毕 业 论 文 - 图文

毕 业 论 文

题 目: 45钢晶粒超细化工艺研究 学院(直属系): 中 央 广 播 电 视 大 学 年级、 专业: 2010年春 机 制 （本） 学 生 姓 名: 叶 林 伟 学 号: 1051001201076

指 导 教 师: 杨 林 建 完 成 时 间: 2012年3月8日

45钢晶粒超细化工艺研究

2010年春机制本科

学生： 叶林伟 指导教师： 杨林建

摘 要

对45钢采用不同循环淬火工艺进行晶粒超细化处理，并结合不同淬火温度、保温时间和淬火循环次数对处理过程中奥氏体晶粒尺寸的影响，分析得出了45钢晶粒细化的最佳工艺方案。试验结果表明，在普通空气电阻炉中采用循环快速加热工艺细化45钢晶粒的最佳热处理参数是：890℃加热，保温16min，水淬4次，可使奥氏体晶粒细化至 13级。在淬火温度一定时，随着加热时间的增加，45钢马氏体板条变的细小；保温时间一定时，随着淬火温度的提高，其硬度随着提高，45钢淬火后的硬度提高到43～52HRC之间。

关键词： 晶粒细化 循环淬火 45钢 显微组织

Abstracts

The grains in 45 steel were superfined by using different cycle quenching processes, and the

influence of the different quenching temperature, the quenching soaking time and the quenching cycle index on austenite grain size were studied. The results of experiment indicated

that in common air resistance furnace, by the quick heating cyclic quenching technology, the best 45steel’s grain refining parameters of heat treatment are holding at 890℃,soaking for 16 minutes and quenching in water 4 times, and that austenite

grains of the steel were refined to grade 12. When the hardening temperature was determinate, the martensite structure's plank became shorter and thinner along with the time growth; When soaking time was determinate, steel degree of hardness got an exaltation with the temperature ascension, The steel’s degree of hardness after quenching treatment can be increased to

43～52HRC .

Keywords: grain refinement cyclic quenching treatment 45steel microstructure

目 录

第1章 绪论????????????????????????????3 1.1 引言????????????????????????????3 1.2 钢的强韧化机制及组织性能??????????????????3 1.3 细化晶粒的工艺方法????????????????????5

1.3.1细化晶粒的工艺方法??????????????????????5 1.3.2晶粒细化的目的???????????????????????7

1.4 45钢的传统热工艺及用途???????????????????8 1.5 热处理晶粒超细化的研究现状和本文的研究意义?????????9 第2章 实验原理?????????????????????????10 2.1 实验原理??????????????????????????10

2.1.1钢的加热奥氏体化转变??????????????????????10 2.1.2钢的淬火马氏体转变?????????????????????????11 2.1.3快速循环淬火细化晶粒的原理?????????????????????11

2.2 实验工艺方案的确定?????????????????????12

2.2.1实验材料、设备及预备热处理方案的确定????????????????12 2.2.2淬火加热温度的确定?????????????????????????12 2.2.3淬火加热保温时间的确定???????????????????????13 2.2.4淬火循环次数的确定?????????????????????????13 2.2.5 45钢循环淬火工艺的总体方案????????????????????14 2.2.6用正交法分析工艺过程???????????????????????14

2.3 晶粒度和硬度的测定?????????????????????17 第3章 试验结果和分析讨论????????????????????19 3.1实验结果???????????????????????????19

3.1.1测定晶粒度时的金相组织???????????????????????19 3.1.2循环淬火后显微金相组织???????????????????????24

3.2分析讨论???????????????????????????25

2.2.1晶粒度测试结果的正交分析?????????????????????25 3.2.2金相显微组织分析??????????????????????????28 3.2.3淬火工艺参数对45钢组织和性能的影响????????????????28 3.2.4奥氏体晶粒大小和室温下组织大小的关系????????????????32

第4章 结论???????????????????????????34 第5章 总结与体会 ????????????????????????35 5.1总结 ????????????????????????????35 5.2 体会 ????????????????????????????35 致谢词 ?????????????????????????????36 参考文献 ?????????????????????????????37

第1章 绪 论

1.1.

引言

多年来人们为提高钢铁材料的使用性能开展了广泛的研究工作, 长期的研

究和生产实践表明, 只有材料组织的细化处理是同时提高材料强度和韧性最为有效途径。细晶强化的特点是：在提高强度的同时，还能提高韧性或保持韧性和塑性基本不下降。而其他强化手段，都是在强度提高的同时韧性下降，因此只有细晶强化才能保证高强度钢的使用安全性。20世纪50年代，Hall-Petch提出σ

s

=σ0+Kd-1/2的晶粒尺寸和屈服强度关系以后，Petch又进一步发现冷脆转变温度

Tc与晶粒尺寸d有Tc=A-Blnd-1/2关系，说明细晶钢能改善并提高钢材低温脆断能力。因此，细化晶粒已成为非常重要的强韧化手段，通过细化奥氏体晶粒可以细化马氏体束尺寸，从而提高钢的强度和韧性，还可以改善钢的耐延迟断裂性能和抗疲劳性能；随着超细晶粒或超细组织的形成，可以把屈服强度大幅度提高，这是固溶强化、弥散强化及形变强化等手段不可比拟的。所以，细晶技术应当是研究提高材料强韧性的首选途径。 1.2.

钢的强韧化机制及组织性能

1.2.1 钢的强韧化机制

钢的强韧化技术可分为强化与韧化两个方面[1]。钢的强化是指使金属强度（主要是屈服强度）增大的过程。金属的强度一般指金属材料对塑性变形的抗力，发生塑性变形所需要的应力越高，强度也就越高。钢的强化技术主要有：

一、固溶强化

固溶强化的出发点是以C或合金元素作为溶质原子阻碍位错运动。其强化机制为：由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运

这是因为若加热温度低于AC3，组织中将保留一部分铁素体，使马氏体的转变量减少；而加热温度过高，又易使奥氏体晶粒粗化。本实验为了研究不同加热温度对奥氏体晶粒大小的影响。选择了正常淬火温度里的低、中、高三个温度。45钢的AC3温度为775℃，最终确定的三个加热淬火温度为805℃、815℃和825℃。 2.2.3 淬火加热保温时间的确定

淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温回升到淬火温度时计算，直到出炉并使之在该温度下完成组织转变和奥氏体成分均匀所需要的时间。保温时间包括工件透热时间和组织转变所需的时间。

计算加热时间一般由工件“有效厚度”乘以加热系数，即： τ=αKD[4]

式中， τ——保温时间，min;

α——为保温时间系数，min/mm; K——为工件装炉方式修正系数； D ——为工件有效厚度。

根据资料[5]、[8]，对于空气电阻炉取α=1；试样平放在炉低，没有重叠和相互接触且装炉量很小，对碳素钢取K=1.5~1.8min/mm；对于圆柱型45钢棒，其有效厚度就是其直径。因此D=18。在保证热透的前提下，为了研究保温时间对奥氏体化时奥氏体晶粒尺寸的影响，最终确定为两个保温时间：22min和24min。 2.2.4淬火循环次数的确定

淬透性是钢材的一种固有属性，它取决于钢的淬火临界冷速的大小。通常碳素低碳结构钢采用水淬，低碳合金钢一般添加了增大淬透性的合金元素，淬火时为了防止淬火缺陷的产生，可以选择冷却能力较小的油淬。对于45钢来说，资料[5]、[8]推荐为水淬。这也是最为方便和廉价的淬火介质。

循环淬火使钢经过α→γ→α

[6]

多次相变重结晶可使晶粒不断细化，每一次

奥氏体化晶粒就被细化一次。根据资料[3]、[4]循环次数为3～5次晶粒细化的效果最佳。所以本实验所选取的淬火循环次数为分别为3、4、5次。 2.2.5 45钢循环淬火工艺的总体方案

根据以上分析，本实验确定的循环淬火工艺参数为：淬火温度：805℃，815℃，

825℃；保温时间：22min,24 min；淬火次数（介质为水）：3、4、5次。由于预处理后留下一个试样作为淬火前的原始组织，所以本实验一共需要45钢试样19个。

下表列出了所有试样的热处理参数。

编号 淬火加热温度/℃ 淬火次数 保温时间/min 淬火介质 编号 淬火加热温度/℃ 淬火次数 保温时间/min 淬火介质 3 4 13 14 15 16 17 18 19 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 805 815 5 3 4 5 3 4 5 3 4 5 22 24 22 24 水 825 825℃正火 5 3 4 5 30min 空冷 22 24 水

表2.2实验的热处理工艺参数

2.2.6 用正交法分析工艺过程

人们在长期的时间中发现，对于试验的因数太多时，不必进行全面的实验也能够得到理想的结果，正交试验设计[8]就是解决这种问题的有效方法。它的原则是在不影响试验效果的前提下，尽可能的减少试验的次数。正交设计就是解决这

个问题的有效方法。利用正交表设计试验的步骤如下：

（1）明确试验目的，确定要考核的试验指标。

（2）根据试验目的，确定要考察的因素和各因素的水平；要通过对实际问题的具体分析选出主要因素，略去次要的因素，这样可以使因素个数减少。如果对问题不太了解，因素个数可以适当的多取一些，经过对试验结果的初步分析，再选出主要因素。因素被确定以以后再确定各因素的水平数。

（3）选用合适的正交表安排试验计划，首先根据因素的水平选择相应水平的正交表。

（4）根据安排的计划进行试验，测定各试验指标。对试验结果进行计算分析。得出合理的结论。

正交试验设计是应用正交表来安排实验的方法。一般的正交表计为Ln(mk),n 是表的行数，也就是安排实验的次数；k是表的列数，表示因数的个数；m是各个因数的水平数，即一个因数的取值个数。根据要求，此次试验归纳为三因数三水平的正交表设计，在此只对实验结果中晶粒细化比较明显的试样进行分析。我们把被次实验考察的因数及水平列成表2.3如下所示。

因素 水平 1 2 3 A1=805℃ A2=815℃ A3=825℃ B1=3 B2=4 B3=5 C1=22min C2=24min ________ A 淬火加热温度 B 淬火循环次数 C 保温时间 表2.3 各因数及其水平

其中存在一个问题，由于因素C是2水平的，因数A和B是3水平的。在这种情况下没有适合的混合水平正交表，因此我们采用正交试验设计中的拟水平法。首先假设因素C是3水平的，那么这个问题就变成了3因素3水平的问题了，可以选正交表L9（33）的格式来安排试验。但实际上因数C是2水平的，不能随便安排第3个水平。这样就需要从因素C的第1、第2两个水平中选择一

个较好的水平，一般认为保温时间越长，奥氏体晶粒细化效果最好[4]，这样的因数水平表就变为表2.4的形式，那么就可以按L9（33）的正交表来安排实验（参见表2.5）。

因素 水平 1 2 3 A1=805℃ A2=815℃ A3=825℃ B1=3 B2=4 B3=5 C1=22min C2=24min C3=24min A 淬火加热温度 B 淬火循环次数 C 保温时间 表2.4 正交拟水平法的因素水平表

因素 试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 A 1 (805℃) 1 (805℃) 1 (805℃) 2 (815℃) 2 (815℃) 2 (815℃) 3 (825℃) 3 (825℃) 3 (825℃) 2 B 1（3） 2（4） 3（5） 1（3） 2（4） 3（5） 1（3） 2（4） 3（5） 1 2 3 2 3 1 3 1 2 3 C 1 (22min) 2 (24min) 2 (24min) 2 (24min) 2 (24min) 1 (22min) 2 (24min) 1 (22min) 2 (24min) 表2.5 45钢的细化晶粒方案正交表

在表2-5中我们可以看出该正交表具有以下的性质[9]：

（1）不同数字在每列出现的次数的相等的。上面可以看出每列中不同的数字是1，2，3，他们各出现3次。

（2）在任意两列中，将同一行的两个数字看成有序数对时，每种数对出现的次数是相等的。上面可以看出有序数对共有（1，1），（1，2），（1，3），（2，1），（2，2），（2，3），（3，1），（3，2），（3，3），它们各出现一次。

本次实验设计方案为18中（3个温度、3个循环次数和2个保温时间），但是按正交法设计出来为9种，还有9种方案没有出现。有可能出现这种情况，我们通过实验结果得出的最佳工艺可能没在这9中方案中出现，所以本实验按照18种方案进行。 2.3.

晶粒度和硬度的测定

晶粒度是晶粒大小的度量。晶粒度的测定方法最早是由美国实验及材料学会

（ASTM）制定并逐步完善的，各国及国际标准化组织也先后制定了各自的标准，但都与（ASTM）相同。我国在1998年实施了GB6394—86《金属平均晶粒度测定法》。GB6394—86中规定，对于显微晶粒[1]、[12]

n?2G?1

式中 n——放大100倍时645.16mm2（即一平方英寸）面积内包含的晶粒数；

G——晶粒度级别指数（通常习惯称晶粒度级别或晶粒度号数）。 若采用公制进行测量经过换算整理后，上式变为 G=-2.9542+3.3219lgna

式中na——放大1倍时，1mm2面积内包含的晶粒数。

为了便于生产中的检验工作，GB6394—86备有标准评级图，将显微镜下看到的晶粒组织或拍摄的照片与标准评级图对比来评定晶粒度，这种方法简便易行，在生产中或在不需要精确测定晶粒大小的时候广为采用。

n或na的测定比较费时，目前已逐渐采用测定晶粒平均截距l来确定晶粒度级别。截距是指测量线穿过晶粒的线段。如果N是长度为L的测量线截交晶粒的平均数，则截距的平均值可由下式求出

l=N/L

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