低碳空冷贝氏体设计

1、xxx学院学生课程设计（论文）题 目： 低碳空冷贝氏体钢的设计 学生姓名： xx 学 号：xxxxxxxx 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 材料科学与工程 班 级： 指 导 教 师： 职称： 教授 2015年12月21日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目低碳空冷贝氏体钢的设计1、课程设计的目的使学生融会贯通机械设计基础、金属热处理、金属力学性能、冶金概论、金属材料成型工艺及设备、金属材料学、金属热处理设备与车间设计、科技文献检索等课程理论知识；培养学生检索科技文献的能力；培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要

2、求、工作要求等）1、10.9级螺栓的服役条件和性能要求分析。2、低碳空冷贝氏体钢的相变原理、合金化原理、热加工工艺分析。3、设计低碳空冷贝氏体钢的冶炼方法，化学成分，热加工工艺参数等。4、设计出的低碳空冷贝氏体钢应满足制作国家标准中规定的10.9F级螺栓的要求。5、按学校及材料工程学院关于课程设计的相关要求提交设计说明书。3、主要参考文献1 陆兴，刘世程，王德庆.热处理工程基础M.北京：机械工业出版社，20072 吴承建，陈国良，强文江.金属材料学M.2版.北京：冶金工业出版社，20093 唐代明，王小红，皮锦红.金属材料学M.成都：西南交通大学出版社，20144 孙智，倪宏昕，彭竹琴.现代钢

3、铁材料及其工程应用M.北京：机械工业出版社，20075 马鸣图.先进汽车用钢M.北京：化学工业出版社，20086 方鸿生，王家军，杨志刚，等.贝氏体相变M.北京：科学出版社，19994、课程设计工作进度计划第12天：布置课程设计任务，下发本任务书，零件的服役条件和性能要求分析。第34天：低碳空冷贝氏体钢设计路线的分析、选择。第57天：低碳空冷贝氏体钢的冶炼方法，化学成分，热加工工艺参数的设计，提交设计说明书的提纲或初稿。第810天：修改、完善设计说明书，并提交。指导教师（签字）日期201 年 月 日教研室意见：201 年 月 日学生（签字）： 接受任务时间：201 年 月 日注：任务书由指导教

4、师填写。课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称低碳空冷贝氏体钢的设计评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实

5、验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有

6、改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日1 引言空冷贝氏体钢属于非调质钢中的一类。在生产中可将热加工成型工序与热淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不仅节约了能源，简化了工艺，提高了生产效率，而且可以避免由于淬火引起的变形、开裂及氧化、脱碳等热处理缺陷。空冷贝氏体钢具有良好的综合力学性能，不仅提高了产品的质量，而且延长了产品的使用寿命，应用前景非常广阔。本研究在于探索一种新型的具有较好强韧性的低碳空冷贝氏体钢。低碳贝氏体钢是一类高强度、高韧度、多用途的新型钢种，社会的需要、高韧钢生产及使用成本的降低以及能确保满足焊接等工艺要求是发展低碳贝氏体钢的主要动力。近20年来

7、，世界各国对ULCB钢已开展了大量的有关成分-工艺-组织-性能的研究工作，取得了许多实质性的进展。国内近年来已开发超低碳贝氏体钢DB系列，现已成功地应用于工程机械等领域。本设计研究的目的是在实验室开发研制屈服强度大于600MPa、以贝氏体加少量铁素体为基体组织的耐沿海大气腐蚀超细复合组织钢，并通过实验研究掌握该钢的成分-工艺-组织-性能之间的关系，为进一步工业性试生产提供依据。2 10.9级螺栓的服役条件和性能要求分析螺栓直接传递交变荷载引起的交变内力，其质量的优劣直接涉及人民生命财产安全;螺栓的高强度化有利于机械结构的小型化和紧凑化。随着现代建筑业、大跨度桥梁、重型钢结构建筑、电力等行业的发

8、展，对10.9级高强度螺栓钢的需求量越来越多，开发10.9级高强度螺栓钢具有很大的使用价值和广阔的应用前景。因10.9级螺栓主要用在大型机械、设备、建筑工程上，功率、转速较高，工作条件恶劣，工作应力较高。因此，要求10.9级螺栓具有高强度、以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损;有较高的塑性和韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中等表面质量问题的敏感性;在潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求具有足够低的延迟断裂敏感性;对承受交变载荷和冲击载荷的螺栓，要求有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力，以抵抗疲劳、多冲断裂;对在严寒地区工作的螺栓，还要求具有低的韧脆转化温度。3 低碳空冷贝氏体钢的热处理设计3.1 低

9、碳空冷贝氏体钢的相变原理贝氏体分上贝氏体和下贝氏体。粒状贝氏体和准贝氏体为贝氏体转变的初级阶段；粒状组织不属于贝氏体。各类组织均有自己的C曲线。贝氏体转变是通过形核与长大进行的；转变时铁素体是领先相；转变过程中有碳原子的扩散，转变的驱动力是新旧两相之间的体积自由能差。一般认为，与马氏体转变类似，贝氏体转变时点阵的改组也是通过工格切变方式进行的。相变驱动力即体积自由能差必修能够补偿便面能，弹性应变能以及缺陷能等能量消耗的总和，相变才能发生。3.2 低碳空冷贝氏体钢的合金化原理氏体钢的合金化实质上主要考虑对贝氏体钢的奥氏体等温转变C曲线的影响上。合金化，即选择一定的含碳量及合金元素的种类和数量。3

10、.2.1 碳量的选择加入碳同加入其它合金元素一样，能使贝氏体相变温度降低，这样可提高贝氏体组织的强度。尽管碳是提高硬度和强度最有效的元素，但考虑到可焊性及韧性，碳量应小于0.2%;加入碳，其单位元素引起的Bs降低值与Ms降低之比值并不高，仅0.57，因此，碳使Bs降低的同时，Ms降低并不多，这样材料的应力增大，组织中微观缺陷增多，性能下降;含碳量提高，尽管使Bs下降有好的一面，却使Bs区右移并使珠光体转变区左移，这样，使材料获得贝氏体的工艺性能变差，即贝氏体淬透性变小，造成一般高碳贝氏体钢往往不纯贝氏体组织而混合组织;含碳量提高，残余奥氏体量增多，对回火处理应用的材料，会由于残余奥氏体向淬火马

11、氏体转变过程而增加转变应力，同时由于这类残余奥氏体区域碳含量高，在冷却过程中形成塑性较差的薄片状渗碳体，易成为解理断裂的裂纹源，造成回火脆性。目前的研究实验工作发现，低碳贝氏体钢倾向于形成粒状组织，而中碳易形成针状组织，高碳以混合组织居多。综上所述，对韧性、可焊性要求高时，则应用低碳贝氏体钢;而对韧性及可焊性要求不高时，可应用高碳贝氏体钢。3.2.2 合金元素的选择从奥氏体等温转变C曲线角度主要考虑添加单位重量元素对Bs下降值与Ms下降值之比值，此比值越大越有利。其中，Mn、Cr、Ni、Mo、C诸元素，其比值分别为:2.72、4.11、2.18、3.19及0.57。因此，Mn、Cr、Ni、Mo

12、是十分有利的贝氏体钢合金元素，贝氏体钢合金化的研究和应用主要是以这些元素的添加为发展线索。锰并无将奥氏体等温转变C曲线中铁素体珠光体转变线与贝氏体转变线分离的作用。锰的加入，易产生显微成分偏析，形成粒状贝氏体类组织，另外，锰增加奥氏体稳定性。钼及硼是将奥氏体等温转变C曲线中铁素体珠光体转变线与贝氏体转变线分离开的最有效的两个合金元素，图1显示出硼的这种影响。另外，即使在400/s的极高冷速下，加入的钼并不促进奥氏体的稳定化，也不诱使大量马氏体生成。钼及硼的好处在于分离铁素体和贝氏体C曲线的同时，并不推迟贝氏体相变，而大大地推迟多边形铁素体的转变。钼的加入还能降低贝氏体转变温度，提高贝氏体强度。

13、硅的作用如同钼，硅亦是延迟珠光体转变的有效元素，硅虽使等温转变曲线上多边形铁素体转变温度升高，但却使奥氏体等温转变C曲线的鼻子向右推移，因而提高了贝氏体(马氏体)的淬透性，在一定含量范围内，增加了钢的韧性。图1 硼对低碳钼钢等温转变图影响的示意图铬的作用如同钼，但有两重性:铬既能大大地增加贝氏体的淬透性，又促使亚稳奥氏体区域的形成。铬的加入不仅促进贝氏体转变，且使贝氏体形状变为以针状为主，并且由于铬的加入形成更细小的贝氏体铁素体组织而提高了钢的屈服强度、抗张强度和屈强比。镍的作用同锰一样，镍是奥氏体稳定元素，主要用来提高韧性.当镍同铬一起添加时，更促进贝氏体转变，并使材料的微观结构主要呈现为贝

14、氏体组织。3.3 低碳空冷贝氏体钢的热加工工艺分析低碳贝氏体钢DB590的CCT曲线(图l)表明，冷却速率为2/s时开始形成贝氏体铁素体组织，10/s时形成大量的贝氏体组织，铁素体组织减少。同时，由于加人了硼元素，贝氏体开始转变点BS降低，且BS在相当大的冷却速率范围内基本不随冷却速率的变化而变化，维持在600左右，这样可以保证在较大的板厚范围内维持组织的均匀性，保证中厚钢板在随后的冷却过程中得到基本相似的贝氏体组织。贝氏体终了转变温度Bf约为510，BS50约为550。试验钢种的相变点Ac3、Ac1，分别为895、835。图2 低碳贝氏体钢DB590 CCT曲线4 低碳空冷贝氏体钢的开发方案

15、4.1 工艺路线为保证低碳贝氏体钢材的良好的表面质量、综合力学性能，确定工艺路线为:60t转炉冶炼60tLF炉精炼连铸机(150mm150mm) 连轧线轧制。4.2 学成分设计参考高强度螺栓性能要求，采取如下化学成分设计思路，确定低碳贝氏体钢化学成分。碳:尽可能降低碳含量以改善钢的冷变形性能，C的目标值定为0.33%。硼:硼的作用是弥补因降碳引起的淬透性和强度损失，B的目标值定为0.0025%。为保证钢中的有效硼，在加硼铁前先加入适量的铝进行脱氧，再加钛固定氮，保证低碳贝氏体钢具有较好的淬透性。铬:加入一定含量的铬，以提高钢的强度和淬透性，Cr的目标值定为0.15%。磷、硫:降低磷、硫的含量可

16、改善钢的冷镦性能和耐延迟断裂性能，磷、硫含量分别内控P0.020%、S0.015%。钒:钢中微量的V可细化晶粒、改善钢的塑性和回火稳定性、减少淬火开裂等倾向，但V高将增加合金成本，V的目标值定为0.08%。4.3 非金属夹杂物控制由于非金属夹杂物对材料的塑性、韧性和疲劳性能有不利影响，对低碳贝氏体钢非金属夹杂物控制，重点采取如下技术措施:(1)转炉高拉碳，控制出钢下渣量。(2)出钢过程采用钢芯铝预脱氧，并加入石灰、萤石和多功能调渣剂渣洗，为LF炉工序精炼创造条件。(3)LF工序采用碳化硅扩散脱氧，造高碱度渣精炼，保白渣精炼时间和软吹氩时间，促进钢中非金属夹杂物的上浮。(4)连铸采用全程保护浇注

17、技术，结晶器液面自动控制，液面波动控制在5mm以内。4.4 表面质量控制(1)采用中碳方坯保护渣、低过热度浇注和结晶器电磁搅拌技术生产表面无缺陷的连铸坯。(2)针对低碳贝氏体表面要求严格的情况，连铸坯入炉前加强表面检查。(3)钢坯出炉后采用高压水除鳞，清除钢坯表面的氧化铁皮;轧槽、导卫等工装加强检查，防止钢材存在折叠、划伤、结疤等缺陷造成锻打开裂。(4)为避免脱碳严重，减少用户冷拔后的修磨量，铸坯加热工艺为:预热段温度850，加热段温度9901140，均热段温度10701180，生产中加热时间控制在11.4h。5 结语(1)低碳贝氏体实验钢的强度级别较高，屈服强度平均值为为940MPa，抗拉强度平均值为864MPa;但是伸长率和冲击功指标较低，伸长率平均值为17%。(2)低碳贝氏体钢的形态主要可分为粒状贝氏休和板条贝氏体，钢板的轧态组织主要由粒状贝氏体、板条贝氏体及部分准多边形铁素体组成;粒状贝氏体和板条贝氏体单从金相组织上有时难以区分，借助扫描组织分析才能清楚确定。(3)粒状贝氏体和板条贝氏体只有在两个极端的温度下才有明显的差异，而处于中间过渡温度时很难截然分开，因此从工程检验的实际出发，不必区分两类贝氏体。参 考 文 献1张先鸣.高强度螺栓热处理工艺改进J.机械工人(热处理)，2002，(2):2426.2