45钢热处理加热过程对组织和性能的影响

45钢热处理加热过程对组织和性能的影响摘要:ANSYS有限元软件在温度场的模拟过程中,很好地结合了材料变温过程的热物性参数的变化,适用于钢件淬火过程温度场的准确计算。热处理工艺通过改变钢的内部组织结构，使其钢的性能得以改善。热处理可分为加热、保温、冷却三个过程，其中加热温度和保温时间会影响晶粒的大小。本论文利用ANSYS有限元分析软件对几何外形复杂的45钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟,分析工件的各个部分在热处理加热过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件经热处理后获得优良的性能提供一定的依据。根据ANSYS模拟出来的温度场分布，合理选择适当的加热温度和保温时间做热处理水淬实验，通过金相组织的观察、硬度测试、拉伸测试实验等，我们得出加热过程会影响钢的显微组织，从而影响性能。结果表明，加热840保温15min会使45钢的性能达到极致。关键词：45钢，热处理，加热过程，温度场模拟IIIheattreatmentheatingprocessimpactontheorganizationandperformanceof45steelAbstract:ANSYSfiniteelementsoftwareIntheprocessinSimulationofTemperatureField,Wellwiththechangesinthematerialconstanttemperaturethermalparametersofthematerial,Especiallysuitableforaccuratecalculationofsteelhardeningprocesstemperaturefield.Heattreatmentprocessbychangingtheinternalorganizationalstructureofsteel,Performancecanbeimprovedtomakesteel.Heattreatmentcanbedividedintoheating,insulation,coolingthreeprocesses,heatingtemperatureandtimewillaffectthesizeofthegrains.Inthepaper,byusingANSYSfiniteelementanalysissoftwareforcomplexgeometryof45steelpartsduringquenchingtemperaturefieldfiniteelementsimulation,analysisofthevariouspartsoftheworkpieceintheheattreatmenttemperatureheatingprocesschanges,tooptimizetheheattreatmentprocess,theworkpiecebyheattreatmentafterobtainingexcellentperformancetoprovideabasis.AccordingANSYSsimulatedtemperaturedistribution,reasonabletoselecttheappropriatetemperatureandholdingtimedoingheattreatmentwaterquenchingexperiments,microstructureobservationexperiments,hardnesstest,tensiletest,andwewillcometotheheatingprocessaffectthemicrostructureofsteel,whichcouldaffectperformance.Fromtheexperimentalresultsweobtained,heating840for15minwillachievetheultimateperformanceof45steel.Keyword:45steel，HeatTreatment，Heatingprocess，TemperaturefieldsimulationIII目录1前言.11.145的热处理现状及应用.11.2ANSYS软件概述.12ANSYS有限元分析.32.1ANSYS有限元模拟过程.32.1.1前处理阶段.42.1.2加载求解阶段.52.2结果分析.52.2.1对各时间点温度分布图的分析.52.2.2对各点温度随时间变化的曲线图分析.82.3本章小结.11345钢的热处理工艺参数的确定.123.1钢的分类及编号.123.245钢的化学成分及组织性能.133.3热处理工艺参数的选择.133.3.1不同加热温度的选择.173.3.2不同保温时间的选择.183.4本章小结.18445钢热处理实验研究.194.1热处理实验的研究方案.194.1.1实验设备.194.1.2实验材料.194.1.3实验步骤.194.2实验结果与分析.204.2.1金相组织.204.2.1洛氏硬度.254.2.3拉伸实验.264.3本章小结.29IV结论.30参考文献.31致谢.3301前言1.145钢的热处理现状及应用钢一直从铁器时代沿用至今，它具有悠久的历史，并且推动了社会的大跨步发展，在工业发展中尤为重要。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，同时良好的切削加工性能使它通常在调质或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调质成索氏体时，在一定程度上的韧性增强。多年来，这一钢种虽然已积累有丰富的生产与应用的经验，但在实际生产中，仍会出现许多使用不当之处，结果没有充分发挥该钢所具有的性能潜力，造成大量浪费。其中，因热处理工艺的制订及操作不合理而引起工件开裂是一种常见现象1。为使45钢具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺加热温度与保温时间的合理选择也是重中之重。在淬火加热过程中,如果零件内部温度分布不均匀,组织转变过程不均匀会导致热应力和相变应力,这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和使用寿命2。如果热处理不当,将会造成零件组织性能达不到预定要求,甚至会产生过量变形或开裂而报废。生产实践表明,淬火加热过程是热处理工艺中非常重要的环节。确定淬火加热过程零件材料内部的温度随时间的分布规律，进而能评估淬火件的组织转变情况及淬火残余应力。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据3。准确描述工件温度场分布传统分析方法是实验测定和经验判断。由于淬火是一个相当复杂的过程,受多种因素影响,而各影响因素之间又相互作用、相互制约。因此传统的方法不能完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场分布。然而计算机模拟可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来,实现动态的、逼真的模拟4。1.2ANSYS软件概述1随着计算机技术的发展，很多有限元分析软件得到普及，其中最普遍的ANSYS准确性较高，实用性较强，得到很多方面的使用。ANSYS软件是国际上第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件5。它是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可应用于航空航天、土木建筑、机械、能源、交通运输、电子生物、医学、教学、科研等相关领域。ANSYS用于计算一个系统或部件的温度分布以及其他热物理参数，ANSYS/Multiphysic、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED等产品中包含热分析功能，其中ANSYS/FLOTRAN不包含相变热分析。热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。其目的是分析一个系统或某些部件的温度场分布和某些其它热物理量参数，如热量的得失、热量梯度、热流的密度（热通量）等，热分析对于很多生产和研究都非常重要。ANSYS进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元(包含若干节点),然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点温度,继而进一步求解出其他相关量6。ANSYS作为有限元分析软件在热分析方面具有强大的功能3。ANSYS有限元软件在温度场的模拟过程中,很好地结合了材料变温过程的热物性参数的变化,特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算。模拟过程对于淬火液的选取及淬火工艺的优化提供了参考依据,同时为淬火过程中的热应力、残余应力计算提供了温度边界条件5。ANSYS有限元计算机模拟可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来,实现动态的、逼真的模拟。无论是针对外形规则、对称的零件如轴、板等；还是对于外形过于复杂的零件,都可以轻而易举的完成。ANSYS模拟不仅可以真实的描述零件的几何形状和边界条件,而且还能成功地处理一些非线性初边值问题,通过友好的用户接口,可很容易获得钢件淬火过程动态图、温降历程、温度分布,因而特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟7。ANSYS10.0热分析分类，主要有两大类：稳态传热：稳态热传递，根据热分析遵循热力学第一定律，输入的能量-输出的能量=0。热能流动不随时间变化，系统的温度和热载荷也都不随时间变化。瞬态传热：系统受随时间变化的载荷或边界条件的影响。22ANSYS有限元分析利用ANSYS软件的热分析模块对试件淬火过程进行数学模型分析，并通过建模划分网格、加载及求解,得到了试件在淬火过程中不同时刻的温度场分布以及在某一时刻试件不同关键点的温度变化趋势。热分析中基本符号及国际单位见表2.1所示。表2.1热分析基础单位项目国际单位ANSYS代号长度m时间s质量Kg温度力N能量（热量）J功率（热流率）W热流密度W/m生热速率W/m导热系数W/m-KXX对流系数W/m-HF密度Kg/mDENS比热J/Kg-C焓J/mENTH2.1ANSYS有限元模拟过程某一圆柱体零件，将其由室温25加热到840，用ANSYS软件模拟不同时间3圆柱体内温度场分布以及在不同的关键点处温度随时间的变化2。2.1.1前处理阶段(1)建模设圆柱体底面半径R=8mm,高h=12mm。由于该45钢热处理试样为圆柱体，为轴对称模型，故我们可以取该圆柱的一旋转面，建立一个二维模型如图2.1所示，使模拟过程得以简化。在建模过程中,以m为单位。图2.1二维模型图(2)网格划分划分网格的方式有很多种，本次模拟以尽可能的获得小正方形的标准划分网格。具体划分是竖直方向划分30等份，水平方向划分20等份。(3)定义材料热物性参数淬火45钢的密度与温度变化关系不是很大,按常数处理,对最后结果影响不大。而对比热容、热导率、换热系数等这些温度影响较大的热物性参数,由于这些参数是温度和相变组织成分的函数，淬火过程温度跨度比较大,组织变化程度大,因而将各热物性参数看作恒量显然是不合理的。因此比热容、热导率必需看成是温度的函数2。由手册9查得45号钢的比热容、热导率与温度变化关系如表2.2所示。4表2.245钢热物性参数T/cp/J.(kg.)/W.(m)-1/kg.m-310048043.5320049840.4430052438.1340056036.0250061534.1660070031.9870085428.66755106425.1480080626.4990063725.92100060224.0278002.1.2加载求解阶段设定有限元分析类型为瞬态传热；淬火过程对流边界的对流系数100；并设置初始温度为25，最终加热温度为840；同时设置最终时间为900s。2.2结果分析由设定的求解条件可以得到淬火过程900s内零件各部分的温度场分布,并可模拟温度场随时间的不同时刻的温度场变化过程。2.2.1对各时间点温度分布图的分析由设定的求解条件可以得到淬火过程900s内零件各部分的温度场分布,530s、60s、300s、600s、900s时零件的温度场分布如下图所示。图2.2第30秒45钢圆柱旋转面的温度场分布图(单位:)6图2.3第60秒45钢圆柱旋转面的温度场分布图(单位:)图2.4第300秒45钢圆柱旋转面的温度场分布图(单位:)7图2.5第600秒45钢圆柱旋转面的温度场分布图(单位:)图2.6第900秒45钢圆柱旋转面的温度场分布图(单位:)图2.2、2.3、2.4、2.5、2.6为不同时刻的温度场态变化过程。从图中可以看出,在加热30s时,表面温度迅速升高,而心部温度相对升温速度较慢。随着淬火时间的延长,表面温度持续升高,但是温度上升速率显着下降。对比以上各图的最高和最低温度得出：该45钢工件试样在开始加热阶段，工件内温差较大，在后阶段温差逐渐减小。2.2.4对各点温度随时间变化的曲线图分析分别对图2.1所示K1、K2、K3、K4关键点进行研究,考察其温度随时间变化情况，具体变化趋势如下图2.7、2.8、2.9、2.10所示。由于本次模拟过程中建立的二维模型较小，所以由以下图2.7、2.8、2.9、2.10不同关键点温度随时间变化的曲线图观察得到以下结论：无论是靠近边界的K2点、处8于心部的K1点还是试件内部的K2、K3，工件上各点温度随时间变化的趋势较相近。在400s之前温度迅速增长，随着时间的延长，温度升高速度变慢，最后趋于稳定，达到设定的温度。图2.7K1（0,0）温度随时间变化的曲线图（TIME:sVALU：）9图2.8K2（0.008,0.002）温度随时间变化的曲线图（TIME:sVALU：）图2.9K3(0.005，-0.003)温度随时间变化的曲线图（TIME:sVALU：）10图2.10K4(0.004，0)温度随时间变化的曲线图（TIME:sVALU：）2.3本章小结通过对ANSYS有限元热分析软件原理、操作步骤、后处理技术等的介绍分析，体现了ANSYS软件在处理比较复杂的工程实际问题的简便性,它可以大大地减少工作量和计算中的误差,并节约了开支。但是要想达到更精准的模拟结果，我们就得在前处理的过程中，搜集到更准确的边界条件和载荷，并且把网格划分得更加的精密。利用ANSYS进行淬火过程温度场分析,可以为淬火过程热应力,残余应力的计算准备温度条件。应用ANSYS求解其淬火过程温度场,计算速度较快,并且计算结果可靠,从而为分析不同加热温度及保温时间对组织性能的影响提供依据，最后可以通过调整热处理工艺，使工件经热处理后获得优良的使用性能。11345钢的热处理工艺参数的确定3.1钢的分类及编号工业用钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要的地位10。钢铁材料是工业应用最广、用量最多的金属，其品种繁多、性能各异。按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。（1）结构钢：用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。（2）工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。（3）特殊性能钢：是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%）；中碳钢（0.25%含碳量0.6%）；高碳钢（含碳量0.6%）。合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量5%）；中合金钢合金元素总含量=5%10%）；高合金钢（合金元素总含量10%）。此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。生产上使用的钢材品种很多，性能也千差万别，为了便于生产、使用和研究，需要对钢进行编号。我国钢产品的编号采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯12数字相结合的原则。即：钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示，如Si、Mn、Cr、W等，其中只有稀土元素，由于其含量不多但种类却不少，不易全部一一分析出来，因此用“RE”表示其总含量；产品名称、用途、特性和工艺方法等，采用汉语拼音字母来表示。针对优质碳素结构钢，牌号用两位数字表示10。这两位数字表示平均含碳量的万分之几，如45钢表示钢中平均含碳量为Wc=0.45。3.245钢的化学成分及组织性能根据45钢的含碳量0.45%可知，45钢属于中碳优质碳素结构钢，其硬度较低，强度较高，塑性和韧性尚好，切削加工性能较好，除了用来做模具的模板、导柱外，还经常用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件。45钢的综合机械性能较好是45钢的特性，45钢是中碳钢，表面硬度低，不耐磨。如果需要较高的表面硬度，可以对45钢进行调质和表面淬火来使工件的表面硬度得到提高，对心部强度要求不高的表面淬火零件常见的有曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。但在水淬时有形成裂纹的倾向，所以用来制作形状复杂的零件时应在热水或油中淬火11。45钢淬火前的硬度低于28HRC,淬火后的硬度可以高于55HRC。调质处理后零件具有良好的综合力学性能，即硬度尚可，塑性较高。45钢的相关参数及应用如下表3.1所示。表3.145钢相关参数及应用钢号化学成分热处理力学性能应用举例45C0.42-0.50Mn0.5-0.8Si0.17-0.37Cr0.25正火850淬火：840水回火：600抗拉强度600Mpa屈服强度355Mpa伸长率16断面收缩率40冲击韧性39J小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等133.3热处理工艺参数的选择热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。其目的是改变钢的内部组织结构，以改善其性能。它不但可以强化金属材料，充分挖掘材料性能潜力，降低结构重量，节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。钢的热处理工艺可分为加热、保温和冷却三部分，该过程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据，其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律，以获得所需性能。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、保温时间等的改变，热处理后所得到的组织变化主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。本论文主要研究45钢的调质处理。所谓调质处理就是由淬火和高温回火结合的一种工艺。其中淬火是将根据铁碳合金相图（见图3.3）将钢加热到临界点AC1或AC3以上，保温一段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。它可以大幅度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。回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却到室温的工艺过程。决定回火后的组织和性能的最重要因素是回火温度，根据工件的组织和性能要求，回火可分为低温回火、中温回火、高温回火。其中低温回火温度约为150250，回火组织主要为回火马氏体10。低温回火适用于刀14具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火工件。低碳回火钢大部分是淬火高碳钢和高碳合金钢，经淬火并低温回火后得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。中温回火一般在350500之间，回火组织为回火托氏体。中温回火后工件的淬火应力基本消失。因此钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。故中温回火主要用于各种弹簧零件及热锻模具。高温回火的温度约为500600，回火组织为回火索氏体。经高温处理后，钢具有优良的综合力学性能。高温回火适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的重要机器零件。由以上分析可得：试件应先进行840左右的淬火加热，保温=KD(单位为min)，在水中冷却，然后进行600的回火，最后空冷。其具体工艺曲线如下图：图3.1淬火工艺曲线图水冷750840930=KD15图3.2高温回火工艺曲线图3-3铁碳合金相图图3.3铁碳合金相图在上图3.3中，PSK(A1线)、GS(A3线)、ES(Acm线)是钢在缓慢加热和冷却过程16中组织转变的临界点。其中PSK(A1线)成为共析线或共析温度，也就是说共析转变是在727恒温下，由Wc=0.77的奥氏体转变为由Wc=0.0218的铁素体和渗碳体组合的混合物珠光体。GS(A3线)是在冷却过程中的奥氏体析出铁素体的开始线，或者说是加热过程中铁素体融入奥氏体的终了线。ES(Acm线)是碳在奥氏体中的溶解度曲线，当温度低于此曲线时，就要从奥氏体中析出次生渗碳体。根据组织特征，将铁碳合金相图按含碳量划分为七种类型：(1).工业纯铁Wc0.0218%(2).共析钢Wc=0.77%(3).亚共析钢Wc=0.0218%0.77%(4).过共析钢Wc=0.77%2.11%(5).共晶白口铁Wc=4.3%(6).亚共晶白口铁Wc=2.11%4.3%(7).过共晶白口铁Wc=4.3%6.69%3.3.1不同加热温度的选择钢的加热过程是奥氏体的转变过程，加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀化程度、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物等过剩相的数量和分布情况，直接影响钢在冷却后的组织和性能10。对45钢进行热处理时，其加热过程主要是为了得到均匀、细小的奥氏体晶粒，而温度对奥氏体晶粒的形成速度和晶粒大小影响最大的因素；而且工件在加热过程中由于内外温差会导致热应力和组织应力的产生。钢在淬火加热过程中，如果操作不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的现象。过热不仅使淬火后得到的马氏体组织粗大，使工件的强度和韧性降低，易于产生脆断，而且容易引起淬火裂纹。对于过热工件，进行一次细化晶粒的退火或正火，然后再按工艺规程进行淬火，便可以纠正过热组织。过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象，过烧的工件无法补救，只得报废12。淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得17细小的马氏体。根据45钢含碳量0.45%，按含碳量是亚共析钢。亚共析钢通常加热至Ac3以上3050。若在AC1AC3之间，淬火组织中除马氏体外，还保留一部分铁素体，使钢的硬度和强度降低，淬火温度亦不能超过AC3点过高，以防奥氏体晶粒粗化，淬火后获得粗大的马氏体。根据铁碳合金相图可是确定三组实验温度的选择分别是750,840,930。3.3.2不同保温时间的选择为了使工件各部分完成组织转变，需要在淬火加热时保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。影响淬火加热时间的因素较多，如钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸、加热介质、炉温、装炉方式及装炉量等。保温时间的长短对冷却转变后会影响奥氏体晶粒大小，对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般来说，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性越高。但是奥氏体化温度过高或在高温下保持时间过长，将使钢的奥氏体晶粒长大，显著降低钢的冲击韧度、减少裂纹扩展功和提高脆性转折温度。此外，晶粒粗大的钢件，淬火变形和开裂倾向增大，尤其是当晶粒大小不均时，还显著降低钢的结构刚度，引起应力集中，易于产生脆性断裂13。由于奥氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，所以加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越粗大。所以研究相同加热条件下，不同保温时间对45钢组织性能的影响时，根据淬火保温时间=KD（式中D是工件有效厚度，单位mm；K为加热系数，一般K=1.52.0min/mm）计算得保温时间为15min，由ANSYS有限元模拟软件为依据，分别选择5min、15min、45min、60min。3.4本章小结钢的热处理拥有悠久的历史，从铁器时代开始，热处理工艺在不断地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14。18本章介绍了45钢的基本性能和化学成分，并为本次课题所要研究的不同加热温度和保温时间进行了实验参数的确定，以及为其参数的确定提供了一定的理论依据。研究钢在加热时的组织转变规律，控制加热规范及改变钢在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、保证热处理产品质量有重要意义。445钢热处理实验研究4.1热处理实验的研究方案本课题热处理实验可以分为两部分：(1).将试件分别加热750、840、930后保温15min，在水中冷却，然后进行高温回火，最后在空气中冷却处理；(2).将试件加热到840后，分别保温5min、15min、45min、60min，在水中冷却，然后进行高温回火，最后在空气中冷却处理；处理完成后通过观察金相组织的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、拉伸试验来获取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。4.1.1实验设备加热炉、砂纸（粗细共7种）、砂轮机、抛光机、金相显微镜、吹风机、棉球、布氏硬度装置、洛氏硬度装置，拉伸试验设备。4.1.2实验材料拉伸试样7个，冲击韧性试样V形缺口14个、U型缺口7个，4%硝酸酒精溶液、无水乙醇。194.1.3实验步骤（1）、将所有的试件平均分成七组，前三组在750、840、930下加热并保温15min，后四组均在840加热，并分别保温5min、15min、45min、60min，然后水冷，之后进行600高温回火，最后进行空冷。（2）、将各组试件分别打磨抛光，观察金相组织，得到45钢不同加热温度和保温时间下的金相组织形貌图；（3）、结合冲击韧性实验、拉伸试验、硬度试验测量以上试样的力学性能。4.2实验结果与分析4.2.1金相组织金相组织分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可以大大提高工作效率14。常用的金相观察检验主要可分为以下几个方面：(1)原材料检验：对原材料的冶金质量情况如偏析、非金属夹杂物分布类型与级别检查；对铸造材料的铸造疏松、气孔、夹渣组织均匀性检查；对锻造件的表面脱碳、过热、过烧、裂纹、变形等情况检查。(2)生产过程中的质量控制：金相分析可以提供调整工序及修改工艺参数的根据，指导生产，如热处理淬火加热温度、保温时问、冷却速度等是否合适（正确）；化学表面热处理工艺参数的控制；锻造的起始和终锻温度是否合适等。(3)产品质量检验：有些机械零件或产品除要求机械性能、物理性能指标外，有的还要求显微组织参数，作为质量评定的技术指标之一。(4)失效分析：金相组织分析方法在机械失效分析方面广泛应用，对一些常见的弊病鉴定很方便。如机件表面脱碳；显微裂纹的形貌及分布特征；化学热处理缺陷；热处理后的不正常组织；晶界脆性相析出等。这些金相分析的结果常作为故障20分析的根据15。调质处理后的试样经过打磨试样、研磨抛光及用4%硝酸酒精溶液腐蚀之后，通过金相组织显微镜所得到的放大200倍的室温金相组织形貌图可以观察到不同处理后显微组织的变化，从而根据组织的变化分析对性能的影响。其中经不同淬火加热温度调质处理下的金相形貌图如下图所示。图4.1750淬火+高温回火后金相组织形貌21图4.2840淬火+高温回火后金相组织形貌图4.3930淬火+高温回火后金相组织形貌从图4.1、4.2、4.3中我们可以看到，750淬火+高温回火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。这是因为750仅超过Ac1，并在其临界点Ac3以下，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍保留一部分先析铁素体，所以加热温度为750时其组织中含有大量的铁素体和回火索氏体。而840和930时其室温组织基体均为回火索氏体，但是回火索氏体形态是有区别的，其中840时的回火索氏体组织略细。这是因为淬火钢在回火过程中随着回火温度升高和回火时间的延长，只发生了马氏体中碳的偏聚、马氏体分解、残余奥氏体的转变、碳化物的转变过程以及渗碳体的聚集长大和相回复、再结晶，所以45钢调质后的组织形态首先取决于淬火组织16。将45钢加热到840时奥氏体晶粒较细，并且融22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。因加热不足而残留在马氏体组织中的块状铁素体，将会保留到高温回火后的索氏体组织中。同时，淬火马氏体的粗细直接影响索氏体的粗细。其经过相同加热温度和不同保温时间调质处理后的金相组织图如下图4.4、4.5、4.6、4.7所示。图4.4保温时间为5min的金相组织形貌23图4.5保温时间为15min的金相组织形貌图4.6保温时间为45min的金相组织形貌24图4.7保温时间为60min的金相组织形貌从图4.4、4.5、4.6、4.7中我们可以看到，840淬火+高温回火经过不同的淬火保温时间后所得到的基体组织具有明显的差异。根据保温时间的计算公式：=KD（K是加热系数，D是工件有效厚度）可以计算出实际试件保温时间应为15min，当保温时间不足5min时，会使组织中含有大量的铁素体，这是因为形成奥氏体晶粒需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间17。当保温时间越长，会使奥氏体晶粒粗大，马氏体转变过程中形成粗大的马氏体。又因为回火处理后得到的组织形态首先取决于淬火组织，所以当保温15min、45min、60min后其室温组织基体是回火索氏体，但是在粗细上有差别，保温45min后的回火索氏体较保温15min组织略显粗大，保温60min和保温45min的组织几乎相同。这是因为保温时间在影响奥氏体长大的过程中，当奥氏体晶粒长大到一定程度时，再延长保温时间，晶粒将不再长大而是趋于一个稳定尺寸。4.2.1洛氏硬度原理：以一定形状的压头压入金属表面，测量压痕深度，以无量纲的深度表示材料的硬度值。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加初始试验力F0，在试样表面得一压痕，深度为h1.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，压头压入深度为h，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h包括弹性变形和塑性变形，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（h-h1）,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18。试验所用的压头有两种：种是圆锥角=120的金刚圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。25优点：（1）操作简便、迅速，硬度可直接读出；(2）压痕较小，可在工件上进行试验；(3）采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和薄厚不一的试样的硬度缺点：（1）压痕较小，代表性差；（2）若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；（3）用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。适用范围：主要用于热处理质量检测，由于洛氏硬度试验所用试验力较大，不能用来测定较薄试样、渗氮层及金属镀层等表面层的硬度。不同加热温度保温15min后热处理的洛氏硬度数值如下表4.1所示。表4.1不同加热温度保温15min后热处理的洛氏硬度数值加热温度/1234平均值75018.718.818.017.918.3584022.623.826.320.623.32593021.321.621.422.021.575实验结果分析：由以上数据可以看出，当控制其他变量不变时，加热温度为840时，45钢的洛氏硬度最好。加热温度的偏低或偏高都会影响其洛氏硬度值，其根本原因是加热温度为750时其组织中含有大量的铁素体，铁素体的强度、硬度不高，同时加热温度过低，会使晶粒大小不均匀，降低钢的结构强度；加热温度为930时其回火索氏体变得粗大，晶粒越粗大，强度、硬度越不高。加热840后不同加热温度热处理后的洛氏硬度数值如下表4.2所示。表4.2加热840后不同加热温度热处理后的洛氏硬度数值保温时间m/in1234平均值521.320.921.022.121.325261522.623.826.320.623.3254523.120.817.321.420.656017.719.116.416.417.4实验结果分析：由以上实验数据可以看出，当控制其他变量相同时，保温时间为15min时，45钢的洛氏硬度达到最高值，保温时间的改变会影响洛氏硬度值，保温时间越长，洛氏硬度值越低，试件的硬度越不好。这是因为保温5min时，奥氏体来不及出现，直接影响最后的组织中没有高强度、高硬度的回火索氏体；加热时间过长，奥氏体晶粒粗大，导致回火索氏体组织粗大，影响硬度。4.2.3拉伸实验拉伸试件的形状和尺寸取决于被试验金属产品的形状和尺寸。通过从产品、压制坯或铸件切取样坯经机加工制成样品。但具有恒定横截面的产品，例如型材、棒材、线材等，和铸造试样可以不经机加工而进行试验19。试样横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况下可以为某些其他形状。拉伸试件的试样在国家标准和国际标准中都明确规定，试样原始截面积A0和试样标距长度l0之间要保持一个特定的比例：规定其比例系数等于5.65或者11.3。对于圆柱体试件，刚好是长度为直径的5倍或10倍。如果被试验材料不能制作成这种规格，可以制作非比例试样，其延伸率值要按照国家标准进行换算（金属材料力学性能）。本实验采用标距长度为50mm，直径为10mm的短比例试件。通过拉伸试验可以得到材料的基本力学性能指标，如弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等。具体的实验步骤如下：(1)划线测量(2)将样品安装在万能拉伸试验机上，按照试验机的操作流程，对样品进行拉伸，在电脑上记录拉伸曲线，(3)设置电脑屏幕上的各种拉伸参数，将初始数据设置为0，点击开始按钮，开始拉伸试验。当拉伸量趋于平稳，将试件取下避免设备损坏。27(4)继续拉伸试样，直到试件断裂。将试样从试验机取下，观察端口形貌，看到端口周边的剪切唇。(5)测定断后试样颈缩直径，断后标距长度，试样旋转90度再测量一遍。(6)根据拉伸过程中测得的应力、位移、塑性变形的数据，按国际的数据处理方式，计算拉伸试验测得的四项拉伸强度和拉伸塑性的测试结果。不同加热温度下拉伸试验数据如下表4.3所示。由以下数据可以看出，当保持其他变量不变化时，加热温度为840时，45钢的。综合力学性能较好。加热750热处理后的组织是大量的铁素体和回火索氏体，其中铁素体具有良好的塑性和韧性，故其延伸率较大；加热840时，能得到组织均匀、晶粒大小适合的回火索氏体，它具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度，综合力学性能较好，故其性能最好；而加热930时，得到的组织晶粒较大，使其强硬度下降，塑韧性增大。表4.3不同加热温度下拉伸试验数据热处理方式伸长量/mm最小直径/mm延伸率断面收缩率屈服强度/MPa断裂强度/MPa抗拉强度/MPa75015min286.480.280.352611169871384015min216.300.210.370700198978993015min806491967756不同保温时间下拉伸试验数值如表4.4所示。28表4.4不同保温时间下拉伸试验数值热处理方式伸长量/mm最小直径/mm延伸率断面收缩率屈服强度/MPa断裂强度/MPa抗拉强度/MPa8405min24.56.280.2450.372637187273884015min216.300.210.370700198978984045min80649198776484060min158.560.150.144662977716由以上数据可以看出，当保持其他变量不变化时，保温时间为15min时，45钢的综合力学性能较好。这是因为保温5min时，热处理组织为铁素体，铁素体具有良好的塑性和韧性，故其延伸率较大；当保温15min时，能得到组织均匀、晶粒大小适合的回火索氏体，它具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度，综合力学性能较好，故其性能最好；当保温60min时，组织粗大，各项性能指标都处于较低的状态。4.3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29别很大。其中加热温度840、保温时间15min淬火+高温回火后45钢的硬度已经接近最大值。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降低，组织粗大等；同时保温时间控制15min也是比较适宜的，保温时间减少，可能会出现因加热不均匀而造成硬度不足的现象，保温时间过长，会使晶粒粗大，氧化脱碳严重，影响淬火质量。结论热处理工艺对钢铁材料微观组织和化学性能有很大影响，因此合理选择热处理工艺参数对材料性能的提高至关重要。在本次毕业设计中我们通过控制热处理变量，即加热温度和保温时间来探讨热处理工艺对45钢组织及性能的影响。经过实验结果对比分析后得到如下规律：45钢热处理过程中加热温度和保温时间的不同选择对其组织性能有很大影响，加热温度过低会影响奥氏体的均匀化，过高则会使奥氏体组30织过大，从而使45钢热处理后的组织性能产生影响。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，其控制的变量除了加热温度和保温时间以外还有冷却速度和加热速度等，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冷却速度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。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