16Mn钢热处理课程设计.docx

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16Mn钢热处理课程设计

第一章金属热处理课程设计简介………………………………1

一、课程设计的任务与性质…………………………………1

二、课程设计的目的…………………………………………1

三、设计内容与基本要求……………………………………1

四、设计步骤…………………………………………………2

第二章材料16Mn基本参数……………………………………2

一、16Mn材料简介……………………………………………2

二、16Mn材料的性能及用途…………………………………3

三、16Mn材料化学成分………………………………………3

四、16Mn物理力学性能………………………………………3

第三章热处理工艺设计…………………………………………4

一、16Mn热处理概述……………………………………………4

二、16Mn热处理………………………………………………4

三、基本参数确定……………………………………………9

第四章16Mn钢热处理分析…………………………………………10

一、16Mn钢热处理后组织分析…………………………………10

二、16Mn钢热处理后材料性能检测…………………………13

第五章设计与心得体会……………………………………………17

参考文献………………………………………………………………19

第一章金属热处理课程设计简介

一、课程设计的任务与性质

《金属热处理原理与工艺》课程是一门重要的专业课程，金属材料热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，运用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于强化学生解决问题、分析问题的能力。

二、课程设计的目的

1、课程设计属于《金属热处理原理与工艺》课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。

2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。

3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。

4.提高技术总结及编制技术文件的能力。

5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。

三、设计内容与基本要求

设计内容：

完成合金结构钢（16Mn）的热处理工艺设计，包括工艺方法、路线、参数的确定，热处理设备及操作，金相组织分析，材料性能检测等。

基本要求：

1.课程设计必须独立的进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。

2.合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。

3.正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。

4.正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。

5.课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图表清晰。

四、设计步骤

方案确定：

1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。

2.零件按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等确定其热处理工艺方法、路线及相关参数。

3.选择热处理设备及温度控制方式、冷却介质。

4.热处理工艺实例。

5.热处理后材料性能检测。

6.金相组织分析.

7.利用Fe-Fe3C相图、TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。

一般，根据零件使用性能及技术要求，提出所可能实施的几种热处理工艺方案，首先从其所可能达到的性能要求，工艺操作的繁简及质量可靠性等进行分析比较，再根据生产批量的大小，现有设备条件及国内外热处理技术发展趋势，进行综合技术经济分析，确定最佳热处理工艺方案。

材料选择：

选择16Mn合金结构钢

零件设计：

试样为16Mn无缝钢管，拟定板厚50mm，在低温环境下工作，要求有良好的综合力学性能，在低温环境下，塑性和焊接性行良好，具有良好的切削性能。

第二章材料16Mn基本参数

一、16Mn材料简介

16Mn是旧国标GB/T1591－1988中的低合金高强度结构钢的牌号，新国标GB/T1591－1994中的牌号为Q345（Q345有5个质量等级，Q345A~Q345E），Q345A对应美国ASTM的牌号是（中间的点不是小数点，是上下对中的，像个“乘号”点一样。

）

　　16Mn为钢材中的一种材质。

过去钢材的一种叫法。

现在的称法为：

Q345（见Q345）。

16，所代表的为这种钢材中的碳的含量在%左右。

而Mn单独提出来，是因为五大元素（碳C，硅Si，锰Mn，磷P，硫S）中，锰的含量高，才单独提出来，大约在左右。

　16Mn属低合金钢板系列，在此系列中，为最普通材质，或者牌号的钢板。

16Mn为钢材中的一种材质。

过去钢材的一种叫法。

16Mn钢属于碳锰钢，碳的含量在%左右，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级）。

16Mn钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。

但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下（如冬季露天作业）或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。

二、16Mn材料的性能及用途

综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。

主要特性:

综合性能好，低温性能好，冷冲压性能，焊接性能和可切削性能好。

应用举例：

矿山，运输，化工等各种机械。

三、16Mn材料化学成分

表一16Mn化学成分标准

牌号

化学成分（重量百分比）

Chemicaicomposition（WT%）

16Mn

碳

（C）

硅

（Si）

锰

（Mn）

铬

（Cr）

～

～

～

≤

磷

（P）

硫

（S）

镍

（Ni）

铜

（Cu）

≤

≤

≤

≤

四、16Mn物理力学性能

16Mn密度为，16Mn钢板密度为.

16Mn低合金钢管是低合金高强度结构钢：

Mn含碳量为%%,加入主要合金元素锰、硅、钒、铌和钛等；它的含合金总量<3%。

按强度分为300、350、400和450MPa等4个级别。

主要有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。

：

“Q”是屈服的“屈”字的汉语拼音大写字头，其后数字为该牌号最小屈服点（σs）值，其后的符号是按照该钢杂质元素（硫、磷）含量由高到低并伴随碳、锰元素的变化而分为A、B、C、D四等。

其中A、B级钢通常称16Mn

抗拉强度：

470~660牛/平方毫米；屈服强度：

275~345牛/平方毫米；伸长率：

21%。

具体值要根据钢材的厚度或直径，以上数据对应钢材的厚度或直径为：

16~100mm。

第三章热处理工艺设计

一、16Mn热处理概述

热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改变钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺不但可以强化金属材料，充分挖掘材料性能潜力，降低结构重量，节省和能源，而且能够提高机械产品质量，大幅度延长机械零件的使用寿命。

热处理的三阶段：

加热，保温，冷却。

这三个阶段决定了材料热处理后的组织和性能。

加热是热处理的第一道工序。

不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。

加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。

另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。

保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。

保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。

一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。

钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。

16Mn钢是目前国内建筑用主要钢材之一，以热轧状态交货。

16Mn属于低合金钢板系列，在此系列中为最普通材质或者牌号的钢板。

根据特殊要求，可以对钢板进行一些特殊的处理：

热处理和Z向性能。

这里我们只讨论热处理。

其热处理一般为控扎，正火等等。

二、16Mn热处理设计

采用膨胀法并结合金相-硬度法，膨胀曲线在Gleeb-1500热模拟机上测定。

为使加热温度接近16Mn钢的开轧温度保证微合金元素的充分溶解，根据已有文献，试样的奥氏体化温度定为1000℃（在2min内将试样加热至此温度），保温15min。

分别以13种不同的冷却速度（～75℃/s）将试样冷却，获取其膨胀曲线，再由膨胀曲线确定相变温度。

以喷水冷却（冷却速度约为400℃/s）测定其Ms点。

用DTA方法（以2℃/min由500℃升温到1000℃）确定其临界点Ac1和Ac3，最后在POLYVAR-MET金相显微镜进行组织观察，并测得显微硬度（HV2）。

测定结果为Ac1=917℃，Ac3=770℃，Ms≈400℃。

根据不同冷却速度膨胀曲线上的拐点（切点或极值点），结合金相组织，确定的箱变温度见表二。

将表二中的相变点绘制到温度-时间半对数坐标上，用连线法将个物理意义相同的点连接起来同时在该坐标上标出Ac1,Ac3和Ms即可绘制出CCT图（图一），冷却曲线旁的数字为冷却速度，冷却曲线下端的数字为以此冷却速度冷却后试样的室温维氏硬度值（HV2）。

表二不同冷却速度下的相变温度

图116Mn钢的CCT图

16Mn一般是淬火+低温回火热处理，250℃以下回火时为回火马氏体，450以上回火时为回火索氏体。

已经测出的16Mn钢过冷奥氏体等温转变曲线（TTT图）有多个.由于所用试样的化学成分和奥氏体化工艺的差别,不同测试者可获得不同的结果,但大同小异,典型的TTT图如图2。

图216Mn钢的TTT图

加热到770+（20～30）℃,短时间保温或者不保温,油淬,然后250℃回火（+10-10）,可以保证硬度在45-49之间,回火最好在淬后有余热时马上进行,这样可以最小程度减小变形.如果对疲劳性能有更高要求,可以在回火后再进行喷丸处理,这样光洁度也会好一点，出炉马上就得进油，不用水。

16Mn是结构钢低温回火，770淬火150～250回火淬火+低温回火,所得组织为回火马氏体。

其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。

淬火后低温回火。

可获得比较优良的综合性能。

（1）16Mn钢的预热处理

根据不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度

16以下不低于－10℃不预热,－10℃以下预热100～150℃；

16～24不低于－5℃不预热,－5℃以下预热100～150℃；

25～40不低于0℃不预热,0℃以下预热100～150℃；

40以上均预热100～150℃。

给定试样16Mn钢预先热处理工艺示意图：

图3（a）

图3（b）

（2）16Mn钢的退火

将组织偏离平衡状态的钢件加热到适当的温度，保温一定时间，随后缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织与性能的金属热处理工艺。

16Mn属于低合金结构钢，为低碳钢，若采用通常的完全退火，则其硬度太低，切削性能不好。

为改善切削性能，可采用高温退火，即在比通常完全退火更高的温度下加热，获得4~6级的粗晶粒，以提高切削性能。

16Mn钢属于亚共析钢，合金元素含量较低，具有良好的韧性，强度和抗冷热疲劳性能与一定的耐磨性。

温度选择为Ac3+（20~30）℃。

一般先把钢管加热到870-880度再炉冷至500度然后炉外空冷。

图416Mn退火后的显微组织

（3）16Mn钢的正火

正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃——保温——出炉空冷。

低碳钢正火的目的之一是提高切削性能。

但是对16Mn这样碳的质量分数低于的钢，即使按通常正火温度正火后，自由铁素体量仍过多，硬度过低，切削性能仍较差。

为了提高硬度，应提高加热温度（可比Ac3高100℃），以增大过冷奥氏体的稳定性，而且应该增大冷却速度，以获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体。

16Mn钢一般正火热处理,加热到560℃，保温2小时，再加热到850℃，保温3小时，炉冷。

图5正火后的显微组织

（4）16Mn钢的淬火

将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃——保温——快速冷却（大于Vk）以获得马氏体的工艺方法。

因为16Mn的含碳量太低，钢材的淬硬倾向太低，进行淬火还不如进行正火，正火后的性能会比淬火的性能更优异。

当环境温度较低时刻进行淬火处理。

（5）16Mn钢的回火

回火是将淬火后的钢重新加热到Ac1以下某一温度保温，然后冷却（一般空冷）至室温。

16Mn钢一般采用低温回火，在150℃~250℃温度下回火，得到回火马氏体。

综合硬度﹑抗弯强度﹑挠度3个主要机械性能来看，选择在180~200℃之间回火最佳，既可保持较高的抗弯强度﹑挠度，又有较高的硬度值（HRC62以上）。

在250℃回火，抗弯强度﹑挠度﹑硬度都很低。

因此，不要选择此回火温度。

图616Mn热轧回火的金相图

三、基本参数确定

进行热处理时，加热温度、保温时间、冷却方式是最重要的三个基本工艺因素，正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。

1.加热温度的选择

（1）退火温度

16Mn钢属于亚共析钢，合金元素含量较低，具有良好的韧性，强度和抗冷热疲劳性能与一定的耐磨性。

温度选择为Ac3+（20~30）℃

（2）正火温度

870℃~880℃，再炉冷至500℃然后炉外空冷。

（3）淬火温度

16Mn钢属于亚共析钢，合金元素含量较低，具有良好的韧性，强度和抗冷热疲劳性能与一定的耐磨性。

温度选择为Ac3+（30~50）℃。

因为16Mn的含碳量太低，钢材的淬硬倾向太低，一般不进行淬火处理。

（4）回火温度

低温回火：

150~250℃，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC57~60.

（5）对于16Mn钢常进行焊后热处理

表三焊后热处理参数

预热

管材壁厚≥15mm时需预热至150～200℃，

板材厚度≥30mm时需预热至100～150℃

焊

后

热

处

理

温度（℃）

600～650

壁厚（mm）

≤

~25

25~

~50

50~75

75~100

恒温时间

2h

壁厚〉28mm的构件焊后需要进行热处理。

2.保温时间的确定

通过将钢件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。

退火加热保温时间，在全部炉料到达退火温度后，保温4～6h。

回火加热保温时间为2h。

3.冷却方式

退火：

随炉缓冷至500℃，出炉空冷

淬火：

急冷

回火：

油冷之后空冷

第四章16Mn钢热处理分析

一、16Mn钢热处理后组织分析

研究热处理后的组织时，不但要参考铁碳相图，还要利用钢的TTT曲线或CCT曲线。

图7铁碳相图

铁碳相图能说明慢冷时不同碳含量的铁碳合金的结晶过程和室温下的组织以及相对量。

TTT曲线或CCT曲线则能说明一定成分的铁碳合金在不同冷却条件下的转变过程，以及转变后能得到的那些组织。

（一）16Mn过冷奥氏体转变产物分析

图8为16Mn钢的原始态及部分冷却速度下得到的转变产物的金相组织。

由图可知，16Mn钢几乎在每种冷却速度下都有且素体析出，只是铁素体形态随冷却速度不同会发生变化。

当冷却速度较慢时，其形态以块状为主,冷却速度加快时,铁素体组织细化并且出现针状形态,当冷却速度非常快（60/s,75/s）时,则以游离铁素体存在.珠光体转变大约在冷却速度低于15/s时发生,随着冷却速度的增加,珠光体组织由较粗形态珠光体过渡为较细的索氏体和屈氏体,并且数量减少.而贝氏体转变的冷却速度范围非常宽,在冷却速度为05/s时,就出现少量贝氏体,其形态似针状铁素体,冷却速度加大其针状组织变细,而且,在速度很快时以马氏体为主的显微组织里也会有少量贝氏体存在.在冷却速度大于20/s时,发生马氏体转变,其形貌主要是板条状马氏体.

（a）原始态：

（b）℃/s（c）℃/s（d）5℃/s（e）10℃/s（f）15℃/s

（g）20℃/s（h）30℃/s（i）45℃/s（j）75℃/s

图816Mn钢连续冷却转变后的金相组织

（二）16Mn钢的轧后余热热处理

金相组织：

经余热热处理的式样外表面有回火索氏体组织，是由表面快冷得到马氏体后，试样内部的热量传递到外表面对其回火所致。

其范围为～1.5mm。

其心部组织为珠光体+铁素体，与热轧态的金相组织相比，晶粒较细小，其结果见图9。

图9金相组织

（a）余热处理外层组织（b）余热处理心部组织（c）热轧态心部组织

力学性能：

由测试结果表四可见，经轧后余热热处理钢筋的强度标准好于热轧状态的强度指标。

完全符合YB13-69标准。

表四力学性能

图10沿径向硬度分布曲线

由图10可见，经轧后余热热处理的钢筋横截面上硬度比热轧状态钢筋横截面相应点上的硬度高，而且由表面到心部硬度缓慢地下降，这说明经轧后余热热处理的钢筋，具有良好的疲劳性能。

造成力学性能提高的原因是其组织的变化。

二、16Mn钢热处理后材料性能检测

（一）16Mn钢表面组织超细化研究

图11为不同深度的ＴＥＭ微观组织形貌。

结果表明16Mn钢经机械研磨处理后，其表层组织由表及里分别为纳米和亚微米晶层、微米晶层和正常基体。

纳米和亚微米晶层的厚度约30μｍ，微米晶层约50μｍ。

在纳米和亚微米层，局部的纳米晶粒尺寸由50ｎｍ至200nm大小不等（图11ａｂｃ，）大多数晶粒尺寸为亚微米在微米晶层，晶粒尺寸约为2μｍ，且均匀性较差，晶粒被明显碎化（图11d）。

图12为机械研磨处理后样品硬度沿厚度方向的变化。

可以看出，表面机械研磨处理后，样品表面的硬度明显增大，并随着深度的增加而逐渐减小。

在机械研磨的过程中，弹丸与试样表面之间的碰撞，使试样表面产生强烈的塑性变形，表层晶粒被碎化，随着深度的增加，由于作用力的减小，晶粒的变形量减小，故试样表层晶粒尺寸由表里逐渐增大。

另外，由于研磨过程中，弹丸碰撞方向和作用点都在不断地变化，经过反复碰撞后，样品表面附近原晶粒的变形

方向和变形量都存在一定的差异，造成近表面层组织局部不均匀，局部达到纳米尺度，而有的区域晶粒仅为亚微米级。

图11经机械研磨处理的16Mn钢表层由表及里不同深度的ＴＥＭ微观组织形貌（a、b、c－纳米和亚微米晶层；d－微米晶粒层

图12机械研磨处理后样品由表及里不同深度的硬度变化

结论：

（１）16Mn钢经机械研磨处理后，表层组织由表及里依次为纳米和亚微米晶层、微米晶层和正常基体。

（２）机械研磨处理使16Mn钢的表面得到明显强化，表层硬度远远高于内部基体的硬度。

（二）16Mn钢的高温强度试验

钢材高温力学性能试验所需的设备应包括加载、加热和温度控制以及数据量测和记录等3个系统。

该试验在一台型号为WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机上进行,试验机最大加载能力为1000kN,控制精度为±1%。

试验机配备有TL-1000筒式高温炉,炉室直径80mm,恒温区长度为350mm，最高升温1000℃,控温精度为±1℃。

变形的量测采用电子引伸计,测量标距500mm,最大量程为25mm,精度%。

实验设备如图13。

测量装置如图14所示。

图13实验设备图14变形测量仪器

恒载加温试验结果及分析：

恒载加温试验中由于应力保持不变,试验只能参考变形—时间曲线图,试验中某一温度下临界荷载的判断标准为试验过程中试件的变形速率突然变大或者持续变大,此时所施加的荷载即为临界荷载。

图15～图18分别为对应600、500、400、300℃时不同荷载水平下的变形—时间曲线图。

图15600℃恒载加温不同荷载水平下的变形-时间曲线

图16500℃恒载加温不同荷载水平下的变形-时间曲线

图17400℃恒载加温不同荷载水平下的变形-时间曲线

图18300℃恒载加温不同荷载水平下的变形-时间曲线

图15中600℃恒载加温试验荷载水平为0130时,试验达到目标温度后试件的变形速率不发生改变。

荷载水平为0135时,试件在整个试验过程中变形速率越来越大。

图16中500℃恒载加温试验荷载水平为0150时,试验达到目标温度后试件的变形速率没有发生大的改变。

图17中400℃恒载加温试验荷载水平为0155时,变形速率逐渐变小,而荷载水平为0160时,试验达到目标温度后试件的变形速率突然变大。

同样图18中300℃恒载加温试验荷载水平为0170时,变形速率逐渐变小,而荷载水平为0175时,试验达到目标温度后试件的变形速率也突然增大。

依据判断标准,该批次16Mn钢在600℃时恒载加温的临界荷载水平0130;500℃时恒载加温的临界荷载水平为0150;400℃时恒载加温的临界荷载水平为0155；300℃时恒载加温的临界荷载水平为0170.

恒温加载试验结果及分析：

将恒温加载试验记录的应力-应变数据进行适当的处理:

由应变仪测量的变形是标距500mm长试件的变形,但实际上标距内试件的温度不是一个标准的恒温区间,假设中间标距为350mm长的试件是恒温区,两端近似考虑为常温,以此处理应变数据,取其条件屈服强度值,分别为f011、f012、f015、f110、f115和f210。

用条件屈服强度除以该批次钢材常温屈服强度便得到高温强度折减系数。

表五恒温加载条件下屈服强度折减系数值

各次试验不同温度条件下屈服强度的折减系数如表五所列。

将每一温度水平下3次试验的结果取平均值得表六。

表六恒温加载条件下平均屈服强度折减系数值

从表五试验数据结果看出,每个温度水平下的3次试验结果基本相同,说明试验重复性比较好。

从表六可知,屈服强度折减系数随温度的升高而降低,600℃下f011降为常温下强度的33%,f015降为常温下强度的50%左右,试验结果数据与国外一些规范有一定的差异。

图19为根据表六分析数据绘制的曲线图。

图19恒温加载条件下屈服强度折减系数随温度的变化曲线

（三）碳、锰元素对等温转变的影响

碳不论在钢或铸铁中均为主要的基本元素;当含碳量超过1.2%以上时会使过剩碳化物的数量增多，并使它们的尺寸增大;但是碳化物在组织中分布得越来越不均匀，甚至沿晶粒边界会出现碳化物定向的缺陷，这就使机械性能变坏。

所以，为了改善其机械性能，选择了等温退火处理。

图20C、Mn元素对HIT曲线的影响

图20表明，提高碳量由于增大了奥氏体中碳的过饱和度，合金的孕育期缩短，碳化物的析出倾向增大，同时由于C的析出，非均质晶核增加，促进奥氏体向珠光体转变，所以提高碳量使转变曲线左移。

Mn的影响如图（b）所示。

Mn量增加，合金的临界温度下降，奥氏体更趋稳定；同时奥氏体的溶碳能力提高，因而使合金的转变孕育期延长，转变温度下降，使等温转变曲线向右下方移动。

（四）钢在热处理后常见的缺陷

（1）带状组织：

是亚共析钢中先析出铁素体，分别沿着压力加工方向呈带状交替分布，显微镜下形成黑白交替的带状组织。

（2）脱碳：

在氧化介质中，刚进行长时间加热，表面就会脱碳，表面上几乎全由单一的铁素体组成。

（3）过热、过烧：

钢在加热时形成粗大奥氏体晶粒的现象称为过热；过烧指加热温度过高，不仅奥氏体晶粒粗大，且在奥氏体晶界处产生氧化甚至局部熔化的现象。

（4）魏氏组织：

先共析片状铁素体或先共析片状渗碳体。

（5）淬火裂纹：

淬火冷却时形成的拉应力超过材料微裂纹扩展所需临界应力时形成的宏观裂纹。

第五章设计与心得体会

在本学期期末开始金