16Mn钢热处理课程设计汇本Word文件下载.docx

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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、设计容与基本要求

设计容：

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Gr.50（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0.16%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1.20-1.60%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。

16Mn钢属于碳锰钢，碳的含量在0.16%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）

0.13～0.19

0.20～0.60

1.20～1.60

≤0.30

磷

（P）

硫

（S）

镍

（Ni）

铜

（Cu）

≤0.030

≤0.25

四、16Mn物理力学性能

16Mn密度为7.85，16Mn钢板密度为7.85.

16Mn低合金钢管是低合金高强度结构钢：

Mn含碳量为0.1%-0.25%,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将试样加热至此温度），保温15min。

分别以13种不同的冷却速度（0.1～75℃/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