材料成型专业综合性实验报告热处理工艺对45#钢组织性能的影响
学生专业：材料成型与控制工程
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学生学号： 1
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指导老师：
报告日期： 2016年7月
目录
一、综述 (3)
二、实验目的 (7)
三、材料及仪器 (8)
四、实验过程及热处理模拟操作 (8)
五、实验结果及热处理模拟对比分析 (9)
六、结果分析 (16)
七、结论 (16)
参考文献 (17)
一、综述
1.钢的热处理
钢的热处理就是把钢在固态下加热到一定的温度进行必要的保温，并以适当的速度冷却到室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。热处理与其他加工方法(铸造、锻压、焊接、切削加工等)不同，它只改变金属材料的组织和性能，而不改变其形状和大小，所以用它来处理零件、工具等制成品，处理各种工具、刀具、齿轮和转轴等。钢在热处理条件下所得到的组织与钢的平衡组织有很大的差别，钢加热到临界点（A
）以上时发生奥氏体转变，奥氏体在
1
非常缓慢冷却时才能得到平衡组织状态的珠光体或珠光体+铁素体（或渗碳体），但大部分热处理工艺，如退火、正火、淬火、（回火或时效例外）都是将钢加热到奥氏体状态，然后以不同的冷却速度（或冷却方式）冷却到室温。退火、正火、淬火的冷却速度的不同，则会得到不同的组织，其力学性能或物理性能也不同。
2.45#钢的综述
45号钢是GB中的叫法,JIS中称为:S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN为:C45 。国内常叫45号钢，也有叫“油钢”。一般，市场现货热轧居多。冷轧规格1.0~4.0mm 之间。含碳(C)量是0.42~0.50%,Si(硅)含量为0.17~0.37%,Mn(锰)含量
0.50~0.80%,Cr(铬)含量≤0.25%,Ni(镍)含量≤0.30%， Cu(铜)含量≤0.25%。密度7.85g/cm3,弹性模量210GPa,泊松比0.31热处理方法热处理推荐热处理温度：正火850，淬火840，回火600. 45号钢为优质碳素结构用钢硬度不高易切削加工模具常用来做模板梢子导柱等,但须热处理。
3.45#钢的热处理工艺
钢的淬火：淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上30~50oC，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V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一定数量的残余奥氏体所组成。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、保温时间和冷却速度。
（1）淬火温度选择
正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据Fe-Fe3c相图确定（如图1所示）。钢的成分，原始组织
及加热速度等都影响临界点A
c1、A
c2
、及A
cm
的位置。在热处理手册或材料手册中
都可以查到各种钢的热处理温度，热处理时不能任意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变性严重，也不能任意降低温度，会影响钢的强度和硬度。本次淬火温度为880℃.
图表1
（2）保温时间的确定
淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如图表2所示。
加热温度（°C）
工件形状
圆柱形方形板形
保温时间
分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度
700 1.5 2.2 3 800 1.0 1.5 2
900 0.8 1.2 1.6
1000 0.4 0.6 0.8
图表2
（3）冷却速度的影响
冷却是淬火的关键工序，它直接影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冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图（如图表3所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些
图表3
钢的回火
钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会由于变形引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此钢淬火后必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的性能。按加热温度高低，回火可分为3类。
①低温回火。在150～250℃的回火称为低温回火，所的组织为回火马氏体，，它是过饱各程度较小的固溶体，硬度约为60HRC，其目的是在降低淬火应力、保持钢的高硬度条件下，减少钢的脆性。低温回火长用于高碳钢的切削工具、量具和滚动轴承等。
马氏体组织综述
马氏体是将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马氏体通常有片状、板条状，但金相观察中通常表现为针状。一般当Wc<0.3%时，钢在马氏体形态同乎全为板条马氏体;当Wc>1.0%时，则几乎全为
片状马氏体；当Wc=0.3%-1.0%时，为板条马氏体和片状马氏体的混合物，随含碳量的升高，淬火钢中板条马氏体的量下降，片状马氏体的量上升.高碳钢在正常温度淬火时，细小的奥氏体晶粒和碳化物都能使其获得细针状马氏体组织,这种组织在光学显微镜下无法分辨称为隐针马氏体。
马氏体的主要特征之一是高的强度和硬度，通常低碳马氏体具有良好的强度和一定的韧性，高碳马氏体强度高、韧性大。一般淬火钢经低温回火所得组织为回火马氏体（如图3）。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。
它主要用于各种高碳的切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等。
②中温回火。在350～500℃的回火称为中温回火，得到组织回火屈氏体，为极细的球状渗碳体和铁素体的机械混合物，硬度约为35～45HRC。其目的是获得高屈服强度，弹性极限和较高的韧性，主要用于各种弹簧和模具的热处理。
③高温回火。在500～650℃的回火称为高温回火，所得的组织为回火索氏体，硬度约为28～33HRC。其目的是获得强度、硬度、塑形、韧性都较好的综合力学性能。所以把淬火后高温回火的处理称为调至处理、主要用于中碳钢，比如连杆、螺栓、齿轮和轴。
索氏体组织综述
索氏体是钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。索氏体组织属于珠光体类型的组织，在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体(GB/T7232标准)。其实质是一种珠光体，但其组织比珠光体组织细，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较（250～350nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。索氏体具有良好的综合机械性能。
淬火钢高温回火（500-650℃）所得组织为回火索氏体，习惯上将淬火钢加高温回火相结合的热处理工艺称为调质，其目的是获得强度，硬度、塑性和韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类.
4.硬度测试方法、过程
(1)洛氏硬度机的原理：
洛氏硬度试验，是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头），在先后施加两
个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的，总载荷P为预载荷
P 0和主载荷P
1
之和，即p=P
+P
1
。
洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P
1
后，在预载荷P
继续作用下，由主
载荷P
1
引起的残余压入深度e来计算（如图标5）
图表5
图表5中，h
0表示在预载荷P
作用下，压头压入被试材料的深度；h
1
表示施加
总载荷P并卸除主载荷P
1，但仍保留预载荷P
时，压头压入被试材料的深度。
深度差e=h
1-h
，该值用来表示被测材料硬度的高低。
图表6
图表6为HR-150A型洛氏硬度计。其主要零部件如下
1.机身
2.加荷手柄
3.升降手把
4.手轮
5.丝杠保护套（内有丝杠）
6.待测试
件 7.主轴 8.小杠杆 9.大杠杆 10.调整块 11.定位标记 12.吊环 13.螺钉 14.砝码变换器 15.砝码 16.油针 17.油毡 18.后盖 19.缓冲器 20.卸荷手柄 21.压头 22.上盖 23.指示表 24.变荷手柄 25.工作台
（2）使用方法
将经过热处理以后的钢试样在水砂子上擦磨去除表面污垢和氧化层后，置于洛氏硬度机上测量硬度，为了减小测量误差，应进行多次测量，记录数据。
擦磨方法：先沿着一个方向擦磨直到表面氧化物去除完，然后再沿着垂直方向擦磨使端面平整。
洛式硬度机的使用方法
1）将试样上下两面磨平，然后置于载物台上。
2）选择压头及载荷。
3）加预载。按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触．并观察显示器上光标移动至满载为止。
4）加主载。
5）读硬度值。
6）卸主载。
7）下降载物台。逆时针转动加载手柄至原来位置。
8）用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度。
二、实验目的
1. 学习热处理加热炉、硬度计、金相显微镜等设备的原理、结构以及操作规范。
2. 学习45号钢淬火、回火热处理规范、硬度测试规范、金相试样加工规范、组织测试规范。让我们理论联系实践更加充分的学习理解我们所学的知识。
3.热处理工艺过程由于受到加热方式、冷却方式、加热温度、冷却温度、加热时间、冷却时间等影响，金属内部的组织也会发生不同的变化，因此是个十分复杂的过程，同时工艺参数的差异，也会造成热处理加工对象硬度过高过低、硬度不均匀等现象。Deform-3D软件提供一种热处理模拟模块，可以帮助热处理工艺员，通过有限元数值模拟来获得正确的热处理参数，从而来指导热处理生产实际。减少批量报废的质量事故发生。实验中用Deform-3d软件对45钢做了淬火工艺分析。
三、材料及仪器
1.箱式电炉及控温仪表
2.洛氏硬度机、预磨机、抛光机
3.冷却介质：水、油（使用温度约20℃）；
4.试样材料：45钢，直径为20㎜,高15㎜的圆柱体。
四、实验过程
45钢的热处理过程：
1、对45钢进行淬火
（1）在进行淬火前先测量试样的硬度3次，将测量的数据计入表格中。
（2）将试样置于加热炉中打开加热炉。使其温度上升到880oC开始计时并保温30分钟。
（3）30分钟后，取出试样对其进行水冷。测量试样的硬度一共3次并计入表格。
（4）待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。
2、对45钢进行高温回火
（1）将回火炉的温度设定在560o C
（2）待温度升高到560oC，将试样置于加热炉中保温30分钟左右。
（3）30分钟后取出试样空冷，测量试样的硬度一共3次并计入表格中。
(4) 待试样完全冷却，用磨砂纸将其表面磨平整光滑。
观察金相
掌握金相显微试样的制备过程和基本方法，并观察、认识其金相显微组织；1、实验仪器及材料
1 仪器：台式金相显微镜、预磨机、砂纸、抛光机、吹风机等。
2 材料：待磨试样每人一块、各号金相砂纸一套、腐蚀剂、无水乙醇、4％硝酸酒精、制备好的工业纯铁试样、棉球、镊子等。
2、内容
在利用金相显微镜观察、分析和研究金属材料的金相显微组织时，需要在该
材料的典型部位截取样块，然后通过一系列的制备过程，制成符合要求的金相显微试样。即在金相显微镜下可以观察到很清晰的金相显微组织，其整个过程即为磨片。磨片的方法与步骤如下：
(1) 取样：试样尺寸通常采用直径为20㎜,高15㎜的圆柱体式样。
(2) 磨制：分粗磨和细磨两道工序。粗磨通常在砂轮机上进行，细磨是在一套粗细不同的金相砂纸上由粗到细依次进行的。每更换一号砂纸时，需将试样的研磨方向与上一道磨痕方向垂直，直到将上一号砂纸所产生的磨痕全部消失为止。
(3) 抛光：细磨后进行抛光，主要是去除细磨时留下来的细微磨痕而获得光亮的镜面。金相试样的抛光方法一般可分为机械抛光、电解抛光和化学抛光。本实验中只使用了机械抛光。
机械抛光
机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤，均在抛光机上进行。粗抛时转速要高些，细抛或抛软材料时转速要低些，所用抛光材料由抛光布和抛光粉组成，抛光布蒙在抛光盘上，不同要求应适当选用不同的抛光布。粗抛时常用帆布、粗呢等，精抛时常用绒布、细呢、丝绸等。机械抛光的方法及注意事项如下：A．抛光粉要配制成抛光液使用，比例大约为水：粉＝20：1 左右。
B．抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转着的抛光盘上，压力不宜过大，并应使试样沿抛光盘的半径方向从中心到边缘来回移动。
C．抛光过程中要不断注入适量的抛光液，抛光布上的抛光液不宜太多或太少，以试样表面提起后几秒内能干为宜。
D．抛光后期，应使试样在抛光盘上各方向转动，以防止钢中夹杂产生拖尾现象。
E．抛光时间不宜过长，以防抛光表面层金属变形。
（4）．化学浸蚀
经抛光后而没有浸蚀的试样在显微镜下除了能观察到非金属夹杂物（石墨、氧化物、硫化物等）及其本身所具有的孔洞、裂纹等缺陷之外，看不到金属内部的组织，必须经过浸蚀。
利用化学浸蚀剂，通过化学或电化学作用显示金属的组织：
浸蚀方法：将已抛光好的试样磨面先用轻水冲洗干净，然后用酒精棉清擦一遍，再将试样浸入浸蚀剂中，或用镊子夹着蘸上浸蚀剂的棉球擦其磨面。浸蚀的时间依不同合金及不同组织而定，一般碳钢和铸铁浸蚀的时间大约在 10～15 秒内即可。用酒精冲洗干净，吹干，将浸蚀完的试样放在显微镜下，就可以观察到金属内部的显微组织。
化学浸蚀剂种类很多，一般碳钢及铸铁所用浸蚀剂为3～5％的硝酸酒精。（5）电子摄像技术
将磨好的金相试样放在显微镜的载物台上，选好放大倍数以后，调整粗调手轮和微调手轮，直接在与显微镜相连的电脑显示屏幕上调清楚焦距，获得清晰的金相图片。
3、Deform模拟数据
温度与对流系数设置
温度对流系数
20 2.1
250 2.8
500 6.8
750 4.0
1000 2.5
五、实验结果
1. 热处理加工结果
在880℃温度下淬火得到马氏体和残余的奥氏体，其硬度、强度高，塑性、韧性差。
在560℃高温回火得到稳定的回火索氏体组织，其塑性、韧性相对提高。
2. 硬度测试结果
原始硬度
测量次数 1 2 3 平均值
硬度（HRC）32.8 30.3 29.4 30.8
淬火后的硬度
、
回火后的硬度
3. 金相组织图
45
钢的组织
原始试样组织
淬火后试样组织 回火后试样组织
测量次数
1
2 3 平均值 硬度（HRC ） 57.4
56.5
55.9
56.6
测量次数
1
2 3 平均值 硬度（HRC ） 35.6
34.9
36.4
35.6
4.deform模拟结果与实验结果对比分析
温度定点跟踪分析
从曲线中可以分析，4个点的温度基本是一致的，这是由于工件尺寸较小，加热保温时间充足造成的。
硬度定点跟踪分析
图示硬度的定点分析，由于工件尺寸小，温度均匀，因此硬度也比较均匀。实验试样表面硬度为56.6HRC,模拟表面硬度57.8HRC，硬度对比结果基本一致，误差在允许范围内。从模拟结果看，刚样从表面到中心硬度值逐渐降低，这是由于受淬透性、各部分相对组织含量不同、成分不均等因素影响。
残余应力的定点跟踪分析
效残余应力定点跟踪分析曲线，最大残余应力位于零件表面。
相的体积分数分析
奥氏体含量与分布
铁素体含量与分布 马氏体含量与分布
相的体积分数分析即金相分析，可以进一步分析材料的组织结构的构成。从模拟结果可以看出经过淬火后主要得到马氏体组织，还有少量的残余奥氏体，同时还有珠光体组织，这是因为在冷却结晶过程中一部分奥氏体组织发生共析转变而析出的。
六．结果分析
回火温度随着淬火温度的变化曲线趋势和淬火硬度随温度的曲线趋势大致一致。
可能原因有：腐蚀太过严重，测硬度时操作不当等。
试验中，钢淬火加热后，必须迅速在水中冷却。这是因为水的冷却速度快，防止奥氏体转变为珠光体而得不到需要的马氏体组织。通过淬火，钢的硬度得到了明显的提高。
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。
七．实验结论
由45钢热处理后和磨抛光后利用仪器观察到的不同金相组织可以知道不同热处理得到的硬度和组织是不同的。
1. 通常情况下回火温度越高、时间越长，强度、硬度越低，塑韧性指标越高。回火温度越高，材料越快能达到该回火温度的平衡状态，随着回火温度的升高，硬度和强度降低，延性和韧性逐渐增高。
2.碳钢的机械性能是由其组织和成分决定的，而组织是主要由含热处理工艺决定的，当含碳量很低时，钢的组织中主要是铁素体和少量珠光体，因此钢的强度，硬度较低，塑性韧性好，而随着含碳量的增加，钢中的铁素体减少，珠光体增加，钢的强度，硬度上升，塑性，韧性下降。
3.淬火后经过回火，其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以防止使用时崩裂或者是损坏。
4.经deform-3D软件热处理模拟，硬度值与实验结果对比结果基本吻合。能熟练使用该软件会帮助我们合理设计实验，得到较为准确的实验结果，减少不必要的差错。
参考文献：
[1]作者：刘芙、张升才.材料科学科学与工程基础实验指导书
[2]作者：向嵩材料科学与工程专业实验教程
[3]作者: 齐乐华工程材料及成形工艺基础
[4]作者：李超金属学原理
[5] 百度文库