毕业论文设计45钢热处理工艺及组织性能研究

毕业论文设计45钢热处理工艺及组织性能研究内容摘要：

本章主要从 45钢的研究现状和本次实验的目的、意义等方面进行基本的介绍。 研究现状主要从 45钢的成分、性能、当前的热处理及国内外研究进展进行说明，而实验目的和意义则引出了本次实验的进行。 本次实验主要从热处理工艺方面入手，对热处理工艺进行改进，控制变量，进行对比分析，得出有用的、具有实用价值的结论。 太原工业学院毕业设计 5 2 实验过程 影响 45钢力学性能的最主要的因素为 45钢的组织，故组织分析具有重要的研究意义。 45钢组织随着热处理方式的不同有较大的差异，对其性能也就产生较大的差异。 近年来，即使热处理工艺有了长足的进步，但仍需不断的研究探索，不断更新，必将在不久的未来产生新的研究成果。 本次实 验主要通过热处理过程中的两大因素：保温时间和冷却方式进行对比分析实验。 本次试验研究方案的制定 本次实验拟采用三种类型的试样：圆柱形试样（ 5个）、带切口的标准冲击试样（ 5个）、标准拉伸试样（ 5个），然后将每种试样分为一组，根据不同工艺分为 ABCDE 五组。 其中圆柱形试样是用来制备金相试样和硬度测定，带切口的冲击试样用来测定冲击功，标准拉伸试样用来测定拉伸性能。 现拟热处理工艺方案如下表。 表 热处理实验工艺方案 名 称 工 艺 A 组 不做热处理（对照组） B 组 正火： 840℃ 保温 20min 空冷 C 组 淬火： 840℃ 保温 20min 水淬 回火： 600℃ 保温 25min 空冷 D 组 淬火： 840℃ 保温 20min 油淬 回火： 600℃ 保温 25min 空冷 E 组 淬火： 840℃ 保温 0min 水淬 回火： 600℃ 保温 25min 空冷 实验设备 本次热处理实验采用型号为 SX512B 的电阻炉。 如下图。 太原工业学院毕业设计 6 图 型号为 SX512B 的电阻炉 本次实验涉及的热处理工艺 45钢的退火 退火是将钢加热至临界点 Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺 [13]。 在机械制造行业，退火常作为工件制造过程中的预备热处理工序。 其主要目的是： （ 1）均匀钢的化学成分及组织结构。 （ 2）细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化。 （ 3）为淬火做好组织准备。 45钢的正火 正火是将钢加热到 Ac3(或 Accm)以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺 [13]。 正火的主要应用范围： （ 1）作为低碳钢和某些低合金钢、锻件的预备热处理 以消除应力、细化晶粒、改善切削加工性能和淬火前的准备。 太原工业学院毕业设计 7 （ 2）消除过共析钢的网状碳化物，以便于球化退火。 （ 3）消除中碳结构钢铸件、锻、轧件以及焊接件在热加工过程中较易出现魏氏组织、粗大晶粒、带状组织等缺陷。 （ 4）作为某些结构件的最终热处理。 45钢的调质 习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称之为调质处理 [13]。 经过调质处理后，钢具有了优良的综合力学性能以满足如发动机曲轴、连杆、汽车半轴、机床主轴及齿轮等机器零件在使用过程中要求具有较高的强度以及承受较强的冲击和交变负荷的作 用。 淬火是将钢加热至临界点 Ac3或 Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到的马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺 [13]。 淬火虽然能够显著提高钢的强度以及硬度，但是在淬火钢中残留有内应力。 这就需要配以不同的回火以满足不同强度、硬度和韧性的性能需求。 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，并以适当的冷却方式冷却到室温的工艺过程 [13]。 其主要目的是调整工件的强度、硬度、塑性、韧性和红硬性等以满足各种用途工件的性能要求。 回火根据工件不同的性能要求可分为：低温回火、中温回火和 高温回火。 其中： 低温回火：将淬火件加热到 150~250℃ ，稳定组织，得到的组织主要为具有高的硬度和耐磨性的回火马氏体。 中温回火：将淬火件加热到 350~500℃ ，稳定组织，得到的组织主要为具有良好的塑韧性、较高的强硬度和高的弹性极限的回火托氏体。 高温回火：将淬火件加热到 500~650℃ ，稳定组织，得到的组织主要为具有良好的综合力学性能的回火索氏体。 因此， 45钢作为结构钢一般需要调质处理即淬火 +高温回火。 金相试样的制备 研究金属内部组织最重要的方法为显微分析。 在百年来金相学的发展历 史中，大部分的研究工作是借助于光学显微镜完成的。 太原工业学院毕业设计 8 用光学显微镜观察和分析金属内部组织形貌，一般需要经过三个阶段： （ 1） 制备所截取试样的表面。 （ 2） 显示表面的组织需要采用适当的腐蚀操作。 （ 3） 需要用显微镜观察和分析试样表面的组织形貌。 实验设备 本次实验需要使用的设备有抛光机、金相显微镜、吹风机等。 实验材料 本次实验需要使用的材料有热处理后的各组 φ1515的圆柱形试样（ 5个）、砂纸（粗细）、 4%的硝酸酒精溶液和棉球等。 实验步骤 取样 —— 粗磨 —— 细磨 —— 抛光 —— 侵蚀是金相试样的制备过程的五个步骤。 本次金相试样制备采用如下步骤： （ 1）取样：选择圆柱形试样的底面部分作为取样部位。 （ 2）粗磨：采用 400、 600的砂纸进行打磨，直到出现光亮为止。 （ 3）细磨：采用 800、 1000的砂纸进行打磨，直到出现可映出清晰的人像即可。 （ 4）抛光：采用 Al2O3磨料加水配成的悬浮液倒在抛光机上进行机械抛光。 （ 5）侵蚀：采用 4%的硝酸酒精溶液作为腐蚀液进行腐蚀数秒至一分钟。 最后，在金相显微镜下观察组织形貌检验金相试样是否合格。 本章 小结 本章是对本次毕业设计内容的宏观概述，主要介绍了本次实验中 45钢热处理工艺方案的制定以及实验中涉及到的热处理工艺并给予简介，进一步对热处理工艺有更深层次的理解。 另外，本章还介绍了对热处理后金相试样的制备过程，太原工业学院毕业设计 9 这对于不同试样热处理后组织形貌的观察以及热处理后工件的力学性能分析有着很重要的意义。 太原工业学院毕业设计 10 3 实验结果与分析 45钢热处理前后试样的组织观察和分析 45钢是重要的结构材料，在实际生活中应用广泛。 因此，其力学性能对新时代工业的发展有重大的意义。 所以，其力学性能的提升对未来工业发展将 产生重大影响。 然而，影响其力学性能的最主要的因素是 45钢的组织，故具有重要的研究意义。 通过观察其组织结构和成分，可以更加有依据的分析其与力学性能之间的关系，为最后结论提供微观理论依据。 实验设备 不同试样组织的观察需要使用的实验设备有：型号为 XJP6A 的金相显微镜和数码照相机等。 如图。 图 型号为 XJP6A 的金相显微镜和数码照相机 实验材料 为了便于观察，金相组织的观察采 用各组 φ1515的圆柱形试样（ 5个）处理后的金相试样。 太原工业学院毕业设计 11 实验结果 我们知道随着热处理工艺方案的改变，工件的组织成分有很大的差异，我们将对其产生的差异进行具体研究并分析原因。 大多数热处理都需将工件加热至临界点之上，使其转变为奥氏体，即奥氏体化，然后再根据不同的冷却方式转变为所需的组织。 钢加热形成的奥氏体组织形态对热处理后组织性能有很大的影响。 因此，加热转变是钢件进行不同热处理的基础 [14]。 珠光体是钢铁材料热处理过程中的另一个重要组织。 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，属于扩散性 转变 [15]。 钢材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 [16]。 另外，研究钢热处理后组织将参照按组织分区的铁碳合金相图 [12]，如图。 图 按组织分区的铁碳合金相图 （ 1）本次实验 A 组试样可视为退火态，制备的金相试样通过金相显微镜观太原工业学院毕业设计 12 察，放大 500倍的室温金相组织形貌如下图。 图 未作处理的金相组织形貌 在图 ，其组织为先共析铁素体和珠光体，其中 60%左右黑色组织为珠光体、 40%左右白色为铁素体。 珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁 素体和渗碳体的共析体，其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体，用符号 P 表示，含碳量为ω c=%[17]。 铁素体表现为软韧性，渗碳体表现为硬脆性，而珠光体则是由铁素体和渗碳体组成，故珠光体的强韧性较好。 另外，白色条状铁素体沿着晶界析出并呈网状分布，铁素体强度、硬度不高，但塑韧性较好。 （ 2）本次实验 B 组试样可作为正火态，制备的金相试样通过金相显微镜观察，放大 500倍的室温金相组织形貌如下图。 太原工业学院毕业设计 13 图 840℃正火处理的金相组织形貌 在图 ，组织 为先共析铁素体和珠光体，但相比于图 ，该组织中铁素体和珠光体都细而均匀 [18][19]，故该组织具有比图 、硬度和塑韧性。 （ 3）本次实验 CDE 组试样均可作为调试处理，其中 C 组淬火时采用水淬，D 组淬火时采用油淬，而 E 组则采用新工艺 [20]在淬火时保温时间为 0min。 CDE组制备的金相试样通过金相显微镜观察，放大 500倍的室温金相组织形貌分别见图 、图。 图 840℃水淬 +600℃回火处理的金相组织形貌 太原工业学院毕业设计 14 图 840℃油淬 +600℃回火处理的金相 组织形貌 图 840℃水淬零保温 +600℃回火处理的金相组织形貌 水淬调质：在图 ，外围组织为细而均匀的保持马氏体位向分布的回火索氏体，而内部则出现除了回火索氏体以外还呈有网状分布的白色铁素体组织，其原因有可能的因为加热不足导致马氏体组织中残留有块状的铁素体或者是因为冷却过程不足而在马氏体晶界周围形成网状。