钢的热处理案例分析.docx
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钢的热处理案例分析
机械工程材料
钢的热处理案例分析
姓名：
学号：
专业：
软件工程
年级：
学院：
计算机学院
指导教师：
青海民族大学
2020年12月25日
摘要
在人类的整个发展历程中，金属几乎是和社会息息相关的。
现在我们日常生活所用的各种设备大部分都是金属，想要符合社会的发展，就必须对材料进行热处理。
通过不同的工艺处理得到我们所需的性能不同的金属材料，对我们整个世界都产生了深远的影响，小到我们缝衣服用的针、掏耳勺，大到飞机、火箭都离不开金属。
因此热处理对材料的重要性不言而喻，我们虽然是世界上最早对金属进行冶炼的国家，但现在由于种种原因，我们在金属制造方面还是与欧美等发达国家存在较大的差距。
我们大学生时祖国的未来，希望我们可以奋发图强，将来做祖国的栋梁之才。
关键词:
金属的性能;热处理。
第1章背景简介
自二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到很大发展。
其中比较有代表性的是1901~～1925年，在工业生产中应用转简炉进行气体渗碳;30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法:
60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺﹔激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
热处理是机械工业的一项重要基础技术，通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理的，而且，只要选材合适，热处理得当，就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提高，实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标，收到事半功倍的效果。
热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。
建国以来，我国的热处理技术有了很大的发展，现有热处理生产厂点一万余家，职工15万人，专业科技人员约1000余人，热处理加热设备11万台，年生产能力660万吨钢件，年产值约50亿元，全员劳动生产率约3万元/人年。
目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。
为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”，力争到2020年时达到工业发达国家八十年代中期的水平。
第2章文献综述
2.1金属材料的性能
2.1.1金属材料的性能分为使用性能和工艺性能
使用性能:
是金属材料在使用时所表现出的性能，包括物理性能、化学性能和力学性能等。
工艺性能:
是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。
2.1.2金属的硬度
硬度是材料局部抵抗其他更硬物质压入其表面的能力。
它不仅抵抗塑性变形，还要抵抗弹性变形。
它是衡量材料软硬程度的重要指标。
硬度越高，材料的耐磨性越好。
2.1.3金属材料的冲击韧度
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度。
许多机械零件在工作中往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锻锤杆、冲模、锻模等。
制造此类零件所用材料必须考虑其抗冲击载荷能力。
2.1.4金属材料的疲劳强度
弹簧、曲轴、齿轮等机械零件在工作过程中所承受载荷的大小、方向随时间变化做周期性变化，在金属材料内部就会引起应力发生周期性的波动。
此时，由于所承受的载荷为交变载荷，零件承受的应力虽然低于材料的屈服强度，但经过长时问的工作后，仍会产生裂纹或突然发生断裂，这就叫做疲劳断裂[1]。
2.2金属的结晶和合金的构造
2.2.1金属的结晶过程和同素异晶转变
金属结晶过程:
一、金属的结昌过程液态金属冷却到凝固温度时，原子由无序状态转变为按一定的几何形状作有序的排列。
金属的这种由液体转变为晶体的现象叫做结晶。
液态金属的结晶过程就是凝固过程，大致可分为两个阶段:
即晶核（结晶中心）的形成和晶核的成长。
晶核的澎成，一方面可能是由于液态金属中有一些原子自发的聚集在一起。
按金属晶体的固有规律排列起来而形成，这叫做自发晶茧;另一方面也可能是电量液态金属中一些外来的微细固态质点而形成，这叫做外来晶核。
这两种结晶全都是结晶过程中晶核发展和生长的基础。
2.2.2合金的相结构
固体物质一般分为晶体和非晶体，晶体原子一般呈周期性有规则的排
列,而非晶体的原子一般不规则杂乱排列。
金属材料通常都是晶体，为了便于分析晶体中原子的排列规律,通常用假想的线条将各原子中心连接起来,使之构成一个空间格来,这种三维的空间格架，称作“晶格”（或称空间点阵j取晶格中个最基本的几何单元来表明原子排列的规律性，n这个最小的见何单元.称为“晶胞”。
常见的三种晶体结构:
体心立方晶预落与潘心昱芳晶格密排关方晶格〔3]。
3金属材料强化的机理及基本途径
3.1金属围观强化机构的分类
以钢铁材料为例，其强化机理可分为晶界强化、固溶强化、位错强化、沉淀和弥散强化、相变强化、Spindal（调幅分解和有序化强化七类。
实际强化大多为复合作用的结果，要严格地孤立出来讨论是困难的且绝大部分钢种的强化增量至今尚不能定最计算，教只能对强化机理的基本特点和本质有大致的了解。
3.2工艺方法
基于晶界强化的机理，在热处理工艺方法上采用超细化热处理工艺，即细化奥氏体晶粒或碳化物相，使晶粒度细化到10级以上。
由于超细化作用，使晶界面积增加，从而对金属塑性变形的抗力增加，反映在机械性能方面其金属强韧性大为提高。
如奥氏体晶粒细化10级以上，强韧性大为提高，其方法有3种:
（1）利用极高加热速度的能源进行快速加热
（2）利用奥氏体的递转变3）采用两相区交替加热淬火法。
第3章技术路线
3.1退火
3.1.1完全退火
将偏离平衡状态的金属加热至较高温度，保持一定时间然后缓慢冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法统称为退火。
退火的目的在于均匀化学成分、改善力学性能及工艺性能、消除或减小内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。
钢的退火工艺种类很多，按加热温度可分为两大类:
①临界温度《A。
j或Az）以上的退火〔相变重结晶退火），包括完全退火、不完全退火、晶粒粗化退火、均匀化退火和球化退火等;②临界温度以下的退火，包括软化退火、再结晶退火及去应力退火等。
将亚共析钢加热到A3以上的温度，并在此保温足够时间,完成奥氏体化并使成分基本均匀之后缓慢冷却（控速冷却、炉冷、理于砂或耐火土粉中）至600°C左右出炉空冷，以得到铁素体及珠光体组织的热处理工艺，成为完全退火。
3.1.2低温退火
将钢件加热到略低于A,:
的温度，保持一定时间。
然后缓慢冷却的热处理工艺称为低温退火，低温退火由于没有重结晶过程，所以不能使钢的品粒和组织细化，但却能消除或降低钢中的内应力，降低硬度。
从而改善切削加工性能。
低温退火加热时间短，成本低，而且钢材表面氧化脱碳损失较少，所以在某些情况下可以取代完全退火或不完全退火。
再结晶退火、中间退火（软化退火）、去应力退火等皆属于低温退火范畴。
3.2正火
3.2.1普通正火
亚共析钢加热到Ac3+（30～50
-c）,共析钢和过共析钢加热到
Aca+（30~50°），均温后在空气中冷却，得到珠光体组织的热处理工艺，成为普通正火。
低碳钢正火后，可得到较细的片状珠光体，硬度较退火略高,利于切削加工。
由于所得铁素体品粒较细，钢的韧性较好，可以保证较好的力学性能组合-
3.2.2等羞正火
等温正火是将普通碳钢材加热奥氏体化，加热温度及保温时间与普通正火相同。
保温完了后钢材冷至某一温度并等温保持，使过冷奥氏体在此温度范围内转变完毕，得到较细《相对于等温退火面言）的珠光体组织，然后空冷，以获得较好的加工性能和力学性能的热处理工艺。
3.2.3水冷正火
含碳量极低的大型铸钢件用水冷代替空冷进行正火，可以得到较少量的铁素体及较细较多数量的珠光体组织，而使强度塑性等均得到改善。
水冷正火还常用于高碳钢球化退火之前，可更有效地抑制渗碳体网的形成，获得均匀一致的组织，以稳定球化质量和获得更细小、更均匀分布的碳化物。
水冷正火时钢材的加热温度与保温时间与普通正火相同。
3.3淬火
淬火是将钢或合全加热到一定温度。
保温适当的时间获得相应的高温相,然后快速冷却，以获得远离平衡状态的不稳定姐织的热处理工艺总称。
淬火是使钢或合金强化的主要工艺（或工序）。
钢件淬火主要是为了获得马氏体组织，以便在适当温度的回火后具有所需要的力学性能组合。
合金淬火则是为了得到单一均匀的固溶体，为下工序的时效强化或形变加工傲好组织上的准备。
钢的淬火工艺种类很多，可根据加热温度、加热方式、加热介质以及冷却介质和冷却方式的不同，可分为以下几种。
按加热龌度的不同可分为:
完全淬火、不完全淬火、亚共析钢的亚温淬火《临界区淬火）、低温（低于临界温度）淬火等。
3.3.1完全淬火
将重共析钢加热到Aea以上温度保温以后大于临界冷却速度的冷却速度急速冷却，得到马氏体组织，以提高强度、硬度及耐磨性的热处理称为完全淬火。
3.3.2不完全退火
国共析钢以及共析钢加热到某一温度，保温后急速冷却的热处理工艺成为不完全淬火，不完全淬火有以下有点;
①淬火加热温度低,保留了一定数量未溶的颗粒状碳化物，使钢在淬火后具有最高的硬度和耐磨性。
②由于加热温度低。
使奥氏体含碳及合金元素数量不致过高，保证淬火后残余奥氏体数量不致过多，有利于提高硬度及耐磨性。
③加热温度低。
奥氏体晶粒细小，淬火后可获得较优的力学性能。
不完全淬火主要用于碳素工具钢及低合金工具钢
3.4回火
将题火后的钢，在Acg以下加热、保温后冷却下来的热处理工艺。
回火是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温Ⅰ到2小时后冷却的工艺。
回火往往是与越火相作，并且是热处理的最后一道工序。
经过国火，钢的组织趋于稳定。
淬火钢的脆性降低，韧性与塑性提高,消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加工性能。
回火是工件淬硬后加热到Aen以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
3.4.1低温回火
回火温度范围为150-250摄氏度。
回火后的组织为国火马氏体。
钢具有高硬度和高耐磨性，但内应力和脆性降低。
主要应用于高碳钢和高碳合金钢制造的工具模和滚动轴承，以及经渗碳和表面淬火的零件，国火后的硬度一般为58-6A4HRC.
3.4.2中羞回火
中温回火常在250~~500℃温度范围内进行，主要用途是对淬火后的各种弹箦及锻模回火。
其目的是为了获得较高的弹性极限和屈服点。
同时使塑性及韧性得到改善。
3.4.3高湿回火
高温回火常在500~一650℃区间进行，多应用于结构钢制造的工件。
其日的主要是在降低强度、硬度及耐磨性的情况下大幅度提高塑性及韧性,以便得到良好的综合力学性能。
含
Cr.Mo、W、v、Ti等元素较多的合金钢（结构钢及工具钢）在高温回火过程常因析出弥散分布的特殊碾化物而产生二次硬化现象，面使硬度略有升高。
淬透性较大或截面较小的工件，正火后硬度可能偏高面塑性偏低，也需进行高温回火以改善之。
T10钢淬火前后硬度测量实验案例报告
一、实验目的:
1、了解碳钢的基本热处理（退火、淬火及回火）工艺方法。
2、研究冷却条件与钢性能的关系。
3、分析淬火后的回火工艺其温度的选择对钢性能的景响。
二、实验设备及材料
1.HR—150A型洛氏硬度i鹉险机。
2.试样:
中20×10mm45钢和。
3.实验用的箱式电阻加热炉（附测滤控湿装置）.
4.冷却剂:
水（使用滤度约20℃）.
三、实验的相关原理和要求
热处理是一种很重要的金属热加工的工艺方法,也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。
热处理的主要目的是改变钢的性能,其中包括使用性能及工艺性能。
钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度,经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来,通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
其基本工艺方法可分为退火、淬火及回火等。
（一）钢的退火
钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温—段时间，然后缓慢地随炉冷却。
此时,奥氏体在高温区发生分解。
从而得到比较接近平衡状态的组织。
―般中碳钢（如40、45钢;经退火后消除了残余应力，组织稳定,硬度较低（HB180~220）有利于下一步进行切削加工。
实输的材料为45钢,退火工艺中其加热温度选择为A以上温度,此实验选择的温度为800°C。
退火冷却方式:
钢退火时，一般采用随炉冷却到600~550℃以下再出炉空冷。
（二）钢的淬火
钢的淬火:
淬火就是将钢加热到Aa（亚共析钢）或A（过共析钢）以上30~50°c，保温后放入各种不同的冷却介质中快速令却Ⅳ冷>V临）,以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。
碳钢经淬火后的组织由马氏体及—定数里的残余典氏体所组成。
为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素:
淬火加热温度、保温时间和令却速度。
1、淬火温度的选择
正确选定加热温度是保证淬火质里的重要一环o淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳里，可根据Fe-Fe:
c相窗图确定（如窗3-1所标）。
对45#的亚共
析钢,其加热温度为Aca+30~50c,此实验采用的加热温度为830°。
若加热温度不足（低于780°C的Aca温度）∶则淬火组织中将出现铁素体而造宓虽度及硬度的降低﹔但过高的加热温度（如超过Am）不仅无助于强度、硬影的增加,威而会由于产生过琴的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性的下降。
2、保温时间的确定温度所需的拍时间及在淬火温度停留所需时间的总和。
力加热时间与钢的成分、工件的形械尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关,一般按经验公式加以估算o（经验公式:
加热温度为800°C的圆柱形工件。
保温时间为1.0分钟/每室米）。
3、冷却速度的景响
冷却是淬火的关键工序,它直接景知响到钢淬火后的组织和性能。
冷却时应使冷却速度大于临界泠却速度,以保证获得马氏体组织﹔在这个前提下又应尽里缓慢冷却,以减少内应力，防止变形和开裂。
为保证淬火效果，应选用适当的冷却介质〔如水、油等）。
此实验的淬火令却介质选用水。
（三）钢的回火
钢经经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆,并且工件内部存在很大的内应力,如果直接进行磨肖啦工往往会出现龟裂﹔—些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度,甚至开裂。
因此淬火钢必须进行回火处理。
不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同的组织和性能。
低温回火:
回火温度150~250C:
回后的组织为回火马氏体+残余奥氏体+
碳化物:
性能特点是硬度高·内应力减少。
中温回火:
回火温度350~500°C回火后的组织为回火屈氏体﹔性能特点是硬度适中，有高的弹性。
高温回火:
回火温度500~650°C;回火后的组织为回火索氏体﹔性能特点是
具有良好塑性、韧性和一定强度相配合的综合性能。
对碳钢来说，回火工艺的选择主要考虑回火温度和保温时间这两个因素。
实验所用试样较小,故回火保温时间可为30分钟，回火后在空气中冷却。
回火冷却方式:
碳钢回火时，—般采用在空气中冷却。
淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化,这必然会引起机械性能发生相应的变化。
淬火钢的回火，实质上是一个软化过程,性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高硬度、强度降低·而塑性、韧性提高。
（四）不同的回火温度对碳钢硬度的影响
淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化，这必然会引起机械性能发生相应的变化。
淬火钢的回火，实质上是一个软化过程，性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性提高。
（五）碳钢含碳量对淬火后硬度的影响
在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。
但含碳量大于0.8%的钢，一般低碳钢淬后，硬度在HRC40左右;中碳钢淬火后，硬度可达HRC50~62;高碳钢淬火后，便度高达HRC62~65。
附注:
洛氏硬度试验机的结构和操作
本实验使用华银HR-15OA型洛氏硬度计。
HR—150A型（原H—100型）洛氏砷度试验机.的结构（图2）。
四、实验指导和方法:
1、本区实验加热所用都为电炉，往炉中放、取试样必须使用夹钳必须擦干，不得沾有油和水。
开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。
2、试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。
3、试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。
4、淬火时水温应保持20~30°c左右，水温过高要及时换水。
淬火：
回火：
五、数据记录
第一组：
（400oC回火）
第二组：
（600oC回火）
六、实验总结
由实验数据可知道，45号钢在热处理前得洛氏硬度值约等于5.0HRC,进行淬火（800度保温15分钟）后的洛氏硬度处60HRC---70HRC之间中温回火（400度保温30分钟）后的洛氏硬度处于30HRC---40HRC左右之间。
高温回火（回火温度600oC保温30分钟）回火后的洛氏硬度又有所下降，处于10HRC---20HRC之间。
45号钢在淬火后得到的“马氏体”，硬度明显增大，实验现象与理论相符合。
淬火钢经过中温（400度保温30分钟）后得到的是“回火屈氏体”，较回火前硬度值有所下降。
高温回火（温度600oC保温30分钟）后得的组织为“回火索氏体”，较之前的洛氏硬度又有所下降。
淬火钢中温回火后洛氏硬度比低温回火后的洛氏硬度值低，说明淬火钢的回火随着回火温度的升高，硬度、强度降低，但塑性、韧性有所提高。
参考文献
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机械工业出版社.1998.09.120-130.
致谢
在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的蒂忙。
同时。
感谢所有任课老师和所有同学在这儿年来给自己的指导和帮助。
是他们教会了我专业知识,教会了我如何学习，教会了我如阿做人。
正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由裹的谢意,并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下!
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