毕业论文设计45钢热处理工艺及组织性能研究.docx
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毕业论文设计45钢热处理工艺及组织性能研究
诚信声明
本人郑重声明：
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月日
毕业设计任务书
设计题目：
45钢热处理工艺及组织性能研究
系部：
机械工程系专业：
材料成型及控制工程学号：
112018119
学生：
指导教师（含职称）：
（副教授）
1．课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，运用所学过的金属学及热处理等专业知识，了解45钢的概况；熟悉45钢的热处理工艺方法；认识45钢热处理前后金相组织；找出热处理对45钢组织和力学性能的影响规律，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。
2．主要任务
（1）制定45钢热处理工艺，进行热处理实验。
（2）制备金相试样，观察分析45钢热处理前后的显微组织。
（3）测定45钢热处理前后力学性能，包括拉伸性能、硬度、冲击韧性等。
（4）分析热处理工艺、组织结构与力学性能之间的关系。
（5）撰写毕业论文。
结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。
3．主要参考资料
[1]赵琳.45钢热处理工艺及其组织性能[J].机械工程与自动化，2012，（05）：
203-204.
[2]李文学，李国成，李忠民，等.45钢热处理工艺和化学成分与性能之间关系分析[J].物理测试，1996，（05）：
12-14.
[3]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京，机械工业出版社，2007：
230-308
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献，了解研究目的意义，制定实验方案
3月3日~3月23日
2
完成热处理实验
3月24日~4月13日
3
完成试样制备及显微组织观察
4月14日~5月4日
4
完成力学性能测定及实验结果分析
5月5日~6月1日
5
完成撰写及答辩工作
6月2日~6月22日
审核人：
2014年12月15日
45钢热处理工艺及组织性能研究
摘要：
本次实验通过不同的热处理工艺研究了45钢的组织性能。
本次实验的热处理工艺从两方面进行对比分析：
一方面，在相同加热温度并且在不同冷却条件下对45钢调质处理组织性能的影响。
另一方面，在相同加热温度并且在不同保温时间对45钢调质处理组织性能的影响。
即在普通调质工艺的基础上，采用零保温淬火的新工艺。
另外，为了了解其他热处理工艺对45钢性能的影响，本实验除了调质处理外，还增加了相同加热温度下的正火，以探究在正火条件下对45钢性能的提升程度。
不做处理的设为对照组。
结果表明：
在加热温度一定的情况下，正火在不做处理的基础上组织更加均匀，综合力学性能有较大的提升。
在调质处理中，水淬调质和油淬调质对45钢的不同力学性能都有较好的提升，但是水淬调质处理对于材料的综合力学性能较优。
在调质处理不同保温时间下，零保温新工艺较普通调质工艺对材料的性能影响相当，但是新工艺更经济、更节约、更有效率。
关键词：
45钢，热处理，组织性能
45steelheattreatmentprocessandorganizational
Performanceresearch
Abstract：
Thisexperimentstudiedthemicrostructuresandpropertiesof45steelthroughdifferent heattreatmentprocess.Theexperimentwasanalyzedfromtwoaspects:
Ontheonehand,inthesameheatingtemperatureandunderdifferentcoolingconditionsquenchingandtemperingof45steelaffecttheperformanceoforganization.Ontheotherhand,inthesameheatingtemperatureandunderdifferentheatpreservationtimequenchingandtemperingof45steelaffecttheperformanceoforganization.Mean:
onthebasisofordinaryquenchingandtemperingtreatment,experimentsusezeroheatpreservationforquenchingtechnologycallednewtechnique.Inaddition,inordertolearnotherheattreatmentprocessabouteffectonthepropertiesof45steel,thisexperiment,inadditiontoquenchingandtempering,alsoincreasednormalizinginthesameheatingtemperaturesoastoexplorethepropertiesof45steeldegreeofascensionunderthenormalizedconditions.Doesn’tdoheattreatmentexperience’ssamplesetasacontrolgroup.
Resultsshowthatundertheconditionofthesameheatingtemperaturenormalizingmakethecomprehensiveperformanceof45steelhavealargerascensionandmaketheorganizationof45steelmorewell-distributed.Inthequenchingandtemperingtreatment,waterquenchingandtemperingandoilquenchingandtemperingmakedifferentmechanicalpropertiesof45steelhaveabetterimprovement,butthewaterquenchingandtemperingtreatmentformaterialhasabettercomprehensivemechanicalproperties.Inthequenchingandtemperingtreatmentunderdifferentheatpreservationtime,newtechniqueofzeroheatpreservation doesnothavemoreadvantagethanordinaryquenchingandtempering.But,thenewtechniqueismoreeconomic,moreeconomical,andmoreefficient.
Keywords：
45steel,heattreatment, microstructuresandproperties
1绪论….….….….….….….….….….….….….….….….….….….…1
1.145钢研究的目的及意义….….….….….….….….….….….….….…....2
1.245钢国内外研究进展说明….….….….….….….….….….….….….….2
1.3本次论文研究内容….….….….….….….….….…….….….….….…..3
1.4本章小结….….….….….….….….….….….….….….….….….…....4
2实验过程….….….….….….….….….….….………………….….….….5
2.1本次实验研究方案的制定….….….….…....….….….….….….….…...5
2.1.1实验设备.….….…..….….…..….….…..….….…..….….….……5
2.2本次实验涉及的热处理工艺.….….….….….….…….….….….….…..6
2.2.145钢的退火.….….….….….….….….….….….….….….…………..6
2.2.245钢的正火.….….….….….….….….….….….….….….…………..6
2.2.345钢的调质.….….….….….….….….….….….….….….…………..7
2.3金相试样的制备.….….…..….….…..….….…..….….…..….….….7
2.3.1实验设备….….….….….….….….….….….….….….….….….….8
2.3.2实验材料….….….….….….….….….….….….….….….….….…..8
2.3.3实验步骤….….….….….….….….….….….….….….….….….…..8
2.4本章小结….…….…….…….…….…….…….…….…….…….….……..8
3实验结果与分析….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…10
3.145钢热处理前后试样的组织观察和分析…………………………………….10
3.1.1实验设备….…….…….…….…….…….…….…….…….…….……..10
3.1.2实验材料….…….…….…….…….…….…….…….…….…….……..10
3.1.3实验结果….…….…….…….…….…….…….…….…….…….……..11
3.245钢热处理前后试样的硬度测定和分析.….….….….….……………….15
3.2.1实验设备.….….….….….….….….….….….….….….……………15
3.2.2实验材料.….….….….….….….….….….….….….….……………16
3.2.3实验数据.….….….….….….….….….….….….….….……………16
3.345钢热处理前后试样的拉伸性能测定和分析….….….……...….….…...16
3.3.1实验设备.….….….….….….….….….….….….….….……………17
3.3.2实验材料.….….….….….….….….….….….….….….……………17
3.3.3实验数据.….….….….….….….….….….….….….….……………18
3.445钢热处理前后的冲击功测定和分析.….….…….….…….…...……....28
3.4.1实验设备….….…….….…….….…….….…….….…….….…….…28
3.4.2实验材料….….…….….…….….…….….…….….…….….…….…28
3.4.3实验步骤….….…….….…….….…….….…….….…….….…….…29
3.4.4实验数据….….…….….…….….…….….…….….…….….…….…29
3.5本章小结.….….….….….….….….….….….….….….……………...30
4结论………….….…….….…….….…….….…….….…….….………...31
参考文献…….….………….….………….….………….….………….….…..32
致谢…….….………….….………….….………….….………….….……..34
1绪论
材料是社会发展的物质基础和社会进步的标志。
材料大致可以分为五大类：
金属材料、高分子有机材料、无机非金属材料、复合材料和新材料。
材料的使用在社会生产生活中占有很大的比重，这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。
现今材料的品种、性能和经济性以成为衡量一种材料能否广泛使用的标准。
而45钢就是最为使用广泛的材料之一。
钢材一直从铁器时代沿用至今，其在工业发展中有巨大的重要性。
钢材是合金机构材料中最为主要的，45钢是最常使用的钢材之一，由于其综合性能较好，广泛用于机械、医疗和日常生活等各个领域。
尤其是在机械制造方面，广泛用于各种重要的结构零件，比如那些在交变负荷下使用的连杆、螺栓、汽车拖拉机半轴和柴油机零件等。
因此，研究钢的热处理对改进钢的性能有积极的影响和重要的意义，钢材热处理方面的探索和研究必将推动工业的发展以及社会的进步。
在21世纪经济全球化的今天，钢材热处理工艺必然产生新的工业革新和工业化大潮。
在实际生产过程中，人们需要各种不同性能的钢材，仅凭原始材料的性能已经满足不了实际生活中的要求。
比如，为了便利切削加工就需降低或提高硬度要求，以便节约或保护刀具和提高劳动效率；为了延长使用寿命和为使零件能够在腐蚀环境中工作，就要求材料具有较高的硬度和耐腐蚀性等。
为满足这些条件，除了选用合适的材料之外，还必须进行的能提升性能的热处理，才能使用材料满足需求。
总而言之，热处理在机械制造加工业中占有十分重要的地位[1]。
纵观钢铁的历史发展长河，钢铁性能的提升与热处理有着紧密的联系。
45钢是使用较为广泛的钢材之一，通过热处理工艺提升其性能因此具有重要的实践意义。
45钢是优质碳素结构钢，用作连杆、螺栓螺钉、汽车拖拉机半轴和柴油机零件等[2]，其化学成分如表1.1。
表1.145钢化学成分[2]
元素
C
Mn
S
P
Si
含量％
0.4~0.5
0.5~0.8
≤0.45
≤0.45
0.17~0.37
各国类似钢种牌号如表1.2。
表1.2不同国家45钢号对照表[2]
国
别
中国
GB
日本
JIS
联邦德国DIN（W-Nr）
美国
ASTMAISISAE
英国
BS
法国NF
苏联TOCY
国际
ISO
钢
号
45
S45c
c45（1.0503）
1045
1045
1045
060A47
XC45
45
R683/
IC45e
-
-
ck45（1.1191）
1046
1046
1046
080A47
-
-
-
-
-
cm45（1.1201）
-
-
-
080M46
-
-
-
1.145钢研究的目的及意义
找到提高其综合力学性能的方法，进而为与其相关的各个行业的发展做铺垫。
而45钢的性能与其显微组织直接相关，所以对其显微组织的研究将是本课题的重中之重。
热处理工艺除了一方面能提高零件的使用性能外，而且还可以改善工件的综合力学性能，延长零件的使用寿命以及提高加工质量等。
为了掌握什么样的热处理工艺条件下对45钢综合性能提升影响最大，必须通过相互对比、分析得出。
因此在不同的热处理条件下，热处理后试样的各方面性能对比分析也是本次实验研究的重点方面。
本课题主要是研究普通热处理工艺对45钢组织性能的影响，常用的热处理工艺主要有正火、淬火、回火等。
加热温度、保温时间、冷却速度等是影响其热处理工艺的主要因素。
所以，本课题主要通过普通热处理方案进行试验设计得到相关数据并进行分析，以获得有用的结论。
1.245钢国内外研究进展说明
1999年，尤显卿教授综合论述了如何正确制定45钢热处理工艺，防止淬火开裂[3]。
2004年在退火工艺方面，刘爱国、李杰工程师通过对优质碳素钢45钢球化退火工艺的分析和研究，找出影响45钢球化的主要因素，改进了退火工艺，提高了45钢球化合格率，满足了用户需求[4]。
2007年在机械制造行业，樊晓燕谈及了钢的热处理，论述了当今热处理对机械零件和工模具制造行业的重要性以及目前的热处理工艺[5]。
同年边晋荣工程师就45钢热处理淬火裂纹控制[6]进行了研究实验，对淬火裂纹产生的原因以及处理方案等进行分析和改进，认为在生产过程中要灵活运用，具体问题具体分析。
2007年上海交通大学的徐祖耀院士就近年来发展的钢的热处理新工艺-淬火和分配（Q-P）处理为基础，提出淬火-分配-回火（Q-P-T）工艺[7]。
2012年，赵琳工程师通过实验分析45钢短轴得出通过正火、淬火、中温回火等热处理工艺，改变了45钢的内部组织，从而改变其性能，使材料具有了优良的综合机械性能和良好的切削加工性能[8]，不仅改变了表面耐磨性，而且工件中心部分也得到了较高的韧性，满足使用要求。
2013年，在工艺性能研究方面，刘孜文在对45钢的热处理研究中通过对组织与性能研究认为热处理方式不同对应组织也不相同，性能也随之变化[9]。
2014年，在淬火工艺过程中，裴广州副工程师研究了45钢的热处理工艺，通过亚淬火降低钢的脆性转变温度，可以相应地抑制钢的可逆回火脆性[10]。
另外与普通45钢淬火相比，亚淬火更能较好的提高钢的力学性能。
2006年，IzabelFernandaMachado在对钢材的热处理方面有一些新的技术进步，研究电源电压对材料热处理的影响[11]。
1.3本次论文研究内容
45钢为优质碳素结构用钢，硬度不高且易切削加工。
45钢在淬火后没有回火前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。
GB/T699-1999标准规定了45钢的一些性能，其中抗拉强度为600Mpa，屈服强度为355MPa，伸长率为16%，断面收缩率为40%，冲击功为39J等。
45钢由于冷却速度改变而形成的不同组织结构进而影响其机械性能。
意思就是说，在铁碳合金相图中最高硬度的获得是由一种叫做马氏体转变的非扩散性转变决定；最低硬度是由一种叫做珠光体和铁素体的扩散性共析转变决定[12]。
不管是在平衡点附近快速冷却获得的马氏体还是缓慢冷却获得的铁素体都是从奥氏体转化而来的，因此其组织性能和力学性能都与其热处理工艺有关。
45钢性能的改变取决于热处理工艺的改变，因此对热处理工艺具有主要的研究意义。
目前，正火、淬火和回火是45钢主要采取的热处理工艺。
GB/T699-1999标准中规定将850℃正火、840℃淬火、600℃回火作为45钢热处理的制度。
随着热处理工艺参数的改变对45钢热处理后的组织和性能产生影响。
在合适的温度下，正火时可得到珠光体和铁素体，而淬火和回火得到的是马氏体的回火组织。
随着加热温度、保温时间、冷却速度等的改变，热处理后得到的组织不同主要集中在组织粗细和类型两大类。
显微组织较细，有较好的综合性能。
因此，显微组织类型是决定其综合力学性能的直接因素。
例如，有较高的强度、硬度的为马氏体，而塑性、韧性较好则为珠光体。
1.4本章小结
本章主要从45钢的研究现状和本次实验的目的、意义等方面进行基本的介绍。
研究现状主要从45钢的成分、性能、当前的热处理及国内外研究进展进行说明，而实验目的和意义则引出了本次实验的进行。
本次实验主要从热处理工艺方面入手，对热处理工艺进行改进，控制变量，进行对比分析，得出有用的、具有实用价值的结论。
2实验过程
影响45钢力学性能的最主要的因素为45钢的组织，故组织分析具有重要的研究意义。
45钢组织随着热处理方式的不同有较大的差异，对其性能也就产生较大的差异。
近年来，即使热处理工艺有了长足的进步，但仍需不断的研究探索，不断更新，必将在不久的未来产生新的研究成果！
本次实验主要通过热处理过程中的两大因素：
保温时间和冷却方式进行对比分析实验。
2.1本次试验研究方案的制定
本次实验拟采用三种类型的试样：
圆柱形试样（5个）、带切口的标准冲击试样（5个）、标准拉伸试样（5个），然后将每种试样分为一组，根据不同工艺分为ABCDE五组。
其中圆柱形试样是用来制备金相试样和硬度测定，带切口的冲击试样用来测定冲击功，标准拉伸试样用来测定拉伸性能。
现拟热处理工艺方案如下表2.1所示。
表2.1热处理实验工艺方案
名称
工艺
A组
不做热处理（对照组）
B组
正火：
840℃保温20min空冷
C组
淬火：
840℃保温20min水淬
回火：
600℃保温25min空冷
D组
淬火：
840℃保温20min油淬
回火：
600℃保温25min空冷
E组
淬火：
840℃保温0min水淬
回火：
600℃保温25min空冷
2.1.1实验设备
本次热处理实验采用型号为SX-5-12B的电阻炉。
如下图2.1所示。
图2.1型号为SX-5-12B的电阻炉
2.2本次实验涉及的热处理工艺
2.2.145钢的退火
退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺[13]。
在机械制造行业，退火常作为工件制造过程中的预备热处理工序。
其主要目的是：
（1）均匀钢的化学成分及组织结构。
（2）细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化。
（3）为淬火做好组织准备。
2.2.245钢的正火
正火是将钢加热到Ac3（或Accm）以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺[13]。
正火的主要应用范围：
（1）作为低碳钢和某些低合金钢、锻件的预备热处理以消除应力、细化晶粒、改善切削加工性能和淬火前的准备。
（2）消除过共析钢的网状碳化物，以便于球化退火。
（3）消除中碳结构钢铸件、锻、轧件以及焊接件在热加工过程中较易出现魏氏组织、粗大晶粒、带状组织等缺陷。
（4）作为某些结构件的最终热处理。
2.2.345钢的调质
习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称之为调质处理[13]。
经过调质处理后，钢具有了优良的综合力学性能以满足如发动机曲轴、连杆、汽车半轴、机床主轴及齿轮等机器零件在使用过程中要求具有较高的强度以及承受较强的冲击和交变负荷的作用。
淬火是将钢加
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