化学成分对实验钢热处理组织硬度的影响.docx

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化学成分对实验钢热处理组织硬度的影响

内蒙古科技大学本科生

毕业论文

题目：

化学成分对实验钢热处理组织、硬度的影响

学生姓名：

XXX

学号：

XXXXXXXXXX

专业：

金属材料工程

班级：

材料20XX-1班

指导教师：

XXX教授

化学成分对实验钢热处理组织、硬度的影响

摘要

为了提高机械产品的质量及使用寿命,几乎所有重要的机械零件都需要进行热处理。

合金化配合适当的热处理能够显著提高工件的性能，使钢能够满足所需的力学、工艺及其他特殊性能。

本文以化学成分不同的A3、A6两种钢为研究对象，对实验钢进行不同的热处理之后，分析化学成分和热处理工艺对实验钢组织和硬度的影响规律，为提高实验钢的使用性能提供实验依据。

本研究借助于金相显微镜和硬度测试仪，研究了实验钢在不同退火温度、淬火温度、回火温度下的组织和硬度，分析了化学成分、加热温度对实验钢退火组织及硬度、淬火组织及硬度、回火组织及硬度的影响。

研究了实验钢正火处理对组织及硬度的影响。

结果表明：

随着退火温度的升高，A3钢中珠光体片间距逐渐增大，A6钢中的珠光体形态由粒状向片状转变；A6钢在正火处理空冷时发生马氏体转变；A3钢的淬火组织由马氏体和托氏体组成，A6钢淬火组织由马氏体和未溶碳化物组成；A6钢中由于合金元素的作用，回火稳定性提高；在所有相同的热处理条件下，A6钢的硬度均远大于A3钢的硬度。

关键词：

热处理；化学成分；组织；硬度

EffectofChemicalCompositionontheMicrostructureandHardnessoftheExperimentalSteelsafterHeatTreatment

Abstract

Inordertoimprovethequalityofmechanicalproductsandservicelife,almostalltheimportantmechanicalpartsarerequiredforheattreatment.Alloyingwithappropriateheattreatmentcansignificantlyimprovetheperformanceoftheworkpiece,sothatthesteelcanmeettherequiredmechanical,processingandotherspecialproperties.Inthispaper,A3,A6twosteelsofdifferentchemicalcompositionsareusedastheresearchobjects,afterdifferentheattreatmentsontheexperimentalsteels,thepaperanalyzestheinfluenceofchemicalcompositionandheattreatmentprocessingonthemicrostructureandhardnessoftheexperimentalsteelstoprovidetheexperimentalbasisforimprovingthepropertiesofthesteel.

Inthisstudy,bymeansofmetallographicmicroscopeandhardnesstester,theexperimentresearchesthehardnessofthesteelatdifferentannealingtemperature,quenchingtemperatureandtemperingtemperature.Inaddition,itanalysestheinfluenceofchemicalcompositionandheatingtemperatureonthemicrostructureandhardnessafterannealing,quenching,tempering.ThepaperstudiedtheinfluenceonMicrostructureandhardnessoftheexperimentalsteelafternormalizingtreatment.Theresultsshowthat,withtheincreaseofannealingtemperature,thedistanceofthepearliteintheA3steelincreasesgradually,thepearlitemorphologytransformedfromgranulartosheet;TheA6steelproducesmartensitetransformationafternormalizingaircooling;ThemicrostructureofA3steelafterquenchingconsistsofmartensiteandtroostite,ThemicrostructureofA6steelafterquenchingconsistsofmartensiteandundissolvedcarbide;Duetotheeffectofthealloyelements,thetemperingstabilityofA6steelisimproved;inallthesameheattreatmentconditions,thehardnessoftheA6steelisfargreaterthanthehardnessoftheA3steel.

Keywords:

heattreatment;Chemicalcomposition;microstructure;hardness

第一章文献综述

1.1实验钢A3钢、A6钢的概述

A3钢以前又被称作Q235，是一种普通碳素结构钢。

Q是屈的拼音的大写首字母，代表屈服极限，后面的数字则是指这种钢的屈服值。

普通碳素结构钢的含碳量，性能和P、S和其他残余元素含量可以在较大范围内变化。

在包括中国在内的很多国家根据不同的交货条件又可以将普通碳素钢分为三类：

第一类为保证力学性能的钢甲类钢（A类钢），本文所用的实验钢A3钢即为此类钢；第二类为保证化学成分的钢乙类钢（B类钢）；第三类为同时保证力学性能和化学成分的钢特类钢（C类钢）。

特种类钢常用于各种重要的结构件的制造。

由于含碳量在0.20%左右的A3钢价格便宜，含碳量适中，综合性能良好，使其成为我国当前生产和使用最多的钢种。

A3钢在建筑及工程结构中得到广泛的应用，常用来制造钢筋、建造厂房的钢结构房架，并在道路、桥梁、船舶、工业等各个领域均有广泛应用，同时也大量用于制造对性能要求一般的机械零件[1]。

A6钢是美国合金工具钢标准（ASTMA681—1999）中冷作工模具钢系列A2-A10中的一个钢号。

由于其良好的淬透性、较小的淬火变形倾向及较高的淬火硬度，良好的耐磨性和韧性，而被广泛用于制造冲裁模、成型模、轧辊、冲头、滚丝模及剪刀片等工模具[2]。

由于模具钢在工作时，所加工的材料会产生很大的变形抗力，模具与被加工材料的接触部分将承受巨大大的压力、弯曲力以及摩擦力。

因此，冷作模具常常有以下几种失效形式：

断裂失效、过载失效和磨损失效。

考虑到冷作模具钢所处的工作环境，冷作模具钢必须具备以下几种特性：

高硬度、高耐磨性以保证工模具的寿命；高强度和良好的韧性搭配以及一定的热硬性，确保工模具在工作时刃部不发生崩裂及塌陷；良好的热处理工艺性，淬透的情况下保证较小的变形及较低开裂倾性[3]。

冷作工模具钢因为是冷态成形，所以对钢的红硬性方面要求不高，对此很多国家都发展了一些适于做冷作模具用的钢种。

例如，发展了低合金、耐磨性高、淬透性好、淬冷变形小的低合金空淬微变形钢。

美国研制的A4钢，以及本文研究中所用到的另一种实验钢A6钢、由日本发展的G04钢，还有我国自行研制的Gr2Mn2SiWMoV钢和8Cr2MnMoWVS钢等均属于这类钢，同时我国研制的8Cr2MnMoWVS由于加入了适量的S元素，使钢还具备了优良的切削性[4]。

这类钢的总体特点是合金元素的含量低于5%，属于低合金钢、良好的淬硬性以及淬透性，直径100mm以下的棒状材料能够直接空冷淬成马氏体组织，在Ac3以上淬火，硬度一般能达到60HRC以上、较小的淬火变形及较低的淬裂倾向、良好的热处理工艺性能及良好的机械加工性能等，由于其具有这些优良的特性，使其在精密复杂模具的制造中得到了广泛的应用。

1.2合金元素在钢中的作用

1.2.1钢中主要的合金元素及其分类

工业生产中为了保证钢材能够获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能，往往需要向钢中加入某些特定的化学元素，称为合金元素。

往钢中添加合金元素主要是为了使钢能获得更加优良的使用性能及工艺性能。

其中使用性能包括钢材的力学性能、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等。

工艺性能包括钢的热处理性能、焊接性能、铸造及锻造性能、切削加工性能等。

按元素的性质可以将合金元素分为金属元素和非金属元素两类。

工业上常用作合金元素的金属元素有Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Ni、Co、Al、Cu、RE；常用的非金属元素有C、N、Si、B、P等。

按照是否能与碳结合形成碳化物，合金元素又可以分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两类。

能形成碳化物的元素都是过渡族金属，Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe与C、N的亲和力以及形成的相应的碳化物、氮化物的稳定性递减。

而非碳化物形成元素都是元素元素周期表中都处于Fe的右侧的，如Al、Si、Ni、Cu、Co、N、P、S等[5]。

1.2.2合金元素在钢中的存在形式及分布

不同的合金元素可以以不同的形式存在于钢中，但主要包括以下几种：

溶于Fe的四面体或八面体间隙时形成铁基间隙固溶体，取代Fe原子时形成铁基置换固溶体；某些元素与碳原子氮原子结合形成合金渗碳体、特殊碳化物或氮化物；形成金属间化合物；形成各种非金属相及非晶体相；部分合金元素可以以游离态存在，例如碳；有些合金元素能与晶体缺陷发生作用，在晶体缺陷处聚集。

合金元素的分布还与钢的加工工艺状态有关。

如，变形条件会影响合金元素的存在状态和析出条件；热处理的加热温度、加热时间会对合金元素的溶解有影响；热处理冷却速度则会对过饱和固溶体中合金元素的析出程度的影响比较大[5]。

1.2.3合金元素与铁的相互作用

根据合金元素对奥氏体及铁素体转变的影响，合金元素可以分为促进γ-Fe相形成的奥氏体形成元素和促进α-Fe相形成的铁素体形成元素。

γ相稳定化元素能够促进奥氏体的形成，使A3温度下降，A4温度升高，从而扩大γ相区。

其中Mn、Ni、Co等合金元素可以与γ-Fe相无限互溶，能无限扩大γ相区，如果加入足量的这类合金元素则可以使α相完全消失，从而使γ相保持到室温。

而C、N、Cu、Zn、Au等合金元素只能与γ-Fe形成有限固溶体，虽然也能使γ相区扩大，但并不能让γ相区完全开启。

α相稳定化元素能使铁的A4温度降低，A3温度升高，促进铁素体的形成，缩小γ相区。

其中强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be、Si、Al等合金元素均可以与α-Fe相形成无限固溶体，但在γ-Fe相中的溶解度有限，当钢中合金元素加入的足够多时，将会使A3温度与A4温度重合，此时高温δ相与低温α相区连成一片，而γ相区呈封闭的环状，此时α相区无限扩大。

而B、Nb、Zr、Ta等使A3升高，A4降低，但是只能使γ相区缩小不能使其完全封闭。

1.2.4合金元素对钢加热时奥氏体组织转变的影响

加入合金元素后，会影响到钢的临界转变点温度、S点的位置以及碳在奥氏体中的溶解度，话句话说就是改变了奥氏体形成所需的温度条件及碳浓度条件；由于奥氏体的形成是一个扩散及均匀化过程，合金元素原子不但自身很难扩散，而且还会影响到Fe原子和C原子的扩散过程，从而影响钢奥氏体化。

钢在加热时奥氏体的形成过程分为四个步骤：

奥氏体的形核；奥氏体的长大；渗碳体的溶解；奥氏体成分均匀化。

奥氏体的形成过程的每一步几乎都与碳的扩散密切相关。

而合金元素又会影响到碳在钢中的扩散。

如Co和Ni等非碳化物形成元素不与碳结合生成碳化物，有利于碳溶入奥氏体中并扩散均匀化，从而促进钢中奥氏体的形成。

而由于Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素由于与碳的结合力比Fe与碳的结合力强，会优先形成合金碳化物，这将使碳在奥氏体中的扩散速度大大减慢，从而使奥氏体的形成速度显著降低。

而通常只有提高加热温度，才能使合金元素与碳结合生成稳定性高的合金碳化物分解并溶入奥氏体中，加热温度甚至需达到完全奥氏体化温度几XX摄氏度以上才能使钢的奥氏体成分均匀化。

然而随着合金碳化物的不断分解并溶入钢的基体中，由于合金元素缓慢的扩散速度，导致奥氏体成分的不均匀程度越来越高。

此时就需要在较高的温度下加热并且延长保温时间，使合金元素能够充分扩散开来，从而得到成分较均匀的奥氏体组织。

但是对于某些合金工具钢，由于其需要具有较多未溶碳化物来对基体进行进行强化，此时的加热温度不应过高和保温时间也不应过长，以减少碳化物的分解。

不同的合金元素的加入也会对钢奥氏体晶粒的尺寸有不同程度的影响。

由于合金碳化物的粒子能显著阻碍晶界扩展，合金元素与碳结合形成的合金碳化物越稳定，在加热、保温时越不易分解，对晶粒的细化作用越明显。

Ti、Nb、V等强碳化物形成元素及能在钢中形成高熔点AlN、Al2O3细质点的Al元素，均能大大减弱奥氏体晶粒长大倾向，显著细化晶粒；而W、Mo、Cr等与碳结合力中等的元素也能阻碍奥氏体晶粒长大，但作用中等；Ni、Si、Co、Cu等非碳化物形成元素对奥氏体晶粒长大的影响很弱；而Mn、P、B则对奥氏体晶粒的长大有促进作用。

含有较多锰元素的钢会有较强烈的过热倾向，为防止其晶粒过于粗大，其加热温度不宜过高，且在保证性能的前提下尽量缩短保温时间。

1.2.5合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响

合金元素的加入会对过冷奥氏体的转变产生一定的影响。

这种影响首先通过钢的临界转变点温度的改变表现出来。

Mn、Ni、Co等奥氏体形成元素会使Ac3温度降低，从而使钢的过冷度及转变驱动力减小，而铁素体形成元素作用与奥氏体形成元素的作用恰好相反，会提高Ac3增大过冷度及转变驱动力。

合金元素的加入可以显著改变钢的C曲线的位置或形状。

非碳化物形成元素Ni、Al、Si、Cu、Co能使钢的C曲线位置发生改变。

例如Ni、Si、Cu等能使C曲线向右移动，而Al、Co等能使C曲线向左移动。

碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等的加入不仅可以使钢的C曲线位置移动，也可以改变C曲线的形状，C曲线出现两个鼻温，甚至能在珠光体区域和贝氏体区域中间出现一个极端稳定过冷奥氏体的区间将两个转变区域完全分离开来。

除钴外的几乎所有的合金元素均能使C曲线向右移动。

C曲线向右移动，意味着过冷奥氏体的稳定性增大，珠光体型转变推迟，钢的临界冷却速度降低，从而提高钢的淬透性。

工业上常被用来提高钢淬透性的合金元素有Mo、Si、Cr、Mn、Ni、B六种。

合金元素要想起到提高淬透性的作用，必须使其在淬火加热时溶入奥氏体中，所以为了使钢淬透，合金钢的淬火加热温度往往较高，保温时间也较长。

如对于含较多Cr、W、V、Mo等强碳化物形成元素的钢，如果淬火加热温度较低，保温时间不长，导致碳化物未溶解或少量溶解时，就不能起到提高淬透性的作用，此时未溶解的碳化物粒子能成为珠光体转变的核心导致钢发生珠光体转变。

合金元素能推迟高温珠光体型的转变，同样合金元素的对贝氏体型的转变也有影响。

在贝氏体转变中，只有基体间隙中固溶的碳原子能进行长距离扩散，而铁及其中固溶的置换型原子都不能进行长距离扩散。

中温贝氏体转变过程中，合金元素能对贝氏体转变的上限温度Bs点产生影响。

C、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Ti等元素都使Bs点降低，使得在高温珠光体转变和中温贝氏体转变之间出现一个过冷奥氏体的极度稳定区域，使钢的C曲线分离为两条C型曲线。

此外，合金元素还改变贝氏体转变的孕育期变长，减慢贝氏体长大速度。

其中碳、硅、锰、镍、铬对贝氏体孕育期及贝氏体长大速度的影响较大，而钨、钼、钒、钛的作用则相对较小。

由于钨、钛、钒等碳化物形成元素能增大碳原子的扩散激活能，使碳的扩散速度减慢，延缓贝氏体转变。

贝氏体转变时硅由于能强烈地阻碍碳化物的形成，从而促使碳向尚未发生转变的奥氏体中富集，使的贝氏体转变孕育期延长，减慢贝氏体转变速度[5-7]。

马氏体转变属于无扩散型转变，碳及合金元素不发生扩散，形核和长大速度极快，马氏体的转变量主要取决于转变温度。

合金元素通过影响Ms、Mf点温度，从而对马氏体转变产生影响，并且合金元素对钢中的残留奥氏体含量及马氏体的精细结构有一定的影响。

除Co、Al以外的几乎所有合金元素均使Ms和Mf点的温度下降。

其中锰、镍、碳、氮等奥氏体形成元素对降低Ms点，增大奥氏体稳定温度范围作用显著。

在低合金钢中，存在以下一般规律：

Ms和Mf点随着钢中合金元素的增加而下降。

也就是说低合金钢中随合金元素量的增加，淬火冷却至室温后残留奥氏体量逐渐增加。

残余奥氏体的量会对钢的性能产生很大的影响，其过高时会降低钢的硬度及疲劳抗力。

1.2.6合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响

钢淬火后的组织通常是不稳定的组织，一般包含马氏体和残留奥氏体两个亚稳相，在回火过程中马氏体和残留奥氏体两个亚稳相将发生相应的转变。

合金元素可以提高钢的回火稳定性，即提高刚在回火处理时的软化抗力，大大减慢回火过程中各个阶段的转变速度，并提高各个阶段的转变温度。

合金元素的影响主要包括以下几个方面：

合金元素对马氏体分解的影响即过饱和固溶体中碳化物析出的影响；合金元素对残余奥氏体转变的影响；合金元素对碳化物形成、聚集、长大的影响；合金元素对铁素体回复再结晶的影响；合金元素对钢回火脆性的影响。

1.2.7合金元素对钢强度的影响

金属的强度一般是指金属材料对塑性变形的抗力。

而钢的强化机制的基本原理是阻碍位错的运动。

据此，为了提高钢铁材料的强度，常利用合金元素对钢的如下四种强化方式：

固溶强化、晶界强化（细晶强化）、第二相强化及位错强化。

通过对上述几种强化方式的运用，可以达到明显提高钢的强度的目的。

合金元素的加入，形成置换固溶体和间隙固溶体，从而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。

其与位错自身的弹性应力场相互作用，将显著增大位错运动时的阻力，达到强化钢的目的。

利用Al、Nb、V、Ti等合金元素与碳、氮结合形成难熔的第二相质点，从而阻碍奥氏体晶界移动，细化铁素体或马氏体晶粒。

通过细化晶粒来增加钢中的晶界数量，可以达到强化的目的。

合金化加淬火时效可以达到沉淀强化的效果，合金化可以为沉淀相的形成提供成分条件。

向钢中加入能降低层错能的合金元素后，通过变形能使位错密度显著增大，从而显著提高钢的强度。

1.3热处理技术的发展及展望

热处理的过程基本分为加热、保温和冷却三个阶段，通过对材料不同的性能要求，制定不同的热处理参数，如加热温度、保温时间、冷却速度，可以改变材料表面或内部的组织结构,以达到控制、改善材料的性能的目的。

同其他学科一样，金属热处理工艺学也是随着生产力的发展而不断发展的一门学科。

在我国，热处理工艺拥有悠久的发展历史，据考证铁器时代我国就已经出现了热处理。

铸铁一出现人们就需面对如何提高铸铁韧性的问题。

为了解决这一问题就发展了铸铁的柔化处理工艺，如铸铁的石墨化退火及脱碳退火[8]。

公元前六世纪，铁制品已得到相当大的发展，并在兵器的制作上得到了广泛的应用。

人们发现快冷时铁的硬度会明显升高，为了提高兵器等铁制品的硬度，钢的淬火工艺随之得到了快速发展。

后来人们又发现，不同的冷却介质对钢的淬火质量有一定的影响，例如三国时期陕西有位铁匠给诸葛亮打造兵器时淬火使用的水就是从成都取来的。

到了西汉，我国的热处理技术就已经得到了相当大的发展，据考古出土的一些铁制品就证明了那时的中国已经有了进行局部热处理的工艺。

如西汉中期墓葬中出土的宝剑，就已经应用了渗碳工艺。

其内外层的含碳量有较大差别，呈现一定的浓度梯度，其表面含碳量在0.6%以上，而芯部仅为0.15～0.4%。

在国外，虽说与我国相比热处理技术出现的时间较晚，但在近三个世纪，热处理技术随着资本主义的发展而迅速发展，并迅速超过封建保守的中国。

特别是19世纪以来显微科学快速发展，光学显微镜得到了较大改进，人类通过磨光、腐蚀能够观察钢及铸铁的显微组织。

英国金相学家和地质学家在1863年通过显微镜观察，第一次向人们展示了钢的六种不同的金相组织，并且验证了钢在加热和冷却时，钢的显微组织会发生变化，钢在较高温度时获得的相在快速冷却时会变成另一种硬度较高的相。

接着奥斯摩特创立了铁的同素异构理论，随后奥斯汀又制定了最早的铁碳相图，1930年贝茵通过对过冷奥氏体的等温变化的研究，制定了钢的过冷奥氏体等温转变曲线以及等温淬火工艺，这些均为以后各种热处理工艺的制定提供了理论依据[9]。

与此同时，为了避免金属在热处理过程中发生脱碳及氧化等，热处理过程中金属的保护方法也得到了全面快速发展，例如真空热处理或在热处理过程中加入保护气氛等。

二十世纪以来，随着热处理技术和其他新技术交汇融合发展，金属热处理工艺得到了前所未有的快速发展。

例如炉内碳势的控制技术的发展，20世纪初，利用转筒炉进行气体渗碳的技术在工业上得到了广泛应用；接着露点电位差计的出现，使人们可以控制炉内气氛的碳势，以后又相继发明了用二氧化碳红外仪、氧探头等技术与仪器，使炉内气氛碳势达到进一步可控；60年代，随着等离子场技术在热处理中的应用，出现了离子渗氮、渗碳的新工艺；而激光技术、电子束技术也被广泛的用于钢的表面热处理和化学热处理中。

现代机械制造及生产生活中，为保证机械产品的质量和机械零件的使用寿命,几乎所有的机械零件都需要热处理后才能够使用。

据统计，在机床的制造中需要进行热处理的零件占到总体的60～70%；汽车制造业中要进行热处理的零件更是占到了70一80%,而工模具制造业中的所以零件均必须进行热处理后才能使用。

对于机械零件，如果材料的选择适当，再配合适当的热处理工艺,就能成倍地提高机械零件的使用寿命[10]，从而提高产品质量，节约使用成本。

常用的热处理工艺主要是四把火，即退火、正火、淬火和回火，同时固溶处理和时效处理及表面热处理在工业生产中也都应用广泛。

根据热处理的过程中工件是否采取了防护措施及所采用的防护方法，热处理又可以分为无保护热处理、保护气氛热处理、真空热处理。

随着其他学科技术的发展，热处理设备的发展，热处理手段和技术得到不断完善，各种新技术在热处理中的应用，包括真空热处理技术、等离子热处理技术、激光热处理技术等一大批新型热处理新技术得到了迅猛发展。

当前在热处理的基础理论研究方面及一些新型热处理工艺方面的研究,我国与发达国家相比没有太大的差距。

但是由于工业基础较弱，与西方发达国家相比，我国在热处理设备制造以及实际工业生产水平等方面存在着明显的不足,至今未能完全扭转热处理工艺落后、热处理设备差的状况。

21世纪的今天，要想让我国热处理技术迎头赶上西方发达国家,我们应对国内外热处理技术的现状和水平有一个更全面的了解,掌握热处理技术的发展趋势，弥补自身的不足，发挥自身的优势,提高对先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备研制的投入力度,并将新技术用于传