45钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能研究 - 图文

编号

本科生毕业论文

45钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能研究

Effects of Friction Heat Treatment on Microstructure and

Mechanical Properties of Steel 45

学 生 姓名

专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 指 导 教师 学 院

机电工程学院

二〇一一年六月

毕业设计（论文）原创承诺书

1．本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）《45钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能研究》，是认真学习理解学校的《本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。

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以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

作 者 签 名：? 年?? 月??日

摘 要

摩擦热处理就是摩擦生热，具体用于能量转换，例如，机械能转化为内能，内能表现为发热，这就是摩擦热处理。

本文以45钢为研究对象，采用端面干摩擦的方式进行摩擦热处理试验。利用数显洛氏硬度计HRS-150测定试样的硬度；利用扫描电子显微镜拍摄试样的金像组织进行热处理分析。

试验发现：摩擦热处理后的表面硬度达到淬火硬度；试样表面存在一定的摩擦热处理区；摩擦热处理区内的显微组织中含有大量的、均匀分布的马氏体。

实验结论：摩擦淬火工艺完全可以实现。

关键词：45钢 摩擦热处理 力学性能

I

Abstract

Friction is the friction and heat treatment, specifically for energy conversion, for example, mechanical energy into internal energy, internal energy manifested as heat, which is the friction heat.

In this paper, 45 steel as the research object, the way end dry friction the friction heat treatment. Using digital rockwell hardness tester HRS-150 determination of the hardness of the sample; by scanning electron microscope image of gold film sample of tissue for treatment.

Test found: the friction surface hardness after heat treatment quenching hardness; the sample surface there is a certain friction heat treatment zone; friction and heat treatment the microstructure of the region contains a large number, uniform distribution of martensite.

Experimental results: the friction hardening process can achieve. Key words: Steel 45 ；Frictional heat ；Mechanical properties

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目 录

摘 要 ....................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................... II 第一章 绪论 .............................................................................................. 1 1.1热处理的概述 ................................................................................ 1 1.1.1热处理的定义 ....................................................................... 1 1.1.3应用现状和发展前景 ........................................................... 1 1.2 45钢的简介 ................................................................................ 2 1.2.1 45钢的介绍 ............................................................................. 2 1.2.2 45钢的处理方法 ............................................................... 2 1.2.3 45钢的主要用途 ............................................................. 3 1.3摩擦热处理方法的提出 ................................................................ 3 1.3.1摩擦热处理的概述 ............................................................... 3 1.3.2摩擦热处理探究过程 ........................................................... 3 1.3.3摩擦热处理的特点 ............................................................... 4 1.4国内外现状简介 ............................................................................ 5 1.5论文开展的研究工作 .................................................................... 6 第二章 摩擦热处理分析 ........................................................................ 8 2.1传热学的定义 ................................................................................ 8 2.1.2导热基本定律——傅立叶定律 ........................................... 8 2.1.3温度场和导热系数 ............................................................... 9 2.2摩擦温度场..................................................................................... 9 2.2.1导热微分方程 ..................................................................... 10 2.2.3摩擦温度场边界条件 ......................................................... 10 2.3摩擦热处理温度场模型 .............................................................. 12 2.3.1数学模型的建立 ................................................................. 12 2.3.2物理模型的建立 ................................................................. 13 2.4本章小结....................................................................................... 14 第三章 摩擦热处理工艺试验 ................................................................ 15 3.1试验前的工作准备 ...................................................................... 15 3.1.1机床的选择 ......................................................................... 15 3.1.2摩擦副的选择 ..................................................................... 16 3.1.3试样的选择与制备 ............................................................. 17 3.2摩擦热处理试验 .......................................................................... 18 3.2.1试验方案的制定 ................................................................. 18 3.2.2摩擦热处理试验过程 ......................................................... 19 3.3本章小结....................................................................................... 22

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第四章 试样硬度和金相组织分析 ........................................................ 23

4.1.1取样...................................................................................... 23 4.1.2制样的镶嵌和磨样 ............................................................. 23 4.1.3硬度测量 ............................................................................. 24 4.2试样组织分析 .............................................................................. 26 4.2.1试验电子显微镜 ................................................................. 26 4.2.2 45钢金相组织分析 ............................................................ 27 4.3 本章小结...................................................................................... 31 第五章 总结与展望 ................................................................................ 32 5.1总结 ............................................................................................... 32 5.2展望 ............................................................................................... 32 参考文献................................................................................................... 34 致谢 ........................................................................................................... 36

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第一章 绪论

1.1热处理的概述

1.1.1热处理的定义

热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构来控制其性能的一种金属热加工工艺[1]。

1.1.2热处理的工艺过程

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。

加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。

金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。

加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长[2]。

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。1.1.3应用现状和发展前景。

1.1.3应用现状和发展前景

多年来[3]，国外热处理技术发展很快，包括可控气氛热处理、真空热处理、离子热处理、新型化学热处理、高能率热处理以及电子计算机在热处理中的应用等，此外，节能、节材的工艺和设备也在不断地发展。建国以来，我国的热处理技术也有了很大的发展，现有热处理生产厂点一万余家，热处理加热设备十万多台，年生产能力660多万吨钢件，年产值约50亿元。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处

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理设备和实际生产水平方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理工艺和热处理设备落后、氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解国内外热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”。加强热处理的基础理论研究，大力发展多参数热处理和复合热处理工艺，采用新的加热源和新的加热方式，采用新的淬火介质和改进淬火方法。

1.2 45钢的简介

1.2.1 45钢的介绍

45钢,是GB中的叫法,JIS中称为:S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为:C45 。国内常叫45钢，也有叫“油钢”。一般，市场现货热轧居多。冷轧规格1.0~4.0mm之间。含碳（C）量是0.42~0.50%，Si含量为0.17~0.37%，Mn含量0.50~0.80%，Cr含量<=0.25%，Ni含量<=0.30%。

1.2.2 45钢的处理方法 （1）热处理

推荐热处理温度：正火850，淬火840，回火600.

45钢为 优质碳素结构用钢 ,硬度不高易切削加工,模具中常用来做模板,梢子,导柱等,但须热处理 。

1. 45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。

实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。 2. 45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。

调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。

（2）渗碳处理

一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质+表面淬火高。其表面含碳量0.8－－1.2%，芯部一般在0.1－－0.25%（特殊情况下采用0.35%）。经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58－－62），芯部硬度低，耐冲击。

如果用45钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到0.30%芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。0.35%从来没见过实例，只在教科书里有介绍。可以采用调质+高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。

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GB/T699-1999标准规定的45钢推荐热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火，达到的性能为屈服强度≥355MPa

GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16%，断面收缩率为40%，冲击功为39J

1.2.3 45钢的主要用途

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。

45钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好， 45钢可以淬硬至HRC42~46。所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45钢表面淬火(高频淬火或者直接淬火)，这样就能得到需要的表面硬度。

1.3摩擦热处理方法的提出

1.3.1摩擦热处理的概述

热的本质的认识过程摩擦生热早已在实践中被人们所熟悉，但是为什么会产生热？热是什么？人们很久也没有弄清楚．在古代就对热有两种不同的看法，一种把热看成是一种特殊物质；一种认为热是物质的某种运动形式．

1.3.2摩擦热处理探究过程

17 世纪以后，多数人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动形式，不少物理学家都相信这一点．但是这种看法由于缺乏精确的实验根据，还不能形成科学的理论． 到了18 世纪，对热的研究走上了实验科学的道路．把热看成是一种特殊物质的热质说，由于能够解释某些实验结果，因而在当时获得了承认．热质说将热看成一种没有质量或不可称量的流质——热质，它不生不灭，存在于一切物体之中，物体的冷热程度，决定于其中所含热质的多少．热质说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比热降低了，因此摩擦可以使物体的温度升高． 1798 年，英国学者伦福德（1753～1814）在从事枪炮制造时，发现钻孔钻下的金属屑具有极高的温度，用水来冷却时，甚至可以使水沸腾．他怀疑金属屑具有极高温度是不是由于比热降低造成的．伦福德在他的笔记中写道，由摩擦所生的热，来源似乎是无穷无尽的，要用热质说解释摩擦生热现象，钻下的金属屑的比热要改变很大才行．于是他设计并做了一系列实验，发现钻下的金属屑的比热在摩擦时并没有降低．根据实验结果， 伦福德断言热质说不足为信，应当把热看成是一种运动形式，热质说的统治地位开始动摇了． 1799 年，英国的戴维做了更加严格的实验．他在零摄氏度以下的露天里，在抽成真空的玻璃罩内，使金属轮子和盘在钟表装置的带动下相互摩擦，结果使

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金属盘上的蜡熔化了．在这个实验中，热不可能是由周围物体传递给蜡的，而且伦福德的实验已经证明，金属也不会由于比热的降低而放热，那就只能是由于摩擦生热使蜡粒子的运动加快了．戴维的实验有力地打击了热质说[4-5]．

1.3.3摩擦热处理的特点 1、具有显著的节能效果

至今为止的热处理方法中高频感应热处理是公认的节能性最好的热处理。因此，就以高频感应热处理与摩擦热处理的耗能情况比较就可以说明摩擦热处理的节能特点。

（1）高频感应热处理能量消耗情况[6]：

以现有文献资料可查得高频感应热处理的耗能情况可以按如下计算：高频淬火设备由电源、变压器、感应线圈和水套等构成，这些组成部分中，电源消耗功率平均约为10%（一般在5%～15%）、频率转换消耗功率平均约为7%（一般在5%～10%）、输电消耗功率平均约为3.5%（一般在2%～5%）、磁损耗约为10%、冷水被加热带走感应产生的热量近50%、感应电流消耗约10%。还有一些热传导、辐射和空气之中的对流等消耗，但就按上述有据可查的数据，高频热处理最后可用于工件加热的能量可按下式计算：

① 100% - 10% = 90% (电源消耗后余下部分) ② 90%（1 - 7%）= 84% (频率转换后余下部分) ③ 84%（1 - 3.5%）= 81% (输电消耗后余下部分) ④ 81% (1 - 10%) = 73% (磁损耗后余下部分) ⑤ 73% (1 - 50%) = 37% (冷水带走热量后余下部分) ⑥ 37%（1 - 10%）= 33% (感应电流消耗后余下部分）

从上述数据和计算可知，高频感应热处理中可用于加热工件用的有效能量只有约为33%，而67%以上均为无效消耗的能量。 （2）摩擦热处理能量消耗情况：

摩擦热处理是通过电机把电能直接转换成机械能、机械能直接转换成热量来加热工件，中间环节很少。当前电机的效率平均为93%，考虑到摩擦头的吸热和热量在空气中的散失量13%，那么摩擦热处理可用于工件加热的有效能量可达80%。

由上面数据充分说明，摩擦热处理节能效果相对高频热处理非常明显。如果与其它热处理比较具有不可比拟的节能效果的特点。

2、具有很好的环保效果

高频感应热处理是当前国内外公认的环保热处理，但高频感应热处理存在电磁幅射、产生弧光和有害气体，而摩擦热处理不存在高频感应热处理存在的污染环境和有害健康的因素。因此，摩擦热处理是非常环保的绿色热处理技术。

3、生产效率高

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2.2.1导热微分方程

由传热学知识可知[21-23]，任意方向的热流量总可以分解成为x,y,z三个坐标轴方向的热流分量。通过x?x，y?y，z?z三个表面导入微元体的热流量，根据傅立叶定律可直接写成如下：

??tdydz??x??t?Qy???dxdz? （2—9）

?y???tQz???dydy??z?通过x?x?dx，y?y?dy，z?z?dz三个表面导出微元体的热流量亦可按

Qx???傅立叶定律写出如下：

???t??t?dxdydz????x??x??????t?? Qy?dy????t?dy?dxdz? （2—10）

?y??y??????t?Qz?dz????t?dz?dxdy??z??z???按照能量守恒定律，如果物体内部没有热源，那么在稳态条件下，导入微元

Qx?dx???体热流量的总和应该等于微元体热流量的总和，故写出下列热平衡式：

导入微元体的总热流量=导出微元体的总热流量 （2—11） 将（2—9）、（2—10）代入（2—11）可得：

??2t?2t?2t? ??2?2?2?dxdyd ?z0 （2—12）

??x?y?z?式中?及dxdydz总是不等于零的，于是能量守恒定律的最终结果可表示为：

?2t?2t?2t0 （2—13） 2?2?2??x?y?z这就是对一切稳态、无内热源、常物性导热问题普遍适用的导热微分方程。

当然，还存在非稳态及有内热源的导热微分方程。

2.2.3摩擦温度场边界条件 （1）摩擦温度场的单值条件[24]

导热微分方程描述了导热问题的“共性”，但要得到一个确定的导热问题的解(温度场和热流)，还需要给定问题的“个性”，即单值条件。单值条件包括以下几项：

1、几何条件：说明参与过程的物体的大小和形状。如果是各向异性材料， 还要给出导热系数主轴的方向。

2、物理条件：给定各种有关的物性量的值，包括随温度变化的函数关系、

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是否有内热源以及内热源的大小和分布。

3、时间条件：说明过程在时间上的特点。稳态过程不需要时间条件;对于非稳态过程，则要给出初始温度分布，即初始条件。

4、边界条件：描述在区域边界上过程进行的特点。

几何条件和物理条件通常体现在导热微分方程的简化和坐标系的选择中，而时间条件(对非稳态问题)和边界条件则体现为单独的数学表达式。

边界条件用数学描述如下：

u(o,t)??1(t)，u(l,t)??2(t) ,表示测出端点的温度或浓度。第一类边界条件：

第二类边界条件：ux(o,t)??1(t)，ux(l,t)??2(t)，表示测出端点的热量或原子(或分子)数。 如果在l端是绝热的，即：ux(l,t)?0称为绝热条件。

第三类边界条件：如；kux(l,t)?hu(l,t)??(t) 表示与外界按热传导中的牛顿定律进行热交换，即自由冷却。

（2）摩擦导热微分方程

摩擦热处理的传热过程由于热源唯一、传导介质均匀、方向为一维。根据边界条件可以划定为一维热传导的范围之内。 推到摩擦热处理微分方程如下：

根据傅里叶定律，沿x , y及z轴传入微元体的热流量为：

??tdydz??x??t? Qy???dxdz? （2—14）

?y???tQz???dydy??z?Qx???

从微元体流出的热流量为：

???t??t?dxdy???dz?x??x??????t?? Qy?dy????t?dy?dxdz? （2—15）

?y??y??????t?Qz?dz????t?dz?dxdy??z??z???Qx?dx???摩擦温度场没有内热源，根据能量守恒定律有：流入与流出微元体的热流量差额等于单位时间内微元体蓄热量的增量。温度场t是坐标及时间的函数，即

t?f?x,y,z,?? （2—16）

既单位时间内微元体蓄热量的增量为：

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?t Q??C z （2—17） dxdy d?x将(2—14)、(2—15)、(2—17)带入(2—16)式，经整理可得：

??2t?2t?2t??t ?C???2?2?2? （2—18）

?x??x?y?z??t???2t?2t?2?t 则有 （2—19） ????222????C??x?y??z一维、稳态传热状况下，导热微分方程为：

??2t?t = （2—20） 2c????x

式（2—20）即位摩擦热处理过程中的导热微分方程。

2.3摩擦热处理温度场模型

2.3.1数学模型的建立

如上所述[25-27]，本试验所涉及传热过程适用于第一类边界条件：即给出了物体表面温度tw随时间 τ变化的关系：

tw?f??? （2—21） 在稳态过程中tw=定值，称为定温壁。在??0时，导热物体各处温度均匀，都为t0，则初始条件是??0时，t?t0?定值。在不稳定导热过程中，该表面温度不变，一直保持为tw。这时具有边界条件：

X?0 (??0时)处 t?tW?定值。

在上述初始条件及边界条件下，由数学解析法求得的特解：

t?tW??t0?tw?erf??? （2—22）

其中erf??? 称为高斯误差函数：

?x erf????er?f?2a??2?????x2a?0exp???2? d (2—23) ?式中的 tw、t0、t、x1、a为已知的，由以上已知条件可求出τ。其中tW，t0，

t，X1为给定的，a??平 ，c，?为材料与温度所决定的参数。erf???的值可c?由??2x的值确定，具体数值可在相关表中查的，其中?e?xdx可由辛普生2a?（Simpson）求积公式得。

辛普生公式为：

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I?b?a?f?x0??3f?x1??3f?x??2?f?x?3? (2—24) 8?xxx x2? x3? 6a?3a?2a?222对erf???求积的过程为： x0?0 x1?xxx???3x3xx36a?a9? erf?????e?e?ea?4 (2—25)

16a?16a?16a?16a?x将上式带入式（2—17）得：

Q??CA?x0x00?t?t0?dx

x0Ctw??t?A0?0 Q??CA??t?t0??t0?tw?erf?????dx 0?w Q??CA?wt?0?t??2.3.2物理模型的建立

摩擦时工件传热物理模型如图2-1

e???rf xd以上即为摩擦摩擦热处理试验中温度场传热过程数学建模过程。

图2-1平面摩擦的传热模型

（1）假设整个过程中转速不变，摩擦副和工件表面没有磨损，顶紧力不变。研究摩擦温度主要考虑的是工件表面层的最高温度。

（2）摩擦过程是许多表面颗粒随机摩擦的过程，随机摩擦点热源的集合可以近似的认作为一个连续分布的平面热源。这个平面就是摩擦副和工件的接触面。假设它是一个持续发热的均匀而恒定的面热源，其单位时间单位面积的发热量为q。

（3）由摩擦学知识可知摩擦热处理过程中热流量为： q?（2—26） 式中：

S——摩擦副与工件接触面积（即工件端面面积）

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NN?2 S?r长春理工大学本科毕业论文

Ft——切向摩擦力 N——摩擦加热功率 r——工件端面半径

2.4本章小结

本章主要介绍了传热学的基础理论、摩擦温度场以及温度场模型的建立。根据传热学的理论推导出的摩擦温度场的数学模型和抽象出的物理模型，为深刻理解摩擦热处理的机理奠定了基础。同时，模型的建立也为后期温度场仿真中参数的设定提供了方法。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ix9v.html