45与T10钢热处理组织和性能比较研究

45与T10钢热处理组织和性能比较研究 2015 45与T10钢热处理组织和性能比较研究 学生姓名: 所在院系: 所学专业:机械设计制造及其自动化 导师姓名: 完成时间: 2015年4月10日 45钢与T10钢热处理组织和性能比较研究 摘 要 为探讨热处理工艺对45钢及T10的影响～本文对45钢与T10做了退火～正火～淬火以及低温回火～中温回火～高温回火的热处理工艺处理,观察金相组织,测量布氏硬度～再对得到的数据进行系统详细的分析比较～结果表明再相同热处理下含碳量是影响45与T10在金相组织形成～硬度差异的主要因素。发现了随着含碳量的增加～钢的硬度、强度增加～塑性、韧性降低的结果。 关键词:热处理～金相组织～硬度～45～T10 45 steel T10 steel heat treatment and research organizations and Performance Comparison Abstract To explore the Heat Treatment on 45 Steel and T10, the paper made of 45 steel and T10 annealing, normalizing, quenching and tempering, tempering temperature, tempering the heat treatment process, observe the microstructure, measuring cloth hardness, and then the data is systematically detailed analysis and comparison results show that the carbon content and then heat-treated at the same affect with T10 45 formed in the microstructure, hardness difference of the main factors. Found that with increasing carbon content steel hardness, strength increases, lower ductility, toughness results. Keywords: heat treatment, microstructure, hardness, 45, T10 目 录 绪论................................................................................................................................ 1 1 实验材料及........................................................................................................ 2 1.1实验.................................................................................................................. 2 1.2实验材料及设备...................................................................................................... 2 1.3 实验方法................................................................................................................. 3 2 实验结果与分析........................................................................................................ 4 2.1 45钢与T10原始材料组织与性能分析 ................................................................ 5 2.2 45钢与T10在退火后组织与性能分析 ................................................................ 5 2.3 45钢与T10在正火后组织与性能分析 ................................................................ 6 2.4 45钢与T10在淬火后组织与性能分析 ................................................................ 7 2.5 45钢与T10在低温回火后组织与性能分析 ........................................................ 7 2.6 45钢与T10在中温回火后组织与性能分析 ........................................................ 8 2.7 45钢与T10在高温回火后组织与性能分析 ........................................................ 8 3 结论............................................................................................................................ 9 参考文献...................................................................................................................... 11 致谢.............................................................................................................................. 12 I 绪论 人类的发展史是与金属材料的应用及其发展紧密联系着的～特别是在近代～金属材料在人类文明中更占有特殊重要的位臵。据统计～目前在各种机械设备～车辆～船舶～飞机～水利电力设备～仪器仪表及国防无奇所用材料中～金属材料约占90%以上。没有各种性能符合要求的金属材料～近代文明的出现和发展是根 [1]本不可能的。为了使金属材料获得所需要的性能～热处理技术发挥着重要的作用。 1949年建立新中国后～全国人民积极努力的工作～热处理技术已经获得了巨大的进步。新技术～新工艺和新设备不断的被应用于生产中～如可控气氛热处理～真空热处理～～感应热处理～多元共渗～及新的淬火介质大力的推广使用,机械化程度高的热处理作业炉和热处理生产线已经在不少工厂中建立起来,在科研单位～高等学校和工厂试验中已经广泛使用近代化研究手段～如透射电子显微镜～扫描电子显微镜～电子探针～X射线衍射仪和放射性同位素等～使热处理理 [2]论得到发展～产品质量和生产率都有很大的提高。许多企业在产品市场竞争中都凭借其所掌握的热处理技术来保证产品质量～赢得胜利。 随着社会的快速发展～各种钢材种类需求量越来越大～要求越来越高～其中以用处最多的45和T10为例～ 45钢为优质碳素结构钢～优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。故又称为机械零件用钢～经过热处理后～可以获得良好的力学性能～可以用来制造齿轮～连杆～轴类～套筒等各种零件。它的最大弱点是淬透性比较低～截面尺寸比较大和要求比较高的工件不适合采用～45钢淬火温度一般在Ac3以上30-50的温度范围内～在实际操作中一般是取上限的～偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快～表面氧化减少～并且能提高功效。为了使表面的奥氏体均匀化～就需要足够的保温时间。T10作为优质碳素结构钢～广泛用于制造各种刃具～磨具～量具等。适于制造耐磨性要求比较高～切削条件比较差且不受剧烈和突然冲击震动而需要一定的韧性和具备锋利刃口的各种工具～也可用到不受较大冲击的耐磨零件。它作为一种碳素钢～生产成本是比较低的～经过热处理以后硬度甚至能达到60HR以上～但是由于它的耐热性比较差 ～钢的淬透性比较低～所以在淬火加热时不应过热～应该保持细晶粒 。韧性方面还可以～但是热硬性比较低～淬透性仍然不高～淬火变形比较大。 前人对45及T10分别做了大量的研究～从金相组织的观察分析到硬度的测量～对它们在生产生活中最大化运用做出了突出贡献～那么本文通过对这两种钢的进一步比较分析～会不会有新的发现呢, 1 1 实验材料及方法 1.1实验方案 对45钢和T10分别各取6个试块样品进行热处理～热处理前分别各取一块45和T10的试样进行原始硬度以及金相组织的观察。然后分别对45和T10试样进行退火～正火～淬火以及低温回火～中温回火～高温回火的热处理～热处理期间要控制好它们的加热温度～加热速度～加热时间以及冷却时间。热处理完毕后采用布什硬度分别对每个试块进行部分～整体测试～再对每个热处理后的试样进行金相组织的观察～通过以上数据对它们进行一个系统性分析比较～从而得出合理的结论。 1.2实验材料及设备 本实验所用材料为45钢和T10钢 45钢为优质碳素结构钢～T10为碳素工具钢～它们所含化学组织如下表1-2: [3]表1-2 45与T10的化学成分 化学成分/% 牌号 P S Cr Ni Cu C Si Mn ? 45 0.42~0.50 0.17~0.37 0.50~0.80 0.035 0.020 0.025 0.25 0.25 T10 0.95~1.04 ?0.35 ?0.40 0.035 0.035 0.020 0.20 0.30 45钢是强度较高的一种中碳优质钢～因淬透性差～常以正火状态使用～在机械性能要求较高时～采用调质处理。冷变塑性中等～退火和正火的切削加工型比调质的好。用于制造强度要求较高的零件～如齿轮～轴～活塞销等以及受力不 [4]是很大的机械加工件～锻件～冲压件等。 T10钢是最常见的一种碳素工具钢～韧度适中～生产成本低～经热处理后硬度能达到60HRC以上。适于制造切削条件较差～耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击震动而需要一定的韧性和极具有锋利刃口的各种工具～如车刀～钻头～丝锥～扩孔刀具等。 2 1.3 实验方法 热处理前必须对45和T10的两个重要的临界值A和A进行查询。查询数据c1c3 如下表1.3: [5] 表1.2热处理临界值 钢号 AAc1 c3 45 724 780 T10 730 800 热处理是将金属在固态范围内加热到一定温度下～进行必要的保温～并且以适当的速度冷却至室温～以改变其内部组织～从而获得所需性能的工艺方法。以下是几种重要的热处理工艺的特点: 退火主要分为完全退火～等温退火～球化退火～扩散退火～再结晶退火及去应力退火等～完全退火是把钢件或者毛胚加热到比Ac3略高20~30度～保温一段时间～使钢中组织完全转变成奥氏体后～缓慢冷却,随炉冷却或埋入沙、石灰 [7]中冷却,到500到600度以下出炉～在空气中冷却。通过相变获得珠光体和铁素体组织。 正火的原理和退火相似～唯一不同之处是正火保温一定时间后即空冷～从而得到较细珠光体的一种热处理工艺。由于正火的冷却速度快于退火～因而正火钢的组织较细一些～珠光体分散度大～铁素体的量相对少些～从而强度～硬度比退 [8]火要高一些。 淬火是将钢件加热到Ac3或者Ac1以上某一温度保持一定时间～完全奥氏体化后以适当方式快速冷却,保证全部奥氏体不分解,～从而获得马氏体或者贝氏体的一种热处理工艺。淬火可以提高钢的强度和硬度～增加耐磨性。 回火是将淬火零件重新加热到Ac1以下某一温度～保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火分为低温回火～中温回火～高温回火。低温回火,这里以200度为例,:这一温度回火时～马氏体的过饱和度降低～晶格畸变 [6]减轻～这种组织我们称为回火马氏体。中温回火,这里以400度为例,:这一阶段碳原子的析出使过饱和的α固溶体变为铁素体～回火马氏体中的渗碳体转变成粒状渗碳体～由铁素体和粒状渗碳体组成的机械混合物～我们称为回火屈氏体。[7]在保持一定韧性的条件下提高了弹性和屈服强度～主要用于各种弹簧～锻模～冲击工具。其金相组织。高温回火,这里以600度为例,:此时固溶体发生回复与再结晶～同时渗碳颗粒不断长大～形成块状铁素体与球状渗碳体的混合组织～ [8]称为回火索氏体。得到了强度～塑性～韧性都较好的综合力学性能。 实验步骤如下 3 ,1, 实验前准备45钢和T10钢各六块,大小相同,。45钢厚度10cm～直径 10cm。T10钢厚度10cm～直径10cm。 ,2, 各取一块45和T10试样用砂纸将表面的氧化皮和脱碳层打磨掉～粗磨 一阵后然后再用抛光机最终抛光后～在打磨好的试块表面滴入2至3 滴4%的硝酸溶液～停留3至5秒后～在清水中冲洗一下再用吸水纸擦 干后拿到金相显微镜下进行观察～用400倍像素保存3到5张金相组 织的照片～然后再进行布氏硬度的测试～用25g的测局部两次～用1kg 的测整体一次。 ,3, 将各试块清晰干净～然后涂上防止裂的涂料～开始对各试块进行热处 理。45钢所需要温度840度～保温30分～由于退火～正火～淬火加热 温度以及保温时间一定～可以同时放到热炉内加热。保温后～退火的 随炉冷却～正火的进行空冷～淬火的放到冷水内。T10钢和45的区别 是加热到770度保温90分钟。 ,4, 对退火～正火～淬火后的试块进行打磨～抛光～金相组织的观察以及 硬度的测量 ,5, 分别对45和T10进行回火的热处理～对他们经过淬火处理后～分别进 行低温回火～中温回火～高温回火的热处理～温度分别为200度～400 度～600度。回火完成后～对回火的试块进行表面打磨～抛光～金相组 织的观察以及硬度的测量～所得的数据。 2 实验结果与分析 通过对45与T10各个热处理工艺的的硬度测量～得到以下数据: 表2-1 45钢硬度表 类型 温度 时间45钢 ,min, 硬度 平均 退火 840 30 171 181 189 180 正火 840 30 195 201 193 196 淬火 840 30 712 613 685 670 淬火+低 200 120 401 378 389 389 温回火 淬火+中400 120 308 352 321 327 温回火 淬火+高600 120 201 219 234 218 温回火 4 表2-2 T10钢硬度表 类型 温度 时间T10 ,min, 硬度 平均 退火 770 60 184 235 197 205 正火 770 60 197 236 274 235 淬火 770 60 724 793 746 754 淬火+低温200 120 687 740 720 715 回火 淬火+中温400 120 390 517 460 455 回火 淬火+高温600 120 208 269 240 239 回火 2.1 45钢与T10原始材料组织与性能分析 45钢原始组织如图2-1,2-2 图2-1 45原始组织 图2-2 T10原始组织 从以上表1-2和图2-1,2-2可以得知～45钢含碳量介于0.0218%-077%之间～属于亚共析钢～T10含碳量介于0.77%-2.11%之间～属于过共析钢～碳钢的机械性能取决于其组织～组织取决于含碳量～含碳量很低时～钢的组织中主要是铁素体和少量珠光体～一次钢的强度～硬度低～塑性韧性好～随着含碳量的增加～钢中铁素体减少～珠光体增加～钢的强度～硬度上升～塑性韧性下降。 2.2 45钢与T10在退火后组织与性能分析 45与T10的退火金相组织如图2-2～2-3 5 图2-3 45钢退火组织 图2-4 T10退火组织 结合表2-1～表2-2得知～退火后T10的硬度明显高于45钢的硬度～退火的主要作用和目的是细化晶粒～均匀组织～降低硬度～改善钢的切削加工型～同时还可以消除内应力～图2-3,2-4知～由于两者含碳量不同～故退火后得到的金相组织组织也有很大的差别～T10退火后的珠光体含量明显多于45钢的珠光体含量～相反铁素体含量分布却比45钢小了很多～因此导致了T10的整体硬度在退火后比45钢稍硬。 2.3 45钢与T10在正火后组织与性能分析 45与T10的正火金相组织如图2-5～2-6 图2-5 45正火组织 图2-6 T10正火组织 由表2-1,表2-2知～正火热处理后钢的硬度要比退火的高～这是因为正火的冷却速度比退火稍快～故正火的组织稍细些～珠光体的分散度大～铁素体的量少～ [9]从而它的强度～硬度也较退火高。通过两表的对比T10在正火后的硬度要高于45钢的硬度～由图2-5,2-6知～45钢正火后金相组织为网络状分布的珠光体和铁素体,白色部分,～晶粒粗大且分布不均匀～T10的金相组织分布为珠光体和少量铁素体且部分珠光体针状分布～45钢在分布上属于网状分布且珠光体组织比T10晶粒细小～又铁素体含量高且质地软～故正火后的硬度低于T10正火的硬度。[10] 6 2.4 45钢与T10在淬火后组织与性能分析 45与T10的淬火金相组织如图2-7～2-8 图2-7 45淬火组织 图2-8 T10淬火组织 由表2-1,表2-2知～淬火后钢的硬度明显提高了很多～淬火可以显著提高钢的强度和硬度～45钢在淬火后的硬度低于T10的淬火硬度～淬火的目的是使过冷的奥氏体进行马氏体或者是贝氏体的转变～得到马氏体或者是贝氏体组织～由图2-7,2-8可以知～45钢淬火后得到的组织为马氏体,板条状,以及部分网状分布的铁素体～T10淬火后得到大量的呈现针状分布的马氏体～由于45钢得到的 [11]马氏体组织较粗大～因此在硬度上低于T10淬火后的硬度。 2.5 45钢与T10在低温回火后组织与性能分析 45与T10的低温回火金相组织如图2-9～2-10 图2-9 45低温回火组织 图2-10 T10低温回火组织 由表2-1,表2-2知～淬火+低温回火后钢的低于单纯淬火后的硬度～在这一温度回火时～从马氏体分解出与其保持共格关系～使马氏体的过饱和度降低～晶格畸变减轻～内应力明显减小～但是仍然保持淬火后的高硬度。 45钢在淬火+低温回火后的硬度低于T10的硬度～淬火+低温回火的目的是消除或者减少淬火 7 内应力～降低脆性.由图2-9,2-10可以知～45钢淬火+低温回火后得到的组织为马氏体,板条状,以及部分少量的未溶的颗粒状铁素体～T10淬火+低温回火后得到大量的呈现针状分布的马氏体～由于45钢得到的马氏体组织较粗大～因此在 [11]硬度上低于T10淬火+低温回火后的硬度。 2.6 45钢与T10在中温回火后组织与性能分析 45与T10的中温回火金相组织如图2-11～2-12 图2-11 45中温回火组织 图2-12 T10中温回火组织 由表2-1,表2-2知～淬火+中温回火后钢的硬度低于低温的硬度～这一阶段碳原子的析出使过饱和的a固溶体转变为铁素体～回火马氏体中的渗碳体转变为 [12]粒状渗碳体～所得到的产物为铁素体和极细的渗碳体组成的机械混合物。淬火+中温回火基本可以使淬火内应力消除～具有较高的弹性极限及一定的韧性～并且屈服强度比较高。45钢在淬火+中温回火后的硬度低于T10的硬度～由2-11,2-12可以知～45钢淬火+中温回火后得到的组织为回火屈氏体～它是铁素体和渗碳体组成的机械混合物～板条状马氏体平均分布在铁素体基体～T10淬火+ [13]高温回火后得到的较多的渗碳体使硬度略高于45钢。 2.7 45钢与T10在高温回火后组织与性能分析 45与T10的高温回火金相组织如图2-13～2-14 8 图2-11 45高温回火组织 图2-12 T10高温回火组织 由表2-1,表2-2知～淬火+高温回火后硬度与中温相比有所降低～这一阶段固溶体发生回复与再结晶～同时渗碳体颗粒不断长大～最终形成块状铁素体与球 [14]状渗碳体的混合组织～我们叫做回火索氏体。45钢在淬火+高温回火后的硬度低于T10的硬度～淬火+高温回火得到的组织具有强度～硬度塑性和韧性都较好的力学性能。由图2-11,2-12可以知～45钢淬火+高温回火后得到的组织分布密集的渗碳体和铁素体～T10淬火后得到大量的呈现针状分布的马氏体～由于45钢淬火+高温回火得到的碳化物颗粒与T10较粗大～因此在硬度上低于T10淬火 [15]+高温回火后的硬度。 3 结论 通常情况下回火温度越高、时间越长～强度、硬度越低～塑韧性指标越高。[16]回火温度越高～材料越快能达到该回火温度的平衡状态～随着回火温度的升高～硬度和强度降低～延性和韧性逐渐增高。 碳钢的机械性能是由其组织和成分决定的～而组织是主要由含热处理工艺决定的～当含碳量很低时～钢的组织中主要是铁素体和少量珠光体～因此钢的强度～硬度较低～塑性韧性好～而随着含碳量的增加～钢中的铁素体减少～珠光体增加～钢的强度～硬度上升～塑性～韧性下降。 淬火后经过回火～其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下～降低其淬火内应力和脆性～以防止使用时崩裂或者是损坏。 9 10 参考文献 [1] 吴小竹～朱震. 工程实习与训练[M]. 上海:上海科学技术文献出版社～ 2012. [2] 夏立芳.金属热处理工艺学.修订版[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社～ 2008. [3] 刘贯军～郭晓琴.机械工程材料与成型技术[M].北京:电子工业出版社～ 2011. [4] 周根然.工程材料与机械制造基础[M].北京:航空工业出版社～1997. [5] 戴维斯.金属手册案头卷[M].北京:机械工业出版社～2013. [6] 赵忠魁.金属材料学及热处理技术[M].北京:国防工业出版社～2012. [7] 胡光立～吴锁春.钢的热处理[M].北京:国防工业出版社～1986. [8] 周光万.金属工艺基础[M].北京:机械工业出版社～2004. [9] 林江.工程材料及机械制造基础[M].北京:机械工业出版社～2013. [10] 刘云旭.金属热处理原理[M].北京:机械工业出版社～1981. [11] 戴起勋.金属材料学[M].北京:化学工业出版社～2005. [12] 张万昌.热加工工艺基础[M].北京:高等教育出版社～1999. [13] 王建安.金属与热处理下册[M].北京:机械工业出版社～1987. [14] 徐祖耀.马氏体相变及马氏体[M].北京:科学技术出版社～1999. [15] 张宝昌.有色金属及热处理[M].西安:西北工业大学出版社～1993. [16] 毕凤琴～张旭钧.热处理原理及工艺[M].北京:石油工业出版社～2009. 11 致谢 四年的学习生活即将结束～回顾四年的学习生活～感受颇深～收获丰厚。在的写作过程中～有很多困难～无论是在理论学习阶段～还是在论文的选、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节～无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师刘贯军老师表示衷心的感谢: 感谢河南科技学院新科学院授课的各位老师～正是由于他们的传道、授业、解惑～让我学到了专业知识～并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。 感谢给我提供参考文献的学者们～谢谢他们给我提供了大量的文献～使我在写论文的过程中有了参考的依据。 感谢我的爸爸妈妈～感谢在我写论文期间他们为我所付出的一切。养育之恩～无以回报～你们永远健康快乐是我最大的心愿。 感谢我的室友们～从河南四面八方来到这个陌生的城市里～是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情～维系着寝室那份家的融洽。四年了～仿佛就在昨天。四年里～我们当然也经历过一些分歧～矛盾～但这会让我们的兄弟之情更加浓厚～只是今后大家就难得再聚在一起～没关系～各奔前程～大家珍重。但愿你们平平安安～快快乐乐～顺顺利利。我们在一起的日子～我会记一辈子的。 此时～我的心情无法平静～从开始进入课题到论文的顺利完成～有多少可敬的师长、同学、朋友、亲人给了我无言的帮助～是你们为我撑起一片天空～在这里请接受我诚挚的谢意。 12