T10钢热处理工艺及组织性能研究.docx
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T10钢热处理工艺及组织性能研究
T10钢热处理工艺及组织性能研究
任务书
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T10钢的概况；熟悉钢T10的热处理工艺方法；认识T10钢热处理前后金相组织；找出热处理对T10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T10钢热处理工艺，进行热处理实验。
（2）制备金相试样，观察分析T10钢热处理前后的显微组织。
（3）测定T10钢热处理前后力学性能，包括硬度、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]王学前，贺毅.高碳钢快速球化退火工艺的研究[J].热加工工艺，2002，
（1）：
32-33.
[2]沈晓钧.工具钢的热处理[J].铸锻热———热处理实践，1994，
（2）：
4-17.
[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
T10钢热处理工艺及组织性能研究
摘要：
本次研究的主要内容是退火态T10钢的热处理工艺及其组织性能的研究。
通过观察经过不同预先热处理的退火态T10钢试样的显微组织，以及测量其洛氏硬度、冲击韧性等，分析了不同预先热处理的T10钢试样的组织性能和力学性能。
结果表明，正火+等温球化退火为退火态T10钢的最佳预先热处理工艺；不同预先热处理所得到的组织效果会遗传到最终的组织中；预先热处理为正火+普通球化退火和等温球化退火的退火态T10钢试样，经过水淬和低温回火后，发生了脆性转变。
关键词：
T10钢，热处理，显微组织，力学性能
Researchingheattreatmentprocessand
microstructurepropertiesofT10steel
Abstract：
ThemaincontentofthisstudyisresearchingtheheattreatmentprocessandmicrostructureoftheannealedT10steel.ThemicrostructureandmechanicalpropertiesofT10steelsampleswithdifferentadvanceheattreatmentwerestudiedbyinspectingmicrostructureofannealedT10steelsampleswithdifferentadvanceheattreatmentandmeasuringthehardnessandtoughnessofannealedT10steel.Theresultsshowthatthebestadvanceheattreatmentprocessisnormalizing+isothermalspheroidizingannealing.itwillbeinheritedinthefinaltissuethatistheeffectofthetissueobtainedbydifferentadvanceheattreatment.thebrittletransitionoccursintheannealedT10steelsampleofadvanceheattreatmentisnormalizing+ordinaryspheroidizingannealingorisothermalspheroidizingannealingafterwaterquenchingandlowtemperaturetempering.
Keywords:
T10steel,heattreatment,microstructure,mechanicalproperties
1.3研究内容........................................................................................................................2
3.1显微组织分析..............................................................................................................26
3.2力学性能分析..............................................................................................................28
3.2.1硬度分析...................................................................................................................28
3.2.2冲击韧性分析...........................................................................................................29
1前言
1.1研究目的及意义
我国钢铁行业发展迅猛，但也不是一帆风顺的，它也面临着很多的挑战，需要不断地创新科技，不断地提高产品质量。
同时对加工所用的机器设备也需要不断的改进。
以便提高生产效率。
但是无论前者还是后者，我们都应该先对材料有一些具体了解，这样我们在发展上才能有实质性的进步。
在当今社会，钢铁是我们不可或缺的一种材料，虽然大量的科研人员已经研究出许多在某些性能上和钢铁相似的一些材料，在一定方面上取代钢铁，但仍不能否认钢铁在人类生活中的重要性。
但钢铁是不可再生资源，它总有用完的一天，我们不能放弃使用它，因此只能有效的运用它。
这样就需要我们做大量的研究和试验，来更加具体的了解钢铁的特性，让它发挥更大的效用，更加有效的实现它的价值。
碳素工具钢是指碳含量为0.65%至1.35%的高碳钢[1]。
因为其价格便宜，低廉且冷热性能好，热处理工艺简单，热处理后硬度较高，切削热也不大，具有较好耐磨性，所以在生产上，碳素工具钢获得了广泛的应用。
碳素工具钢在淬火后，其硬度可以达到62~65HRC。
含碳量对于淬火并且配合低温回火的钢来说，含碳量对其强度、塑韧性有很大影响。
随着含碳量的增加，钢材经过热处理以后，产生的碳化物越多，材料越脆，以致塑韧性下降。
因此，含碳量不同，钢的性能也不同，运用的方面也不同。
T10钢作为一种常见的碳素工具钢，韧度适中，价格便宜，生产工艺简单，且运用广泛，常被用作冲击小，强、硬度高的工具，如车刀、拉丝模、丝锥、冲子、冲孔模、拉丝模、纸品下料模、塑料成型模具等。
通过这次毕业设计，学会查阅相关资料，制定有针对性的T10钢的热处理工艺，从而找出变量对T10钢显微组织和力学性能的影响规律，最终提出优化方案，为T10钢热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。
1.2国内外研究现状
1990年邓承轩等通过研究发现原始组织为片状珠光体加网状渗碳体的T10高碳钢，高温奥氏体后经不同方法处理，可以得到二种崭新的组织形态---板条状下贝氏体和板条状马氏体，它们虽同是板条状，但有本质的不同，前者250℃～MS点间形成，为两相组织，其中Fea（C）相的亚结构为孪晶，后者为MS点以下形成，为单相组织，亚结构为位错[2]。
1991年周曼娜等通过探讨固溶温度度对T10钢碳化物细化程度的影响，提出T10钢的最佳热处理工艺为980℃加热，油冷，640℃回火，再经770℃淬火，170℃回火。
结果表明，细化处理后，使碳化物尺寸由2.8μm细化为0.5μm，且形状圆整，分布均匀，奥氏体晶粒度由8级细化到10级，从而使材料在保持高强度、高硬度情况下，塑性、韧性显著提高[3]。
1994年沈晓钧介绍了国内外发动机曲轴表面化学热处理强化的一些情况[4]。
自70年代末引进了多种内燃机产品，由此推动了内燃机材料、工艺技术和工艺装备的发展。
但是目前国内引进曲轴进行表面处理化学热处理设备还不多，技术门类也有限[4]。
2002年王学前等通过对高碳钢传统球化退火理论与技术的分析，提出了Aclf温度透烧的奥氏体化新工艺，并结合生产现场设备及退火质量的检测,制定出相适应的快速球化退火工艺，不仅提高了球化的质量,改善了机械加工性能，还使球化加热时间缩短到原工艺的25%～30%，球化缓冷到680℃的时间缩短了50%[5]。
2005年吴小娟通过对球化退火的理论和工艺的研究，制定出T10钢奥氏体化温度Ac1透烧的快速球化退火新工艺，使球化加热的保温时间缩短到原工艺的1/4[6]。
2011年蒋涛等探讨了含碳量、淬火温度、冷却速度、回火温度对碳钢组织和硬度的影响[7]。
2014年郝琳等对刃具钢、模具钢、量具钢这三类工具钢的热处理工艺进行阐述，分析了不同工具钢的热处理工艺的关键，为生产生活提供参考依据[8]。
1.3研究内容
本次研究的主要内容为T10钢的热处理工艺及组织性能研究，通过对经过不同预备热处理的T10钢的微观组织分析及力学性能分析，探寻在热处理过程中，不同预先热处理对钢的组织及性能的影响规律，在此研究基础上，对现在实际生产中的一般热处理工艺进行优化，以达到最好的效果。
2试验过程
2.1热处理试验
2.1.1试验原理
热处理通常分为3步进行：
加热、保温和冷却。
钢的热处理过程是把钢加热到临界温度以上，进行转变，转变完成后通过水冷、空冷或者油冷的方式冷却，来获得自己所需要的显微组织和力学性能。
加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀化程度、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中碳化物等过剩相的数量和分布状况，直接影响钢在冷却后的组织性能。
图2.1是铁碳合金相图。
图2.1铁碳合金相图
将钢加热到AC1以上温度时，组织由珠光体转变为奥氏体，这种转变我们称为奥氏体转变或奥氏体化[9]。
奥氏体转变分4个步骤进行：
奥氏体形核、奥氏体长大、残余渗碳体溶解、奥氏体均匀化。
如图2.2所示。
图2.2奥氏体形成过程示意图
在热处理中，钢奥氏体化后冷却，通常有两种冷却方式：
等温冷却和连续冷却。
如图2.3。
冷却的方式不同，得到的组织也不同，最终材料的性能也不同。
奥氏体在临界温度以上时，组织是稳定的，不会转变，但是冷却到临界温度以下时，组织不稳定，会发生分解转变。
冷却的方式不同，转变的组织也不同，有珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变[10]。
过冷奥氏体等温转变图即C曲线如图2.4。
图2.3过冷奥氏体的冷却方式
1-等温冷却2-连续冷却
（c）
）
图2.4过冷奥氏体等温转变图
（a）亚共析钢（b）共析钢（c）过共析钢
在冷却过程中，温度在A1~550℃之间，奥氏体转变为珠光体，这种珠光体是铁素体F和渗碳体Fe3C的混合物，这种转变我们称为珠光体转变[11]。
珠光体转变属于扩散型相变。
珠光体转变的过程也可看做为形核和长大的过程，冷却时，当温度低于A1时，随着温度的降低，奥氏体对碳的溶解度降低，碳析出，渗碳体通过吸收奥氏体析出的碳而长大。
这个过程如此反复进行，最终，奥氏体转变为了含碳量低、溶碳能力低的铁素体和通过吸收碳长大的渗碳体。
在珠光体转变中，随着温度由A1降到550℃，组织越来越紧凑，片间距越来越小。
根据这种变化，我们将珠光体转变中的组织分为3种，如表2.1。
这三种组织其实都是珠光体，只是组织中的片间距不同，为了区分，我们进行了细化。
随之温度的降低，组织间的片间距越小，硬度越高[12]。
表2.1珠光体转变中的组织
序号
1
2
3
名称
珠光体
索氏体
屈氏体
符号
P
S
T
形成的温度区间
A1～650℃
650℃～600℃
600℃～550℃
显微镜
500倍的光学显微镜
1000倍的光学显微镜
电子显微镜
片层
较厚
较薄
极薄
硬度
最小
中间
最大
珠光体转变的过程也可看做为形核和长大的过程，冷却时，当温度低于A1时，随着温度的降低，奥氏体对碳的溶解度降低，碳析出，渗碳体通过吸收奥氏体析出的碳而长大。
这个过程如此反复进行，最终，奥氏体转变为了含碳量低、溶碳能力低的铁素体和通过吸收碳长大的渗碳体。
奥氏体快冷到550℃～Ms之间，转变为贝氏体，贝氏体是由铁素体F和渗碳体Fe3C混合组成，这种转变我们称为贝氏体转变。
贝氏体转变属于半扩散转变。
贝氏体转变过程中，温度较低，共有两个转变过程，一个是铁原子通过共格切变的方式迁移，另一个是碳原子短距离的扩散，所以贝氏体转变属于半扩散型相变[13]。
当温度在550℃～350℃之间时，铁素体平行生长，伸长，变宽，碳原子在奥氏体间集中聚集，最终奥氏体转变完成，形成上贝氏体。
如图2.5（a）。
当温度在350℃～Ms之间时，温度较低，碳原子只能短程的扩散，因此，会在晶面上断续的小片析出，铁素体生长成针状，最终形成下贝氏体。
如图2.5（b）。
在贝氏体转变中，随着温度的降低，渗碳体的分布也不同，其组织形貌也有很大差异，由此，我们将贝氏体转变中的组织分为2种，如表2.2。
图2.5贝氏体组织示意图
（a）上贝氏体（b）下贝氏体
表2.2贝氏体转变中的组织
序号
1
2
名称
上贝氏体
下贝氏体
符号
B上
B下
形成的温度区间
550℃～350℃
350℃～Ms
机械性能
很差
优良
脆性
大
小
强度
低
高
塑韧性
差
良好
实用价值
基本没有
常用于生产上
奥氏体快冷到Ms~Mf之间，组织转变形成马氏体，这种转变我们称为马氏体转变。
钢中的马氏体有2种基本形态：
板条状马氏体和片状马氏体，其显微组织示意图如图2.6。
图2.6马氏体组织示意图
（a）板条状（b）片状
表2.3珠光体、贝氏体、马氏体转变的特点
珠光体转变
贝氏体转变
马氏体转变
转变温度
A1~550℃
550℃～Ms
Ms~Mf
领先相
渗碳体
铁素体
组成相
两相组织
a-Fe+Fe3C
两相组织
＞350℃，a-Fe（C）+Fe3C
＜350℃，a-Fe（C）+FexC
单相组织
a-Fe（C）
共格性
无
有
有
扩散性
铁、碳扩散
碳扩散，铁不扩散
无扩散
合金元素
扩散
不扩散
不扩散
马氏体转变中，原组织奥氏体的晶粒越大，转变后的马氏体片越大，显微裂纹也越多，裂纹多了，其脆性也就增大了，这样在内应力作用下，工件开裂的几率增大了，
工件的疲劳寿命也降低了。
随着碳含量的增多，Ms、Mf点降低。
由此可见，冷却速度一样的情况下，含碳量越高，残余奥氏体越多。
而在Ms~Mf之间奥氏体和马氏体是共存的，在Mf点以下，马氏体转变停止，马氏体转变停止后，没有进行转变的奥氏体最终留在钢中，这种奥氏体称为残余奥氏体。
马氏体转变属于无扩散性转变。
珠光体、贝氏体、马氏体转变特点的比较如表2.3。
2.1.2试验过程
本次试验所用的材料为退火态T10钢，是一种含碳量约为1%的高碳钢，硬度小于197HBW，其化学成分见表2.4，它的导热率如表2.5。
它的组织成分为珠光体和渗碳体（P+Fe3C，P
F+Fe3C），由于含碳量比较高，组织P中含有硬而且脆的二次渗碳体，因此其性能是塑性差，强度低，硬度高。
其发生组织转变的临界温度，如表2.6。
表2.4T10钢的化学成分
成分
C
Si
Mn
S
P
含量（%）
0.95~1.04
0.35
0.40
0.030
0.035
表2.5T10钢的临界温度
临界点
Ac1
Acm
Ar1
近似温度/℃
730
800
700
表2.6T10钢的热导率
温度/℃
20
100
300
600
900
热导率λ/W·（m·K）-1
40.20
43.96
41.03
38.10
33.91
进行热处理所用的仪器为SX-5-12B箱式电阻炉，如图2.7。
试验所采用的五种热处理工艺方案：
方案一为未经热处理的试样（供货态）。
方案二为830℃正火，保温30min，空冷+760℃球化退火，保温10min，冷至690℃，保温60min，炉冷至600℃，再出炉空冷+770℃淬火，保温10min，水冷+190℃回火，保温1h，空冷。
方案二热处理工艺曲线如图2.8。
方案三为830℃正火，保温30min，空冷+760℃球化退火，保温10min，炉冷至600℃，再出炉空冷+770℃淬火，保温10min，水冷+190℃回火，保温1h，空冷。
方案三热处理工艺曲线如图2.9。
方案四为760℃球化退火，保温10min，冷至690℃，保温60min，炉冷至600℃，再出炉空冷+770℃淬火，保温10min，水冷+190℃回火，保温1h，空冷。
方案四热处理工艺曲线如图2.10。
方案五为830℃正火，保温30min，空冷+770℃淬火，保温10min，水冷+190℃回火，保温1h，空冷。
方案五热处理工艺曲线如图2.11。
图2.7SX-5-12B箱式电阻炉
图2.8方案二热处理工艺曲线
图2.9方案三热处理工艺曲线
图2.10方案四热处理工艺曲线
图2.11方案五热处理工艺曲线
正火是将工件加热到720℃~912℃之间，保温一段时间，然后在空气中冷却的一种热处理工艺[14]。
正火冷却得到的是珠光体类组织。
正火可以作为预先热处理，也可作为最终热处理，当作为预备热处理时，可以消除供货态试样表面的网状渗碳体，为接下来的热处理工艺做准备，也有细化晶粒、消除表面应力等等，为最终热处理提供适宜的组织的作用。
退火是将工件加热到Ac1或Ac3以上30~50°C，（亚共析钢加热Ac3以上30~50°C，共析、过共析钢加热到Ac1以上30~50°C），保温一段时间，缓慢冷却到室温的一种热处理工艺[15]。
退火、正火加热温度如图2.12。
图2.12退火、正火加热温度示意图
共析钢和过共析钢多采用“球化退火”。
温度Ac1以上20~30°C缓冷时，自奥氏体中析出的渗碳体沿未溶的颗粒状渗碳体结晶，得到铁素体基体均匀分布着颗粒状渗碳体的组织，即“球化体”。
退火时的加热保温时间，在采用到温入炉法时，可按每1毫米直径或厚度加热保温1.2~1.5分钟估算。
退火时的冷却应当是缓慢的，只要冷速能控制在每小时100~200°C以下，便可获得满意的结果。
箱式炉断电后冷速大约每小时30~120°C。
所以随炉冷却是最常用的退火冷却方法。
当退火缓冷至550~650°C时，奥氏体已完全分解转变。
所以，可以出炉空冷或水冷，而不会影响奥氏体分解产物的组织状态，但却缩短了退火总时间。
。
碳钢在退火及正火状态下的机械特性如表2.7。
表2.7碳钢在退火及正火状态下的机械特性
性能
热处理状态
含碳量（%）
≤0.1
0.2~0.3
0.4~0.6
硬度（HB）
退火
~120
150~160
180~230
正火
130~140
160~180
220~250
强度σb（MN/m2）
退火
300~330
420~500
560~670
正火
340~360
480~550
660~670
退火的目的是减小硬度，改善切削加工性，消除试样的残余应力，均匀组织，细化晶粒，改善材料性能，消除组织内缺陷的作用，为接下来的热处理工艺做准备[16]。
淬火是将工件加热到临界温度以上（亚共析钢的临界温度为Ac3，共析、过共析钢的临界温度为Ac1），保温一段时间，然后快冷到Ms以下，进行马氏体转变的热处理工艺[17]。
回火是将工件工件加热到低于临界温度，保温一段时间，然后在空气、水或油中冷却的一种热处理工艺[18]。
淬火和回火在热处理中是最重要、用途最广泛的加热工序。
通常我们用淬火提高工件强度和硬度，然后用不同温度的回火降低由于淬火所产生的残留内应力，来得到不同力学性能的工件。
不同温度回火的比较如表2.8。
表2.8不同温度回火的比较
低温回火
中温回火
高温回火
温度范围
150~250°C
350~500°C
500~650°C
回火后的组织
回火马氏体
片状或板条状马氏体
回火屈氏体
针状铁素体+渗碳体
回火索氏体
铁素体+渗碳体
硬度变化
不变
明显降低
降低较多
韧脆性
脆性较低
韧性较高
韧性大幅度提高
碳钢的回火冷却无特殊要求，一般可在空气中冷却。
有时为了尽早测定回火硬度，也可在水中冷却[19]。
各种不同温度回火后的硬度值如表2.9。
表2.9各种不同温度回火后的硬度值
回火温度（°C）
45钢
T8钢
T10钢
T12钢
150~200°C
60~54
64~55
64~62
65~62
200~300°C
54~50
55~45
62~56
65~57
300~400°C
50~40
55~45
56~47
57~49
400~500°C
40~33
45~35
47~38
49~38
500~600°C
33~24
35~27
38~27
38~28
有淬火钢在回火时，不同的回火的温度，所发生的转变不同，机械性能也不同，由此可将其分为4种不同的类型。
第一种类型是在小于等于200°C时，这时马氏体分解，具体是，由于温度较低，溶碳量降低，马氏体中的碳原子以碳化物的形式析出，随着碳化物的析出，马氏体中碳的饱和度降低，但仍是饱和固溶体，其硬度并没有降低，只是内应力降低。
第二种类型是在200°C和300°C之间时，这时残余A转变，残余奥氏体转变为下贝氏体，同时马氏体仍在继续分解，由于M的继续分解，钢的硬度本应降低，但是又因为生成了下贝氏体，因此钢的硬度并没有想象中的降低，只是钢的淬火应力又近一步降低。
第三种类型是在300°C和400°C之间时，碳化物的转变，析出的碳化物转变为渗碳体，此时钢的组织是由铁素体和渗碳体组成，钢的硬度明显降低，淬火应力基本消除。
第四种类型是在大于400°C时，渗碳体聚集与铁素体的再结晶，此时钢的组织由铁素体和渗碳体组成，但铁素体仍保留着马氏体时的片状或板条状。
2.2显微组织观察
2.2.1金相试样的制备
金相分析是
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