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1、金属材料工程专业课程设计题目45钢的正火处理工艺设计学院：专业：姓名：学号：目 录一概述1.1热处理的应用领域及原理21.2正火热处理的目的和作用31.3 45#钢的材料性能3二. 工艺方案 2.1正火处理热工艺设备52.2试验技术要求：52.3 45#钢正火处理温度选择52.4保温时间52.5测定试样各项性能指标并与预期要求进行对比52.6设计方案工艺图5三. 工艺试验7四. 结果与分析10五. 结论 15六. 参考文献 16一、 概述1.1热处理的应用领域及原理热处理是通过加热和冷却固态金属的操作方法来改变其内部组织结构，并获得所需性能的一种工艺。 热处理不仅可以强化金属材料、充分发挥其内
2、部潜力、提高或改善工件的使用性能和工艺性能，而且还是提高加工质量、延长工件和刀具使用寿命、节约材料、降低成本的重要手段。所以，机械、交通、能源以及航空航天等工业部门的大多数零部件和一些工程构件，都需要通过热处理来提高产品质量和性能。例如，机床工业的6070零件，汽车、拖拉机的7080零件，飞机的几乎全部零件都要热处理。 根据热处理的目的、要求以及加热和冷却条件的不同，金属材料热处理可分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种基本方法。 钢的热处理原理主要是利用钢在加热和冷却时内部组织发生转变的基本规律，根据这些基本规律和要求来确定加热温度、保温时间和冷却介质等有关参数，以达到改善材料性能的目
3、的。 热处理方法虽多，但任何一种热处理都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，因此可以用“温度一时间”曲线图表示。1.2正火热处理的目的和作用热处理是将钢件在一定的介质中加热到一定的温度并保温一定的时间，然后冷却，以期改变其整体或者表面组织，从而获得所需要的性能的一种热加工工艺。 正火的目的对于低碳钢退火后硬度太低，切削加工性能不好，正火时用较快的冷却速度，能改变其显微组织，提高硬度，改善切削性能。对于含碳量在025o5的中碳钢，正火能细化晶粒，使组织均匀，同时硬度也不高，切削性能良好，与退火相比成本也较低，另外正火还有细化奥氏体晶粒，消除魏氏组织的作用。亦可消除网状渗碳体组织。正火是将刚加热到
4、Ac3(或Acm)以上适当温度，保温后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。本次课程设计所用的材料为45#钢，属于中碳钢，其工艺加工目的为：消除组织缺陷、保持硬度、为调质做准备。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作好组织准备。1.3 45#钢的材料性能45#钢：45#钢，是GB中的叫法，JIS中称为：S45C,ASTM中称为1045,080M46，DIN称为：C4545#钢
5、是普通的中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。45#钢化学成分为：含碳（C）量是0.420.50%，Si含量为 0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量0.25%，Ni含量0.30%。， Cu含量0.25%。45#钢主要用途：调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质表面淬火提高零件表面硬度。本次实验选用的材料为：用砂轮切割机切100mm长，直径50mm的圆钢45#钢相图二、 工艺方案2.1正火处理热工艺设备：箱式电阻炉、夹钳、
6、HB-3000B-I布氏硬度计、读数显微镜、WE-200型液压式万能材料试验机、M2预磨机、P-2G金相试样抛光机、金相砂纸、抛光布、金刚石抛光膏和金相显微镜。2.2试验技术要求：热处理后的力学性能：以2040100mm试样为试验对象，要求热处理后的力学性能指标：抗拉强度大于500Mpa，屈服强度大于350Mpa，延伸率大于10%，硬度HB180以上；2.3 45#钢正火处理温度选择：850正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（如下图所示）。对于45钢（亚共析钢），其加热温度为Ac3、Accm+ 30 50。加热温度工 件 形 状 圆 柱 形 方形板 形 保
7、 温 时 间 分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度7001.52.2380011.529000.81.21.610000.40.60.82.4保温时间：保温加热时间是将试样加热到正火温度所需的时间及在正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右表所示。2.5测定试样各项性能指标并与预期要求进行对比2.6设计方案工艺图试件号Ac3/ 热处理温度/ 保温时间/ min 冷却介质1、2、378085035空气4780850150空气加热，保温，冷却曲线时间温度Ac3 (Ac
8、cm) + 30 50空冷三、 工艺试验3.1试验过程1.材料截取及表面处理(1)截取3个5030mm、1个50240mm的45#钢件标记为1、2、3、4号。(2)将试件表面磨平。2.材料处理前的力学性能测试(1)将1、2、3号试样用HB-3000B-I布氏硬度计测试热处理前的硬度。(2)磨光，抛光试样表面，经腐蚀后观察金相组织拍照保存留用。3.材料的热处理(1)将1、2、3号试样放入箱式电阻炉中850下保温35min。(2)将4号试样放入箱式电阻炉中850下保温150min。(3)将4个试样取出置于空气中冷却。4.材料处理后的力学性能测试(1)将1、2、3号试样在布氏硬度计上不同的三个部位打
9、硬度，记下硬度值并求出平均值。(2)将4号试样经过车床加工后后用于拉伸试验，并记录数据。(3)将1、2、3号试样在线切割机上沿中间部分径向切开，然后打磨、抛光，制作金相试样，观察金相组织并照相。5.金相显微组织观察(1)取样：(2)打磨：200金相砂纸600金相砂纸800金相砂纸1200金相砂纸(3)抛光：抛光剂为金刚石抛光膏，直至试样表面无划痕。(4)腐蚀:试样抛光面侵入3%硝酸酒精侵蚀剂中，面呈暗灰色，用水冲洗。(5)烘干：用吹风机吹干。(6)显微摄影：用金相显微镜对抛光后腐蚀的表面进行拍照。6.对试验数据进行整理、分析并完成试验报告。3.2试验结果（原始数据）1、2、3#试样硬度试验：4
10、5#钢正火前：试件号试验数据d1/mmd2/mmd/mm平均值/mm11.3395.8054.4664.4530.615.0454.4350.3944.8514.45720.1944.6044.414.4020.4694.8924.4231.75.0754.37530.2754.7024.4274.4441.085.544.461.3785.8244.44645#钢正火后：试件号试验数据d1/mmd2/mmd/mm平均值/mm11.1315.4874.3564.4420.645.034.590.4244.8034.37921.2095.5854.3764.3821.485.864.381.31
11、95.7094.3930.4354.8514.4164.361.6536.0684.4150.524.874.254#试样拉伸试验：r0/mm5A078.5L0/mm50r/mm4.05A51.5L/mm63r/mm0，95A27.0L/mm13Fb/N44245b/MPa558.99s/MPa558.99E/MPa8764.87p/MPa409.41Fp/N32434四、结果与分析4.1硬度测量结果及分析材料编号试件厚度正火工艺硬度值加热温度保温时间冷却方式处理前(HB)处理后(HB)45#135mm85035min空冷183184225mm85035min空冷187189334mm8503
12、5min空冷184191表1硬度试验分析：从表1中，我们可以看出相同截面的同种实验材料（454#钢）在未处理和在经历了同种温度同样时间的热处理工艺的基础上，展现出的硬度测试值是基本相同的。但此次实验中各个材料的具体测试值还是有一定差距的，具体体现在未处理前金相试样的硬度值最小差距为1HB，最大差距为4HB，热处理完成后，其硬度值差距变大，甚至不满足之前未处理时的硬度变化规律，其差距最小为5HB，最大为7HB。分析其原因为测量误差和试验较少，出现个体差异。且本次实验的初始试样已经达到实验设计要求，这可能是由于原材料本身在出厂前就已经进行过了正火处理或其它工艺处理。4.2试样处理前后金相照片及分析
13、未处理的试样金相组织图片：处理后的试样金相组织图片：1#：2#：3#：4.3金相组织照片分析：如Fe-Fe3C相图所示，45#钢C含量为0.45%，属于亚共析钢。试样在850（A3线以上）时保温35min后经空气冷却后，优先从奥氏体晶界析出先共析铁素体，然后奥氏体与铁素体的成分分别 沿GS和GP线变化。到达PS线时，剩余奥氏体发生共析转变，形成珠光体，PS线以下，从铁素体中析出Fe3C，但由于析出量很少，不影响组织形态，故可以忽略，所以最后的组织为铁素体加珠光体。金相组织图片中黑色粒状为珠光体，白色为铁素体基体。对比未处理的试样与处理后的试样金相组织图片，原始试样中晶粒粗大且组织分布不均匀，而在处理后的 1#、3#试样中可以很明显看出珠光体晶粒变小，大概在2030m左右，组织分布均匀化。达到了正火细化晶粒，均匀组织的目的。而对于2#试样，由于试验中出现的问题，金相组织显得很模糊，但在显微镜放大下可以看出其中的珠光体、铁素体以及一些共析组织。4.4.拉伸试验数据结果拉伸试样图4.5.拉伸试验分析上图为正火、调质、退火低碳钢，低碳钢
