意义 3 1 3 2 本课题研究的内容简述 3 1 3 3 本课题的研究要点 3 1 4 本章小结 4 第第 2 章章 45 钢热处理后的组织与性能钢热处理后的组织与性能 5 2 1 本课题的研究方案 5 2 1 1 本次毕业设计的过程总括 5 2 1 2 实验设备 5 2 1 3 实验材料 5 2 1 4 实验步骤 5 2 2 本课题的研究内容 5 2 2 1 45 钢的退火 5 2 2 2 45 钢的正火 6 2 2 3 45 钢的淬火 7 2 2 4 45 钢热处理后的洛氏硬度实验 9 2 2 5 不同温度下 45 钢的同一种热处理比较 9 2 3 本章小结 10 第第 3 章章 实验数据分析实验数据分析 11 3 1 45 钢热处理后的组织分析 11 3 2 45 钢热处理后的洛氏硬度实验分析 12 3 3 本章小结 13 结论与展望结论与展望 14 致致 谢谢 15 参考文献参考文献 16 附录附录 A 引用的外文文献及其译文引用的外文文献及其译文 17 附录附录 B 列入的主要参考文献的题录及摘要列入的主要参考文献的题录及摘要 35 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 IV 插图清单插图清单 图 2 1 930 退火后金相组织形貌 10 图 2 2 750 正火后金相组织形貌 10 图 2 3 840 正火后金相组织形貌 10 图 2 4 930 正火后金相组织形貌 11 图 2 5 750 水淬后金相组织形貌 11 图 2 6 840 水淬后金相组织形貌 11 图 2 7 930 水淬后金相组织形貌 12 图 2 8 750 油淬后金相组织形貌 12 图 2 9 840 油淬图后金相组织形貌 13 图 2 10 930 油淬后金相组织形貌 13 图 3 1 铁碳相图 15 安徽工程大学毕业设计 论文 V 表格清单表格清单 表 1 1 45 钢化学成分 1 2 表 1 2 不同国家 45 钢号对照表 1 2 表 2 1 45 钢热处理后的洛氏硬度实验数据 9 安徽工程大学毕业设计 论文 1 引引 言言 材料是人类社会生活中广泛应用的物质 它是社会发展和进步的标志 历史学家根 据制造工具生产的材料将人类生活的时代划分为石器时代 青铜时代和铁器时代 现代 工业技术的发展 同样与材料紧密相连 能源 信息和材料是现代技术的三大支柱 而 能源信息的发展是离不开材料的 现今材料的品种 数量和质量已经是衡量一个国家科 学技术和国民经济水平及国防力量的最重要的因素 其中钢铁材料尤其重要 由青铜器过度到铁器是生产工具的巨大发展 并且对社会进步起到了极大的推动作 用 我国从春秋战国时期开始大量使用铁器 推动了奴隶社会向封建社会的过度 从西 汉到明朝 我国钢铁生产的技术远远超过了世界各国 而且钢铁热处理技术技术也得到 了很大的发展 达到相当高的水平 钢一直从铁器时代沿用至今 其在工业发展中的重要性是巨大的 钢材是最重要的 合金结构材料 45 钢是最常使用的钢材之一 由于其综合力学性能较好 广泛用于机 械 医疗和生活等各个领域 尤其在机械制造方面 其广泛用于各种重要的结构零件 特别是那些在交变负荷下使用的连杆 螺栓 齿轮和轴类零件等 所以研究钢的热处理对改进钢的性能有积极重大的意义 钢材热处理方面的探索和 前进必将加速推动 21 世纪全球高速发展的进程 引领一场空前绝后的工业大潮 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 2 第第1章章 绪论绪论 钢铁材料具有悠久的历史 它的出现推动力社会的大跨步发展 并且每一次钢铁材 料的改进都会对社会进步作出重大的贡献 钢铁材料在国民经济中占有十分重要的地位 它们的应用非常广泛 在实际使用或 生产加工过程中 人们对钢铁材料提出了各种不同的性能要求 单凭原始材料的性能已 经满足不了工程技术上的要求 例如 为了便于切削加工就要求材料的硬度适当降低 以节约机械加工时的刀具消耗和提高劳动生产率 为使零件耐磨损 延长使用寿命 就 要求其具有较高的硬度 为使零件能在有腐蚀性气体的环境中长期工作 就要求其具有 一定的耐腐蚀性等 为满足这些性能要求 除了合理地选用材料外 还要进行热处理 如此才能充分发挥钢铁材料的性能特点 由此可知 热处理在机械制造业中占有十分重 要的地位 1 纵观钢铁的发展历史 钢铁性能的提升与热处理工艺息息相关 45 钢是最为重要 的钢铁材料之一 通过热处理工艺提升其性能是现在也是将来的必经之路 1 1 45 钢的研究现状 1 1 1 45 钢的化学成分 45 钢是中碳结构钢 用作连杆 螺栓螺钉 汽车拖拉机半轴和柴油机零件等 其 化学成分如表 1 1 各国类似钢种的牌号见表 1 2 表 1 1 45 钢化学成分 2 元素 C Mn S P Si 含量 0 4 0 5 0 5 0 8 0 45 0 45 0 17 0 37 表 1 2 不同国家 45 钢号对照表 2 中国 日本 美国 英国 法国 苏联 国际 国 别 GB JIS 联邦德国 DIN W Nr ASTM AISI SAE BS NF TOCT ISO 45 S45c c45 1 0503 1045 1045 1045 060A47 XC45 45 R683 IC45e ck45 1 1191 1046 1046 1046 080A47 钢 号 cm45 1 1201 080M46 1 1 2 45 钢的当前热处理现状 45 钢淬火前的硬度低于 28HRC 而淬火后的硬度可以高于 55HRC 其变化的程度 取决于热处理的方式 45 钢机械性能的不同取决于由于冷却速度改变而形成的不同的结构组织 意思就 是铁碳系统中最高硬度的获得取决于一种叫做马氏体转变的非扩散性转变 最低硬度的 取得取决于珠光体和铁素体的扩散性共析转变 平衡点附近快速冷却时获得的马氏体或 缓慢冷却时获得的铁素体都是从奥氏体转化而来的因此无论其组织和力学性能都与其 热处理工艺有关 热处理工艺的改变对 45 钢的性能影响决定了对其热处理工艺的研究的重要性 目 前 45 钢主要热处理工艺有正火 淬火和回火 其推荐热处理温度为 正火 850 淬 火 840 回火 600 随着热处理工艺参数的改变 热处理后 45 钢的组织和性能相 应改变 适当温度下正火时得到珠光体和铁素体组织 而淬火和回火得到的是马氏体组 织 随着它们加热温度 保温时间和冷却速度等的改变 热处理后所得到的组织变化主 安徽工程大学毕业设计 论文 3 要集中在组织粗细和组织类型两个方面 二者的改变是其性能改变的根本原因 显微组 织越细 材料的综合性能越好 显微组织类型直接决定其综合力学性能 例如马氏体具 有高的强度和硬度 相变塑性和形状记忆效应 而珠光体塑性韧性较好 强度较低等 1 1 3 45 钢的性能 45 钢为优质碳素结构钢 硬度不高易切削加工 其在淬火后未回火前 硬度大于 HRC55 最高 HRC62 为合格 其调质处理后零件具有良好的综合力学性能 3 即硬度 尚可 塑性较高 1 1 4 45 钢的用途 其广泛用于各种重要的结构零件 特别是那些在交变负荷下使用的连杆 螺栓 齿 轮和轴类零件等 3 1 2 45 钢的发展趋势 45 钢由于其综合力学性能较好 调质处理后硬度的可控制的范围宽 所以广泛用 于各种领域 在实际生产中 依照传统淬火加热温度 即在 860 左右进行淬火 工件直径小于 10mm 时 脆裂率较高 由于加热温度在 830 时淬火组织已经是均匀的马氏体组织了 所以为了降低其淬火加热时的脆裂率 在工件直径小于 10mm 时 可以适当降低加热温 度 在 840 进行淬火 45 钢在 840 时淬火时 试样硬度值一般都在 HRC56 以上 而 840 以上随淬火 温度升高 硬度值变化不大 因为材料的组织在 840 短时加热已经可以完全奥氏体化 了 温度再升高作用不大 只会引起奥氏体晶粒的长大 所以实际上只要将 45 钢加热到 840 时就能保证工件在正常加热时间内完全奥氏 体化 并在合适的冷却速度下完全淬成马氏体 由此看来以往按照一些热处理标准选取的 45 钢 860 的淬火温度偏高 加热时间 只要稍长就会造成过热 从而造成奥氏体化时奥氏体晶粒粗大 为了避免由此引起的 45 钢的综合力学性能恶化 适当降低温度来降低脆裂率 细化晶粒 减少过热将是未 来 45 钢热处理工艺的必然选择 1 3 毕业设计的内容概述 1 3 1 课题研究的意义 本课题主要是研究普通热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 常用的热处理工艺主 要有正火 淬火 回火等 影响其热处理工艺的因素主要有加热温度 保温时间 冷却 速度等 本文主要针对影响其最为重要的两个变量 加热温度和冷却速度 进行实验设 计得到相关数据并进行分析 以获得有用的结论 1 3 2 本课题研究的内容简述 该课题主要内容是拟采用 10 个 l0mm l0mm 20mm 的 45 钢样 分别在 750 840 930 的温度下保温 15min 后进行正火 油淬 水淬处理 并打磨试样 通过金 相组织观察比较不同热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 并结合冲击韧性实验 硬度 实验来获取 45 钢的机械性能 物理性能 工艺性能等 从而通过热处理工艺改变金属 表面或内部组织结构 达到控制金属性能的目的 1 3 3 本课题的研究要点 本课题为实验性课题 实验结果的准确性非常重要 而实验过程中关键变量的控制 直接决定了实验结果 所以本次实验应该在严格控制实验变量的条件下依次序进行 研究 45 钢的目的是找到提高其综合性能的途径 进而为与其相关的各个行业的发 展作铺垫 而 45 钢的性能与其显微组织直接相关 所以对其显微组织的研究将是本课 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 4 题的重中之重 为了掌握什么样的热处理工艺条件下 45 钢可得到最佳的综合性能 必须通过相互 对比 因此不同热处理条件下热处理后的试样的异同点的对比对本次研究至关重要 即 本课题的不同实验组的对比是本次研究的又一重点 1 4 本章小结 本章主要从 45 钢的研究现状和发展趋势两个方面来对其进行基本的介绍 研究现 状方面对 45 钢的成分 性能 当前热处理和用途进行了具体的介绍 而发展趋势方面 主要从其热处理工艺入手对其热处理工艺的改进进行了剖析 为未来 45 钢的发展趋势 作了简明的论述 另外本章对本次课题的研究具体内容及其意义进行了初步的讨论 并 点出了实验过程中应该注意到的问题 即本次实验课题的要点 安徽工程大学毕业设计 论文 5 第第2章章 45 钢热处理后的组织与性能钢热处理后的组织与性能 45 钢是重要的结构材料 其在现实生活中的应用非常广泛 因为如此 它的物理 和化学性质对新时期工业发展意义重大 不难想象 其性能的提升将对中国乃至世界产 生巨大的影响 汲取前人的研究成果 45 钢的组织是影响其物理和化学性能的最主要 因素 因此研究 45 钢的组织具有重要的意义 45 钢的组织非常复杂 随着热处理方式 的不同其组织也不相同 当然其性能也会随之改变 将其加热至不同的温度以不同的方 式冷却 其组织差异很大 进而其性能也会产生巨大反差 近年来 通过热处理工艺来 提升 45 性能方面已经取得了长足的进步 而这方面的探索研究还在继续 也必将不断 产生新的研究成果 本次实验主要通过改变其热处理过程中的两个最关键的变量 即加 热温度和冷却速度来具体研究热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 2 1 本课题的研究方案 2 1 1 本次毕业设计的过程总括 本次毕业设计拟采用 9 个 l0mm l0mm 20mm 的 45 钢样 所有试样都需要在 930 保温 30 分钟后进行了退火 除以上 9 个试样外另有一对比试样 分别在 750 840 930 的温度下保温 15min 后进行正火 油淬 水淬处理 并打磨试样 通过金相组织 观察比较不同热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 并结合冲击韧性实验 硬度实验来 获取 45 钢的机械性能 物理性能 工艺性能等 从而通过热处理工艺改变金属表面或 内部组织结构 达到控制金属性能的目的 2 1 2 实验设备 加热炉 砂纸 粗细共 7 种 玻璃 砂轮机 抛光机 金相显微镜 吹风机 棉 球 洛氏硬度装置 2 1 3 实验材料 l0mm l0mm 20mm 的 45 钢样 10 个 4 硝酸酒精溶液 无水乙醇 2 1 4 实验步骤 a 将 l0mm l0mm 20mm 的 45 钢样 10 个在 930 保温 30 分钟后随炉缓冷处理 b 将以上试样分为 4 组 第四组一个试样不作处理 作为对比试样 前三组分别放于 750 840 930 的温度下保温 20min 每一组分别进行油冷 水冷和空冷处理 并打磨抛光 观察金相 得到每个试样的金相组织形貌图 c 结合冲击韧性实验测量以上试样的硬度 2 2 本课题的研究内容 2 2 1 45 钢的退火 钢的退火是将钢加热到临界点以上 某些退火也可以在临界点一下 保温一定时间 然后以十分缓慢的冷却速度 炉冷 坑冷 灰冷 进行冷却的一种工艺操作 3 为保证实验所用钢样的一致性 必须对给定的 10 个 l0mm l0mm 20mm 的 45 钢样进行 退火 选定退火温度为 930 保温时间为 30 分钟 然后随炉冷却 作为参考 任意 取其中的一个试样作为对比试样 对该试样进行打磨 抛光 并用 4 硝酸酒精腐蚀 通过金相显微镜观察所得到的放大 200 倍的室温金相组织形貌图分别如下 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 6 图 2 1 930 退火后金相组织形貌 从金相组织图中可看出 45 钢经过退火后所得到的室温组织为铁素体和珠光体 其 中铁素体含量约占总量的 45 而珠光体的含量约占总量的 55 5 2 2 2 45 钢的正火 钢的正火是将工件加热至 Ac3或 Accm以上 30 80 保温后取出在空气中冷却 3 由上知道 为了充分了解热处理工艺对 45 组织性能的影响 我们设置了两个变量 即加热温度和冷却速度 下面我们将抓住这两个变量进行研究 本次实验我们选取了 45 钢 Ac3附近及其上下一定范围的三个加热温度 750 840 930 以便准确掌握不同加热温度下其组织的差异 同样为了研究冷却速度 差异所引起的组织变化我们通过改变冷却介质来改变冷却速度 本次实验所用的冷却介 质有水 油和空气 下面我们先讨论在空气这种介质中冷却时不同温度下的组织差异 对 750 840 930 加热 15 分钟后空冷 正火 所得到的试样 经过打磨 抛光 并用 4 硝酸酒精腐蚀 通过金相显微镜观察所得到的放大 200 倍的室温金相组织形貌 图分别如下 图 2 2 750 正火后金相组织形貌 图 2 3 840 正火后金相组织形貌 安徽工程大学毕业设计 论文 7 图 2 4 930 正火后金相组织形貌 从上图 2 2 2 3 2 4 知其基体组织均为铁素体和珠光体 珠光体含量约 70 铁 素体含量约 30 但是其中珠光体和铁素体的晶粒大小具有明显的区别 6 750 正火处理的金相组织图中 晶粒最大 840 正火处理的金相组织图中晶粒最 小 其原因是 750 加热温度过低 奥氏体均匀化程度相对较低 930 加热温度太高 晶粒生长变得较为粗大 2 2 3 45 钢的淬火 淬火是将钢加热至临界点 Ac1或 Ac3 以上 保温一定时间后快速冷却使过冷奥 氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法 4 钢的淬火是热处理工艺中最重要的也是最广泛的工序 淬火可以大幅提高钢的强度 与硬度 淬火后为了消除淬火钢的残余内应力 得到不同强度 硬度与韧性的配合 需 要配以不同温度的回火 所以淬火和回火是不可分割的 紧密联系的两种热处理工艺 下面我们将重点讨论钢的淬火后的情况 本次实验我们选取了两种不同的淬火介质 水和机油 分别把试样在加热到750 840 和 930 并保温 30 分钟后分别放入其中进行淬火 对所得到的试样 经过打磨 抛光 并用 4 硝酸酒精腐蚀 通过金相显微镜观察所得到的放大 200 倍的室温金相组织形貌 图分别如下 图 2 5 750 水淬后金相组织形貌 图 2 6 840 水淬后金相组织形貌 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 8 图 2 7 930 水淬后金相组织形貌 从图 2 5 2 6 2 7 中我们可以看到 750 水淬所得到的基体组织与 840 及 930 所得到的组织具有明显的差异 我们知道 45 钢为亚共析钢 750 在其临界点 Ac3以下 所以加热温度为 750 时其组织中含有大量的铁素体 而 840 和 930 时其室温组织 基体均为马氏体 但是马氏体形态是有区别的 其中 840 时的马氏体组织略细 这是 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 因此淬火后可以 得到细晶的马氏体组织 而 930 时加热温度高了 奥氏体晶粒变的粗大 淬火后得到 的马氏体组织相对较粗大 7 图 2 8 750 油淬后金相组织形貌 图 2 9 840 油淬后金相组织形貌 安徽工程大学毕业设计 论文 9 图 2 10 930 油淬后金相组织形貌 从图 2 8 2 9 2 10 中 45 钢在 3 种温度下用机油进行淬火 并未得到完全的马氏 体组织 图 2 8 中我们可以看到铁素体组织 这是因为在机油中淬火 其冷却速度小于 临界淬火速度 有先共析铁素体的析出 过冷奥氏体在中温范围转变为贝氏体 由于贝 氏体转变的不完全性 随后的等温过程中又发生了珠光体转变 所以 750 油淬后的组 织为贝氏体 铁素体和珠光体的混合组织 图 2 9 和 2 10 中其组织主要为贝氏体和珠 光体 但是图 2 10 中珠光体组织含量更多 8 2 2 4 45 钢热处理后的洛氏硬度实验 为了研究 45 钢热处理后的不同组织的性能区别 我们完成了相关的洛氏硬度实验 实验数据如下 表 2 1 45 钢热处理后的洛氏硬度实验结果 热处理 点 1 硬度 HRC 点 2 硬度 HRC 点 3 硬度 HRC 平均硬度 HRC 750 空冷 7 6 8 3 7 9 8 0 750 油冷 22 3 26 24 5 24 3 750 水冷 32 8 33 3 32 8 33 0 840 空冷 15 8 15 5 15 5 15 6 840 油冷 26 1 27 1 25 1 26 1 840 水冷 61 4 59 6 60 0 60 3 930 退火 9 1 9 9 9 2 9 4 930 空冷 15 2 15 4 15 3 15 3 930 油冷 31 5 32 2 34 7 32 8 930 水冷 59 6 60 0 59 8 59 8 2 2 5 不同温度下 45 钢的同一种热处理比较 通过以上钢的退火 正火和淬火实验以及相关的洛氏硬度实验我们知道了随着热处 理方式的不同 45 钢的组织性能变化很大 前面我们控制冷却速度这个量不变 下面 我们将重点分析加热温度一定的情况下不同冷却方式对 45 钢组织和性能的影响 从图 22 至图 2 10 中我们易知随着热处理方式 正火 水淬或油淬 不同 相同的 加热温度下其组织和性能不尽相同 由图 2 2 2 5 2 8 可知在 750 时其正火 水淬和油淬的组织 不难看出图 2 2 即正火后的组织比较粗大而图 2 5 和图 2 8 即水淬和油淬的组织相对较细一点 结合洛 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 10 氏硬度实验知水淬的组织硬度最高 组织最细 其包括硬度在内的综合力学性能越好 即对于 45 钢 在 750 水淬是最佳选择 但是水淬和油淬后其洛氏硬度值比较接近 从图 2 3 2 6 2 9 中我们的得出了同样的结论 即 840 水淬后 其综合力学性 能最佳 和 840 是的热处理一样 930 水淬后的综合力学性能也是其中最佳的 并 且和 750 是不同的是 后面两者水淬的洛氏硬度测量结果远远高于油淬和正火的 2 3 本章小结 钢的热处理拥有悠久的历史 从铁器时代开始 热处理工艺在不断的发展并完善和 改进着 随着科学技术的发展 我们对其性能的要求将越来越高 因此决定其性能的热 处理工艺的前进会变得越来越重要 本章是本课题的实验部分 主要介绍了对 45 钢进行的退火 正火和淬火实验 对 实验数据进行了整理 并且通过控制变量的方法进行了简单的实验分析 安徽工程大学毕业设计 论文 11 第第3章章 实验数据分析实验数据分析 从第 2 章中我们知道随着 45 钢热处理方式的不同 热处理后的组织和性能具有很 大的差异 本章我们我们将更加具体的介绍其不同热处理后组织性能差异的原因 3 1 45 钢热处理后的组织分析 经过多年的发展 对于钢的热处理知识 我们研究的越来越深 从前人的研究成果 中我们知道为使钢件经热处理后能获得所要求的组织和性能 大多数的热处理工艺都需 要先将钢件加热至临界点以上 使之转变为奥氏体 即奥氏体化 然后再以一定的方式 冷却使之转变为所需的组织 钢加热时形成的奥氏体组织形态对热处理后的组织和性能 有很大的影响 因此加热转变是钢进行各种热处理的基础 8 珠光体是钢铁材料热处理过程中出现的另一种重要组织 珠光体转变发生在过冷奥 氏体转变的高温区 又称高温转变 属于扩散型相变 9 钢铁材料在退火和正火中都要 求发生珠光体转变 而淬火时则力求避免发生珠光体转变 10 我们知道碳在钢铁中可以有四种形式存在 碳原子溶于 Fe 形成的固溶体 称为 铁素体 碳原子溶于 Fe 形成的固溶体成为奥氏体 碳原子与 Fe 原子形成的复杂结构 的化合物 Fe3C 称为渗碳体 或者是游离态的石墨 其中 Fe3C 是亚稳相 一定条件下 会分解为铁和石墨 所以研究钢热处理后的组织将参照于 Fe Fe3C 和 C 的分布情况相 关的铁碳双相图 图 3 1 11 图 3 1 铁碳相图 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 12 45 钢的含碳量为 0 4 0 5 从图 3 1 中我们可以看出加热温度在 750 至 930 之间时 45 钢会与 GS 线有交点 该点即为其临界点 Ac3 从图中我们可以看到 Ac3点的 温度约 780 所以可知在 840 和 930 加热温度下 45 钢均完全奥氏体化 而加热 温度在 750 时 45 钢当中还残存有 相 11 这一点恰好说明了图 2 5 2 6 和 2 7 中显 微组织差异的原因 由于未完全奥氏体化 即残存 相的存在 使得加热温度为 750 的试样水淬后的室温组织不是完全的马氏体 淬火加热温度也不能过低 如低于 Ac3 则必然会残存一部分铁素体 淬火时这部分铁素体不发生转变 保留在淬火组织中 使 钢的强度和硬度降低 12 15 所以加热温度 750 的水淬后的组织为大量铁素体和少量的 马氏体 淬火加热温度不能过高 否则 奥氏体晶粒粗化 淬火后会出现粗大的马氏体 组织 使钢的脆性增大 而且使淬火应力增大 容易产生变形和开裂 这是图 2 6 的马 氏体组织比图 2 7 的马氏体组织细的原因 从图 2 8 2 9 和 2 10 中我们看到三种温度下的油淬组织各自有其独特的特点 图 2 8 750 中由于加热温度过低未完全奥氏体化的缘故 室温组织中存在残留铁素体 另一方面 冷却速度稍慢 过冷奥氏体在中温范围转变为贝氏体 由于贝氏体转变的不 完全性 随后的等温过程中又发生了珠光体转变 所以 750 油淬后的组织为贝氏体 铁素体和珠光体的混合组织 16 18 当然 840 和 930 的加热温度下 已经完全奥氏体 化因此其组织主要为贝氏体和珠光体 由于随着加热温度的升高 贝氏体转变的不完全 程度增大 故 930 时组织中珠光体的含量更大一点 对于退火和正火由于冷却速度过慢 所以其室温组织均为铁素体和珠光体 从图 2 1 到 2 4 中我们很容易就能发现 它们的区别主要在于组织粗细和组织比例 可以看 出同等条件下正火后的组织比退火后的要细 19 20 退火后铁素体约占总量的 45 珠光 体约占总量的 55 而正火后组织为 30 铁素体 70 珠光体 3 2 45 钢热处理后的洛氏硬度实验分析 表 2 1 列出了本次洛氏硬度实验的数据 从中我们最直观的可以知道淬火后的组织 硬度高于正火后的 而退火后的硬度最低 下面我们将进行更具体的讨论 45 钢 930 退火后 其硬度为 9 4HRC 见表 2 1 结合金相组织图 退火后的 组织为硬度不高的铁素体和珠光体且晶粒粗大 故硬度较低 45 钢正火的试样有三个 其硬度随着加热温度的改变而改变 加热温度为 750 840 930 所对应的硬度分别为 8 0 15 6 15 3HRC 可知同温度下硬度比退火时 稍高 结合金相组织形貌图 正火与退火区别主要有两点 其一为铁素体和珠光体的比 例 其二为组织粗细 以上两点即为正火后组织硬度稍高的原因 45 钢淬火的试样有六个 水淬和油淬的试样各有三个 较正火和退火 淬火后的 硬度高的多 油淬的加热温度为 750 840 930 所对应的硬度分别为 24 3 26 1 32 8HRC 水淬的加热温度为 750 840 930 所对应的硬度分别为 33 0 60 3 59 8 从这两组数据中可以看出水淬后试样的硬度比油淬后的也大很多 结合金相组织 形貌图知 其硬度差异的主要原因是淬火速度差异而引起的组织差异 油淬后的组织为 贝氏体 珠光体并残留有铁素体的复杂组织 水淬后 高温时完全奥氏体化时 的组织 为马氏体组织 因为相同条件下马氏体组织的硬度比包括贝氏体在内的其他组织硬度都 高 安徽工程大学毕业设计 论文 13 3 3 本章小结 本章主要结合了目前钢的热处理研究所得到的成果对毕业设计实验所得的数据进 行分析 通过对实验数据的分析 发现了不同热处理条件下 45 钢的组织性能差别很大 其中淬火后 45 钢的硬度值较其它的高些 并且加热温度在 840 硬度已近接近最大值 所以 45 钢淬火是加热温度在 840 是最理想的 加热温度再升高不仅增加生产成本 而且会引起淬火应力 组织粗大等 从而直接使其力学性能恶化 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 14 结论与展望结论与展望 结论 热处理工艺对钢铁材料物理和化学性能有很大影响 因此控制热处理工艺对 钢铁材料性能的提升具有重大意义 在本次毕业设计中我们通过控制热处理变量 即冷 却速度和加热温度来探讨热处理工艺对 45 钢组织和性能的影响 对实验结果进行对比 分析得到如下规律 45 钢热处理过程中加热温度和冷却速度的改变对其组织性能有很 大影响 加热温度不宜过高 也不能过低 在 840 附近最好 冷却速度对其组织性能 的影响更大 冷却速度的改变直接引起其组织结构的改变 进而大幅度影响其性 阅读了大量的文献资料发现 许多科学工作者在研究钢的热处理工艺时 其控制的 变量除了冷却速度和加热温度以外还有保温时间和加热速度等 而这些正是我所进行的 实验所欠缺的 只有对所有影响热处理工艺的参数进行对比分析 才能得到完整的结论 在本次的毕业设计中我觉得图书馆里关于 45 钢的相关图书资料比较欠缺 查资料 方面有点困难 由于时间和实验室条件以及本人的能力等诸多因素的限制 实验设计的 比较简单 实验中也只是改变了两个条件 这样对比度不够 在以后的实验中 我们可 以通过改变实验条件如保温时间和加热速度来设计实验 以获得非常丰富的实验数据 得到完善的实验结果 展望 在经济全球化的今天 产品的更新换代速度 已经达到我们无法想象的地步 要想在竞争之中占得先机 必须研发性能优越的原材料 原材料的质量是产品质量的基 本保证 纵观整个世界 钢铁材料是应用最为广泛的 也是与国民经济联系最密切的 45 钢是最重要的钢铁材料之一 所以研究与 45 钢的性能相关的热处理工艺具有重大意 义 通过热处理工艺的改进引起的产品质量的提升必将对中国乃至世界经济的发展做出 相当重要的贡献 安徽工程大学毕业设计 论文 15 致致 谢谢 本论文是在王银凤导师的精心指导下完成的 王老师学识渊博 治学严谨 学术思 想活跃 科研思路清晰 为人和善 给我留下了深刻的印象 使我终身受益 是我学习 的榜样 在我做实验和写论文的过程中给予我很大的帮助 总是不厌其烦的给我讲解关 于本课题相关的而我又是十分模糊的科学知识 对于我提出的任何问题 都给予详细的 回答 并且在我们实验遇到问题时亲身动手 帮忙找出问题 在此 谨向王老师表示我 崇高的敬意和最诚挚的感谢 感谢母校提供的良好的学习和生活环境 四年的大学学习和生活经历让我终身难 忘 在本论文的完成过程中 得到了刘明朗老师在洛氏硬度测试方面的大力帮助 在此 表示由衷的感谢 感谢和我一组做实验的几位同学 彼此互相学习和帮助 督促实验的进程 感谢我的室友 在我写论文的过程中对我遇到的问题给予及时和完整的答复 最后 衷心感谢我的父母 是他们无私的关爱和默默的付出 让我拥有了大学四年美好而精彩 的回忆 在此 我将此论文献给他们 感谢他们的支持和鼓励 祝愿他们永远幸福平安 作者签名 2011 年 月 日 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 16 参考文献参考文献 1 樊晓燕 浅谈钢的热处理 J 机械管理开发 2007 2 72 2 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 33 3 沈莲 机械工程材料 M 2 版 北京 机械工业出版社 2003 4 陆兴 刘世程 王德庆 热处理工程基础 北京 机械工业出版社 2007 5 束德林 金属力学性能 M 2 版 北京 机械工业出版社 1995 6 夏丽芳 金属热处理工艺学 哈尔滨工业大学出版社 1987 7 荣少济 金属热处理 1985 2 8 侯豁然 刘清友 孙新军 董瀚 淬火冷却速度对碳素钢显微组织的影响 J 钢铁 2004 9 3 45 46 9 梁慧超 45钢热处理工艺和化学成分与性能的关系 J 机械工程师年 2005 6 124 10 戚正风 金属热处理原理 M 北京 机械工业出版社 1999 11 胡赓祥 蔡珣 戎咏华 材料科学基础 M 2 版 上海 上海交通大学出版社 2006 12 徐祖耀 钢热处理的新工艺 J 热处理 2007 22 1 1 4 13 G Krauss Steels Heat Treatment and Processing Principles ASM International OH USA 1989 14 A Nasery Isfahanya H Saghafi ana G Borhanib Journal of Alloys and Compounds 509 2011 3931 3936 15 O Saquet J Chicois A Vincent Barkhousen noise from plain carbon steels analysis of the infl uence of microstructure Mater Sci Eng A 269 1999 73 82 16 F Cajner B Smoljan D Lnadek Computer simulation of induction hardening J Mater Process Technol 157 158 2004 55 60 17 I F Machado Equipamento emetodo para tratamentotermico de material metalicoceramico e produto obtido Brazilian Patent Application Number 0180500009650 2005 18 P Godon M Cohen R S Rose Effect of quenching bath temperature on the tempering of high speed steel J Trans ASM 1944 33 411454 19 J D Lane J w Stam General Introductor Revier of the relationship between Metallurgy and Machinability Iron and Steel Inst Prod confer Machinability 1967 pp 65 70 20 E M Trent Metal Cutting Tanner Ltd London 1984 安徽工程大学毕业设计 论文 17 附录附录 A 引用的外文文献及其译文引用的外文文献及其译文 Abstract Steels are the most important alloys utilized as structural material and this work shows technological advances in steels heat treatments The structure and the microstructure of most steels are well known by now as well as the effects of the heat treatments in changing their mechanical properties For instance both martensite obtained during rapid cooling and pearlite obtained during slow cooling comes from austenite Therefore both the steel microstructure and mechanical properties are related to steel thermal history The main objective of this preliminary investigation is to verify the effect of the voltage applied by using a power source in carbon steel samples during heat treatments The materials chosen were AISI 1020 and AISI 52100 which are well known steels with application in many areas of mechanical industry The results showed that a great improvement could be reached by applying voltage during heat treatments The effect of applying voltage seems to be similar to the temperature in the iron carbon equilibrium system Therefore the microstructure and the mechanical properties of the steel to which a voltage was applied were different from the other sample of the same steel which had been heat treated at the same temperature and cooled at the same cooling rate 2005 Elsevier B V All rights reserved Keywords Heat treatment Steels Quenching Iron carbon equilibrium Voltage 郭顺 热处理工艺对 45 钢组织性能的影响 18 1 Introduction Steels have been used since the Iron Age and their importance in the development of industry has been enormous Steels are the most important alloys utilized as structural material They are straightforwardly related to engineering The microstructure of most steels is well known by now as well as the effects of the heat treatments in changing their mechanical properties 1 For instance the hardness of the AISI 5150 steel could vary from 20 to 60 HRC depending on its heat treatment 1 The differences in mechanical properties of a given steel are theresultof different microstructures formed during cooling This statementgenerally means that the highest hardness in the iron carbon systems is obtained due to a diffusionless transformation called martensite formation and the lowest hardness is obtained due to a diffusion transformation which