金属材料工程毕业论文

内蒙古科技大学本科生毕业论文题 目：化学成分对实验钢热处理组织、硬度的影响学生姓名：XXX学 号：XXXXXXXXXX专 业：金属材料工程班 级：材料 20XX-1 班指导教师：XXX 教授内蒙古科技大学毕业论文I化学成分对实验钢热处理组织、硬度的影响摘 要为了提高机械产品的质量及使用寿命,几乎所有重要的机械零件都需要进行热处理。合金化配合适当的热处理能够显著提高工件的性能，使钢能够满足所需的力学、工艺及其他特殊性能。本文以化学成分不同的 A3、A6 两种钢为研究对象，对实验钢进行不同的热处理之后，分析化学成分和热处理工艺对实验钢组织和硬度的影响规律，为提高实验钢的使用性能提供实验依据。本研究借助于金相显微镜和硬度测试仪，研究了实验钢在不同退火温度、淬火温度、回火温度下的组织和硬度，分析了化学成分、加热温度对实验钢退火组织及硬度、淬火组织及硬度、回火组织及硬度的影响。研究了实验钢正火处理对组织及硬度的影响。结果表明：随着退火温度的升高，A3 钢中珠光体片间距逐渐增大，A6 钢中的珠光体形态由粒状向片状转变；A6 钢在正火处理空冷时发生马氏体转变；A3 钢的淬火组织由马氏体和托氏体组成，A6 钢淬火组织由马氏体和未溶碳化物组成；A6 钢中由于合金元素的作用，回火稳定性提高；在所有相同的热处理条件下，A6 钢的硬度均远大于 A3钢的硬度。关键词：热 处 理 ； 化 学 成 分 ； 组 织 ； 硬 度内蒙古科技大学毕业论文IIEffect of Chemical Composition on the Microstructure and Hardness of the Experimental Steels after Heat Treatment AbstractIn order to improve the quality of mechanical products and service life, almost all the important mechanical parts are required for heat treatment. Alloying with appropriate heat treatment can significantly improve the performance of the workpiece, so that the steel can meet the required mechanical, processing and other special properties. In this paper, A3, A6 two steels of different chemical compositions are used as the research objects, after different heat treatments on the experimental steels, the paper analyzes the influence of chemical composition and heat treatment processing on the microstructure and hardness of the experimental steels to provide the experimental basis for improving the properties of the steel.In this study, by means of metallographic microscope and hardness tester, the experiment researches the hardness of the steel at different annealing temperature, quenching temperature and tempering temperature.In addition,it analyses the influence of chemical composition and heating temperature on the microstructure and hardness after annealing,quenching,tempering.The paper studied the influence on Microstructure and hardness of the experimental steel after normalizing treatment. The results show that, with the increase of annealing temperature, the distance of the pearlite in the A3 steel increases gradually, the pearlite morphology transformed from granular to sheet; The A6 steel produces martensite transformation after normalizing air cooling; The microstructure of A3 steel after quenching consists of martensite and troostite, The microstructure of A6 steel after quenching consists of martensite and undissolved carbide; Due to the effect of the alloy elements,the tempering stability of A6 steel is improved; in all the same heat treatment conditions,the hardness of the A6 steel is far greater than the hardness of the A3 steel.Keywords: heat treatment; Chemical composition; microstructure; hardness目录内蒙古科技大学毕业论文III摘要 .IAbstract .II目录 .III第一章 文献综述 .11.1 实验钢 A3钢、A6 钢的概述 .11.2 合金元素在钢中的作用 .21.2.1 钢中主要的合金元素及其分类 .21.2.2 合金元素在钢中的存在形式及分布 .21.2.3 合金元素与铁的相互作用 .21.2.4 合金元素对钢加热时奥氏体组织转变的影响 .31.2.5 合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响 .41.2.6 合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响 .51.2.7 合金元素对钢强度的影响 .51.3 热处理技术的发展及展望 .61.4 本文选题意义及研究内容 .8第二章 实验材料及方法 .102.1 实验材料 .102.2 实验设备 .102.3 实验步骤 .102.3.1 热处理前的试样制取 .102.3.2 试样热处理保温时间的确定 .112.3.3 退火实验 .112.3.4 正火实验 .122.3.5 淬火实验 .132.3.6 回火实验 .142.3.7 金相试样的制备 .152.3.8 金相组织观察 .162.3.9 硬度测定 .16第三章 实验结果与分析 .173.1 实验钢退火组织及硬度分析 .17内蒙古科技大学毕业论文IV3.1.1 实验钢退火组织分析 .173.1.2 退火组织的硬度分析 .203.2 实验钢正火组织及硬度分析 .213.2.1 化学成分对实验钢正火组织的影响 .213.2.2 化学成分对实验钢正火硬度的影响 .213.2.3 正火与退火工艺对 A3钢组织及硬度的影响 .223.3 实验钢淬火组织及硬度分析 .223.3.1 实验钢淬火组织分析 .223.3.2 实验钢淬火组织的硬度分析 .263.4 实验钢回火组织及硬度分析 .273.4.1 实验钢回火组织分析 .273.4.2 实验钢回火的硬度分析 .30结 论 .32参考文献 .33致 谢 .35内蒙古科技大学毕业论文1第 1 章 文 献 综 述1.1 实验钢 A3钢、A6 钢的概述A3钢以前又被称作 Q235，是一种普通碳素结构钢。Q 是屈的拼音的大写首字母，代表屈服极限，后面的数字则是指这种钢的屈服值。普通碳素结构钢的含碳量，性能和 P、S 和其他残余元素含量可以在较大范围内变化。在包括中国在内的很多国家根据不同的交货条件又可以将普通碳素钢分为三类：第一类为保证力学性能的钢甲类钢（A类钢） ，本文所用的实验钢 A3钢即为此类钢；第二类为保证化学成分的钢乙类钢（B 类钢） ；第三类为同时保证力学性能和化学成分的钢特类钢(C 类钢） 。特种类钢常用于各种重要的结构件的制造。由于含碳量在 0.20%左右的 A3钢价格便宜，含碳量适中，综合性能良好，使其成为我国当前生产和使用最多的钢种。A3 钢在建筑及工程结构中得到广泛的应用，常用来制造钢筋、建造厂房的钢结构房架，并在道路、桥梁、船舶、工业等各个领域均有广泛应用，同时也大量用于制造对性能要求一般的机械零件 1。A6钢是美国合金工具钢标准(ASTM A6811999)中冷作工模具钢系列 A2-A10中的一个钢号。由于其良好的淬透性、较小的淬火变形倾向及较高的淬火硬度，良好的耐磨性和韧性，而被广泛用于制造冲裁模、成型模、轧辊、冲头、滚丝模及剪刀片等工模具 2。由于模具钢在工作时，所加工的材料会产生很大的变形抗力，模具与被加工材料的接触部分将承受巨大大的压力、弯曲力以及摩擦力。因此，冷作模具常常有以下几种失效形式：断裂失效、过载失效和磨损失效。考虑到冷作模具钢所处的工作环境，冷作模具钢必须具备以下几种特性：高硬度、高耐磨性以保证工模具的寿命；高强度和良好的韧性搭配以及一定的热硬性，确保工模具在工作时刃部不发生崩裂及塌陷；良好的热处理工艺性，淬透的情况下保证较小的变形及较低开裂倾性 3。冷作工模具钢因为是冷态成形，所以对钢的红硬性方面要求不高，对此很多国家都发展了一些适于做冷作模具用的钢种。例如，发展了低合金、耐磨性高、淬透性好、淬冷变形小的低合金空淬微变形钢。美国研制的 A4钢，以及本文研究中所用到的另一种实验钢 A6钢、由日本发展的 G04钢，还有我国自行研制的 Gr2Mn2SiWMoV钢和8Cr2MnMoWVS钢等均属于这类钢，同时我国研制的8Cr2MnMoWVS 由于加入了适量的 S元素，使钢还具备了优良的切削性 4。这类钢的总体特点是合金元素的含量低于5%，属内蒙古科技大学毕业论文2于低合金钢、良好的淬硬性以及淬透性，直径100mm 以下的棒状材料能够直接空冷淬成马氏体组织，在 Ac3以上淬火，硬度一般能达到60HRC 以上、较小的淬火变形及较低的淬裂倾向、良好的热处理工艺性能及良好的机械加工性能等，由于其具有这些优良的特性，使其在精密复杂模具的制造中得到了广泛的应用。1.2 合金元素在钢中的作用1.2.1 钢中主要的合金元素及其分类工业生产中为了保证钢材能够获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能，往往需要向钢中加入某些特定的化学元素，称为合金元素。往钢中添加合金元素主要是为了使钢能获得更加优良的使用性能及工艺性能。其中使用性能包括钢材的力学性能、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等。工艺性能包括钢的热处理性能、焊接性能、铸造及锻造性能、切削加工性能等。按元素的性质可以将合金元素分为金属元素和非金属元素两类。工业上常用作合金元素的金属元素有Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Ni、Co、Al、Cu、RE；常用的非金属元素有C、N、Si、B、P 等。按照是否能与碳结合形成碳化物，合金元素又可以分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两类。能形成碳化物的元素都是过渡族金属，Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe 与 C、N 的亲和力以及形成的相应的碳化物、氮化物的稳定性递减。而非碳化物形成元素都是元素元素周期表中都处于 Fe的右侧的，如 Al、Si、Ni、Cu、Co、N、P、S 等 5。1.2.2 合金元素在钢中的存在形式及分布不同的合金元素可以以不同的形式存在于钢中，但主要包括以下几种：溶于 Fe的四面体或八面体间隙时形成铁基间隙固溶体，取代 Fe原子时形成铁基置换固溶体；某些元素与碳原子氮原子结合形成合金渗碳体、特殊碳化物或氮化物；形成金属间化合物；形成各种非金属相及非晶体相；部分合金元素可以以游离态存在，例如碳；有些合金元素能与晶体缺陷发生作用，在晶体缺陷处聚集。合金元素的分布还与钢的加工工艺状态有关。如，变形条件会影响合金元素的存在状态和析出条件；热处理的加热温度、加热时间会对合金元素的溶解有影响；热处理冷却速度则会对过饱和固溶体中合金元素的析出程度的影响比较大 5。1.2.3 合金元素与铁的相互作用内蒙古科技大学毕业论文3根据合金元素对奥氏体及铁素体转变的影响，合金元素可以分为促进 -Fe 相形成的奥氏体形成元素和促进 -Fe 相形成的铁素体形成元素。 相稳定化元素能够促进奥氏体的形成，使 A3温度下降，A4温度升高，从而扩大 相区。其中 Mn、Ni、Co 等合金元素可以与 -Fe 相无限互溶，能无限扩大 相区，如果加入足量的这类合金元素则可以使 相完全消失，从而使 相保持到室温。而C、N、Cu、Zn、Au 等合金元素只能与 -Fe 形成有限固溶体，虽然也能使 相区扩大，但并不能让 相区完全开启。 相稳定化元素能使铁的 A4温度降低，A3温度升高，促进铁素体的形成，缩小 相区。其中强碳化物形成元素 Cr、W、Mo、V、Ti 及 P、Be、Si、Al 等合金元素均可以与 -Fe 相形成无限固溶体，但在 -Fe 相中的溶解度有限，当钢中合金元素加入的足够多时，将会使 A3温度与 A4温度重合，此时高温 相与低温 相区连成一片，而 相区呈封闭的环状，此时 相区无限扩大。而 B、Nb、Zr、Ta 等使 A3升高，A4降低，但是只能使 相区缩小不能使其完全封闭。1.2.4 合金元素对钢加热时奥氏体组织转变的影响加入合金元素后，会影响到钢的临界转变点温度、S 点的位置以及碳在奥氏体中的溶解度，话句话说就是改变了奥氏体形成所需的温度条件及碳浓度条件；由于奥氏体的形成是一个扩散及均匀化过程，合金元素原子不但自身很难扩散，而且还会影响到Fe原子和 C原子的扩散过程，从而影响钢奥氏体化。钢在加热时奥氏体的形成过程分为四个步骤：奥氏体的形核；奥氏体的长大；渗碳体的溶解；奥氏体成分均匀化。奥氏体的形成过程的每一步几乎都与碳的扩散密切相关。而合金元素又会影响到碳在钢中的扩散。如 Co和 Ni等非碳化物形成元素不与碳结合生成碳化物，有利于碳溶入奥氏体中并扩散均匀化，从而促进钢中奥氏体的形成。而由于 Cr、Mo、W、V 等强碳化物形成元素由于与碳的结合力比 Fe与碳的结合力强，会优先形成合金碳化物，这将使碳在奥氏体中的扩散速度大大减慢，从而使奥氏体的形成速度显著降低。而通常只有提高加热温度，才能使合金元素与碳结合生成稳定性高的合金碳化物分解并溶入奥氏体中，加热温度甚至需达到完全奥氏体化温度几百度摄氏度以上才能使钢的奥氏体成分均匀化。然而随着合金碳化物的不断分解并溶入钢的基体中，由于合金元素缓慢的扩散速度，导致奥氏体成分的不均匀程度越来越高。此时就需要在较高的温度下加热并且延长保温时间，使合金元素能够充分扩散开内蒙古科技大学毕业论文4来，从而得到成分较均匀的奥氏体组织。但是对于某些合金工具钢，由于其需要具有较多未溶碳化物来对基体进行进行强化，此时的加热温度不应过高和保温时间也不应过长，以减少碳化物的分解。不同的合金元素的加入也会对钢奥氏体晶粒的尺寸有不同程度的影响。由于合金碳化物的粒子能显著阻碍晶界扩展，合金元素与碳结合形成的合金碳化物越稳定，在加热、保温时越不易分解，对晶粒的细化作用越明显。Ti、Nb、V 等强碳化物形成元素及能在钢中形成高熔点 AlN、Al 2O3细质点的 Al元素，均能大大减弱奥氏体晶粒长大倾向，显著细化晶粒；而 W、Mo、Cr 等与碳结合力中等的元素也能阻碍奥氏体晶粒长大，但作用中等；Ni、Si、Co、Cu 等非碳化物形成元素对奥氏体晶粒长大的影响很弱；而Mn、P、B 则对奥氏体晶粒的长大有促进作用。含有较多锰元素的钢会有较强烈的过热倾向，为防止其晶粒过于粗大，其加热温度不宜过高，且在保证性能的前提下尽量缩短保温时间。1.2.5 合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响合金元素的加入会对过冷奥氏体的转变产生一定的影响。这种影响首先通过钢的临界转变点温度的改变表现出来。Mn、Ni、Co 等奥氏体形成元素会使 Ac3温度降低，从而使钢的过冷度及转变驱动力减小，而铁素体形成元素作用与奥氏体形成元素的作用恰好相反，会提高 Ac3增大过冷度及转变驱动力。合金元素的加入可以显著改变钢的C曲线的位置或形状。非碳化物形成元素 Ni、Al、Si、Cu、Co 能使钢的 C曲线位置发生改变。例如 Ni、Si、Cu 等能使 C曲线向右移动，而 Al、Co 等能使 C曲线向左移动。碳化物形成元素 Cr、Mo、W、V 等的加入不仅可以使钢的 C曲线位置移动，也可以改变C曲线的形状，C 曲线出现两个鼻温，甚至能在珠光体区域和贝氏体区域中间出现一个极端稳定过冷奥氏体的区间将两个转变区域完全分离开来。除钴外的几乎所有的合金元素均能使 C曲线向右移动。C 曲线向右移动，意味着过冷奥氏体的稳定性增大，珠光体型转变推迟，钢的临界冷却速度降低，从而提高钢的淬透性。工业上常被用来提高钢淬透性的合金元素有 Mo、Si、Cr、Mn、Ni、B 六种。合金元素要想起到提高淬透性的作用，必须使其在淬火加热时溶入奥氏体中，所以为了使钢淬透，合金钢的淬火加热温度往往较高，保温时间也较长。如对于含较多Cr、W、V、Mo 等强碳化物形成元素的钢，如果淬火加热温度较低，保温时间不长，导致碳化物未溶解或少量溶解时，就不能起到提高淬透性的作用，此时未溶解的碳化物内蒙古科技大学毕业论文5粒子能成为珠光体转变的核心导致钢发生珠光体转变。合金元素能推迟高温珠光体型的转变，同样合金元素的对贝氏体型的转变也有影响。在贝氏体转变中，只有基体间隙中固溶的碳原子能进行长距离扩散，而铁及其中固溶的置换型原子都不能进行长距离扩散。中温贝氏体转变过程中，合金元素能对贝氏体转变的上限温度 Bs点产生影响。C、Mn、Ni、Cr、