等温温度对中碳贝氏体钢组织和性能的影响毕业论文Word文档格式.doc
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1.1贝氏体钢的概述 1
1.2国内外贝氏体钢的研究现状 1
1.3目前贝氏体钢的发展趋势 2
1.4本课题背景 3
1.5本文研究内容 3
第二章试验材料及方法 5
2.1试样制备 5
2.2热处理实验方案和实验工艺曲线的确定 5
2.3金相实验 6
2.3.1金相试样制备 7
2.3.2金相组织观察 7
2.4显微硬度的测试 7
2.5透射电镜 7
第三章试验内容与结果分析 9
3.1热处理实验后显微组织分析 9
3.1.1中碳贝氏体钢200℃等温处理 9
3.1.2中碳贝氏体钢250℃等温处理 10
3.1.3中碳贝氏体钢300℃等温处理 12
3.1.3中碳贝氏体钢330℃等温处理 13
3.2硬度测试结果分析 15
3.3透射电镜下组织的分析 18
结论 19
参考文献 20
致谢 22
22
第一章绪论
1.1贝氏体钢的概述
贝氏体钢是一种加热后空冷所得组织为贝氏体或贝氏体-马氏体复相组织的钢类，是使用状态下基体的金相组织为贝氏体的一类钢。
其化学组成是低碳和低合金元素，含碳量一般<
0.05％，主要合金元素是Mn，Cr，Ni，Mo，B等[1]。
按含碳量可以分为低碳贝氏体钢、中碳贝氏体钢、高碳贝氏体钢。
按合金成分可分为Mo-B系或Mo系贝氏体钢，Mn-B系贝氏体钢，Si-Mn-Mo系准贝氏体钢和其他的贝氏体钢，如低碳超低碳贝氏体钢、贝氏体复相钢[2]。
贝氏体刚与非调质钢相比，具有更高的塑性和韧性，与回火马氏体刚相比，具有更高的抗疲劳性能（包括冲击疲劳，应变疲劳）和耐磨性[3]。
其特点主要有：
（1）热成型后空冷自硬，可免除传统的淬火或回火工序。
从而节约大量的热处理费用，与热加工工艺结合，将大幅度降低成本。
（2）大量节约能源。
（3）免除淬火过程产生的变形，开裂，氧化和脱碳等缺陷。
（4）产品整体硬化，强韧性好，综合力学性能优良。
（5）使用上量大面广。
（6）减少环境污染。
（7）部分产品可将冶金生产与机械生产的工艺流程合并，实现全工序“超短生产流程”等[4]。
由于贝氏体系列钢种具有优异的特色和性能，制造成本低廉，正成为21世纪钢铁材料应用的奇葩。
它的逐步开发和应用，正逐步引起钢铁业和机械加工制造业工艺流程的变革，对推动相关科学技术的进步将起到不可估量的作用[5]。
1.2国内外贝氏体钢的研究现状
贝氏体系列钢种由于其优异的特色和性能及制造成本低廉，吸引了大批国内外学者的对其的研究和开发。
20世纪50年代，英国人PBPickering等[6]发明了Mo-B系空冷贝氏体钢。
Mo和B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。
但是由于Mo原料价格昂贵，同时Mo~B钢起始转变温度较高，产品强韧性差，且生产成本较高，因此其发展受到一定限制。
清华大学方鸿生等[7]在研究中发现Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上、下C曲线分离；
Mn与B结合，使高温转变孕育期明显长于中温转变，以此成功地用普通元素进行合金化，发明出Mn-B系空冷贝氏体钢。
西北工业大学康沫狂等[8]通过多年的研究，提出了由贝氏体铁素体（即低碳马氏体）和残余奥氏体组成的准（非典型或无碳化物）贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体钢。
其它类型的贝氏体：
李风照等[9]根据贝氏体相变原理研究出的超细组织空冷贝氏体钢，奥氏体-贝氏体复相钢，Si-Mn-Mo系贝氏体钢等。
1.3目前贝氏体钢的发展趋势
由于贝氏体钢具有良好的综合力学性能，而且其成本相对较低，因此贝氏体钢在实际工业生产中得到了广泛的应用。
在实际的生产当中有以下几种得到了广泛的应用：
贝氏体非调质钢，超高强度贝氏体钢，非调质易切削塑料模具钢，耐磨钢，贝氏体钢板材等[10]。
国内贝氏体钢的研究开发中，添加元素为一般合金元素，不存在冶炼、浇注、轧制等方面的困难，企业在不增加设备的情况下即可组织生产，只要具备空冷条件即可。
因此贝氏体钢以其性能价格比方面具有的明显优势，在我国的应用前景将十分广阔。
贝氏体系列钢的研究目前仍处于贝氏体相变机理研究与贝氏体钢的开发与推广应用阶段。
在开发贝氏体钢方面，应加强以下两方面的研究工作[11]。
（1）贝氏体钢产品品种的开发除对现有贝氏体钢的生产工艺进行完善与优化外，还应不断开发新的贝氏体钢品种，扩大贝氏体钢产品的应用范围[12]。
贝氏体钢在模具用钢、耐磨耐冲击钢、工程构件用钢等领域的开发研究将进一步深人，同时研究开发贝氏体钢在弹簧、建筑用高强度钢筋、齿轮、标准件等的使用。
（2）加强控轧贝氏体钢的研制从低合金高强度钢的发展趋势来看，开发研制控轧贝氏体钢是十分必要的[13]。
1.4本课题背景
近几十年来,贝氏体钢的研究开发已经引起学术界和工程界的高度重视,贝氏体钢的研究创新与实际运用取得了重大进展。
然而，实际生产中得到的中碳贝氏体钢并不是由单一贝氏体组织组成，往往是多种显微组织并存，因此并不能直接体现钢的力学性能与贝氏体组织之间的对应关系[14]。
针对这一情况，以中碳Mn-Ni-Cr-Mo钢为研究对象，在国内某钢铁公司进行控轧控冷试验。
通过对终冷温度与保温时间的控制，得到由全部针状状贝氏体，全部针状贝氏体以及粒状贝氏体+板条贝氏体组成的3种不同类型的中碳贝氏体钢。
经过对这3种不同类型的贝氏体钢进行金相组织观察和硬度测试后发现：
粒状贝氏体钢的强度最低，韧塑性最好；
板条贝氏体钢板的强度最高，韧塑性最差；
由粒状贝氏体+板条贝氏体组成的钢，其强度、韧塑性居中。
而中碳贝氏体钢具有较高的强度和韧性，而且工艺简单，易于成型，焊接性能优良，能够广泛应用在工程机械、造船和石油天然气输送管线等行业中[15]。
然而当前国内外学者对中碳贝氏体钢的研究仍主要集中于成分设计、轧制工艺以及相变机理等方面，对轧后回火工艺的研究还比较欠缺[16]。
本文通过不同温度的回火试验，研究回火前后性能的变化规律，试图探索得到最佳的回火温度区间及时间提供一定参考依据。
1.5本文研究内容
本课题采用回火炉对尺寸为Φ20×
20×
15mm的中碳钢试样先进行奥氏体化，在奥氏体区等温1h后取出在空气中分别冷却至设定的温度（200、250、300、330℃）之后迅速分批放入对应的四个炉子里等温特定的时间，然后在对应的时间段取出试样，在水中淬火1~2min取出空冷。
试验研究内容主要包括以下几部分：
1、制备试样，试样来源：
武汉钢铁厂；
2、热处理：
分别对1、2试样进行奥氏体化，然后在一定的温度（200、250、300、330℃）对试样进行不同时间（2、12、24、48、72、96h）的等温处理；
之后抛光、腐蚀，在金相显微镜下照相。
3、对热处理的试样进行显微组织分析；
4、用MH-3型维氏硬度计对热处理后的试样进行显微维氏硬度的测定；
5、用JEM-2000型透射电子显微镜进行组织分析。
第二章试验材料及方法
2.1试样制备
试验材料为试验用中碳贝氏体钢，状态为轧制态，试样尺寸为20×
15mm，其具体化学成分如表2-1。
表2-1试验用中碳贝氏体钢化学成分（wt%）
c
Si
Mn
p
s
V
Ni
Cr
Mo
0.300
1.50
5.14
0.008
0.0041
0.086
0.52
1.01
0.54
2.2热处理实验方案和实验工艺曲线的确定
为了在理论上对试验用中碳贝氏体钢热处理具体工艺作一个综合的预测，从而更好的指导实践上对等温时间、等温温度等参数的设置，我们首先采取了计算机模拟的方法，图2-2是对这些参量的一些综合的评估。
图2-1试验用中碳贝氏体钢的计算机模拟曲线
根据计算机模拟图所绘出的中碳贝氏体钢的TTT曲线，我们可以得出以下四点信息：
1：
贝氏体转变鼻尖温度在320℃左右；
2：
贝氏体转变的完全完成的时间大约为100h；
3：
贝氏体开始转变温度Bs350℃左右；
4：
Bf大约为160℃。
为了更加准确的探究中碳贝氏体钢在不同的等温温度下和对应不同的等温时间内贝氏体的转变量、显微组织的类型、显微硬度值等，从而更好的表征中碳贝氏体钢的组织与性能，我们采取以下方案：
中碳贝氏体钢试样在900℃加热1h使其奥氏体化后，空冷后迅速转移至200℃、250℃、300℃、330℃的回火炉中分别等温2h、12h、24h、48h、72h、96h后再立即放入流动的水中停留1~2min后，最后取出在空气中冷却，图2-2是等温温度的热处理工艺曲线图：
900℃等温1h
等温处理
等温温度
等温时间
图2-2贝氏体钢奥氏体化等温处理
2.3金相实验
为了研究同一试样在不同的等温温度、等温时间下贝氏体转变量和贝氏体转变类型等因素的影响，需要观察经不同等温温度处理试验后试样的微观组织，以便于对比进行分析。
金相实验包括两部分：
金相试样制备、显微组织观察。
2.3.1金相试样制备
在金相试样的制备过程中，先将试样在砂轮机上打磨（试样横截面为矩形，需要打掉四个棱角，以免打破抛光布），然后所暴露的试验面依次在80#、120#、180#、400#、600#、800#、1000#砂纸逐级打磨，之后用金相抛光机进行机械抛光，使磨面成为无划痕的光滑镜面。
经4%的硝酸酒精溶液腐蚀，腐蚀时将硝酸酒精滴在试样抛光面上，停留适当的时间待磨面变成浅灰色时，快速放到流动的水下清洗2~3min以除掉残留的腐蚀剂，立即用吸水纸轻轻贴在磨面上放到烘干机下快速处理，停留一定的时间，可先拿去吸水纸，再将整个试样吹干防止抛光面氧化，最后将试样放在金相显微镜下观察，如发现表面变形层严重影响组织的清晰度时，可采取反复抛光、腐蚀的办法去除变形层。
2.3.2金相组织观察
试样经过硝酸酒精浸蚀后，放在OLYMPUSPMG3金相显微镜下观察组织，适当的调节焦距和对比度，选择没有黑点或划痕的微区拍照且每个试样应选多处区域拍摄。
2.4显微硬度的测试
将试样在细砂纸上磨制后进行抛光，经腐蚀露出黑白相间的显微组织，然后再在MH-3型数显微维氏硬度计（载荷500mg,保载时间10s）上进行组织硬度测定，每个试样上面必须选取至少三个试验点，这些点必须涵盖不同的组织以表征不同区域的硬度值，然后取平均值作为试样最终的硬度。
2.5透射电镜
为了能够准确了解热处理后试样的具体组织构成，对试样内部组织进行亚结构的观察与分析。
经金相分析后，选取组织工艺较好的试样做透射电镜。
透射电镜实验同样包括两部分：
金属薄膜样品的制备、显微组织观察。
2.5.1透射电镜试样的制备
透射电镜对试样的要求就是小而薄，无假象，无变形。
线切割出20×
10×
0.3mm的透射电镜切片4片（其中2-200-96和2-330-96各两片），手工磨制试样从300μm到≤50μm，冲出φ30μm的试样，放到双喷电解仪上（电流50mA）进行减薄，电解液为10%的高氯酸+90%的无水乙醇,双喷电解抛光仪型号为MTP-1A，双喷时试样台夹持试样做阳极，双喷嘴喷出电解液做阴极，为了防止试样被氧化，向电解液中倒入液氮使电解液温度降至-15℃到-20℃。
双喷时的电压为40V，电流为50mA，双喷到试样中心减薄出一个微孔停止，取出试样放入清洗液中清然后取出试样，在酒精中清洗4次，再干燥。
2.5.2透射电镜试样的观察
处理好的金属薄膜样品，选取减薄较好的放于JEM-2100型高分辨透射电子显微镜下进行显微组织观察。
选择没有黑点或划痕的微区拍照且每个试样应选多处区域拍摄。
第三章试验内容与结果分析
3.1热处理实验后显微组织分析
3.1.1中碳贝氏体钢200℃等温处理后的显微组织分析
试验用贝氏体钢900℃奥氏体化1h然后在200℃箱式炉中进行不同时间的等温，取出水冷至室温，显微组织如图3-1所示。
a
b
d
c
e
f
e
f
图3-1中碳贝氏体钢在200℃等温后的室温组织
（a）2h（b）12h（c）24h（d）48h（e）72h（f）96h
如图3-1（a），在200℃等温2h后，组织中存在大量马氏体（图片中浅色组织）、少量黑针状的下贝氏体。
随着等温时间的延长，贝氏体转变量增加，马氏体逐渐减少，由图3-1（b）~（f）可以看出，在等温48h后，贝氏体明显增多，但是即使等温时间为96h，贝氏体的转变仍然是不完全的，大约占90%。
其原因可由TTT曲线看出，200℃等温时贝氏体转变的孕育期较长，在保温时间较短的情况下只有少量贝氏体的转变，直到48h后才能大量转变。
3.1.2低温段250℃中碳贝氏体钢等温处理后的显微组织分析
试验用贝氏体钢900℃奥氏体化1h然后在250℃箱式炉中进行不同时间的等温，取出水冷至室温，显微组织如图3-2所示。
b
图3-2中碳贝氏体钢在250℃等温后的室温组织
（a）2h（b）12h（c）24h（d）48h（e）72h（f）96h
由图3-2（a）可知在250℃等温2h后，组织中存在大量马氏体、少量黑针状的下贝氏体，说明贝氏体转变刚开始不久。
随着等温时间的延长，贝氏体转变量增加，马氏体逐渐减少，由图3-1（b）~（f）可以看出，等温时间小于72h时，贝氏体的转变量较少，在等温96h后，贝氏体明显增多。
同200℃等温组织相比，组织均有马氏体、贝氏体组成，且贝氏体形态相同，但是相同时间条件下，转变量下降，这是由于孕育期增加导致的。
250℃等温时，贝氏体转变的孕育期相对比200℃时的短一些，故贝氏体转变开始的时间相对提前于前者。
同理如上，等温2h的时候金相照片中仅有少许的黑针状下贝氏体，大部分区域为马氏体和残留奥氏体白色基体混合相。
随着等温时间的不断延长，从图a到图f，下贝氏体的区域逐渐增大，贝氏体形状不断变化，由细针状逐渐短粗化，且白色区域则相对减小。
在等温96h的时候，区域大部分为短粗且连续的黑色针状贝氏体条带区域。
纵观这六张图，总的趋势是黑色区域增大，白色区域减少，但可以看出组织分布很不均匀，尤其在等温72h的时候区域中有大片的间断黑白区，而白色区域里又夹杂有转变不完全的下贝氏体。
3.1.3300℃中碳贝氏体钢等温处理后的显微组织分析
试验用贝氏体钢900℃奥氏体化1h然后在300℃箱式炉中进行不同时间的等温处理，取出水冷至室温，显微组织如图3-3所示。
图3-3中碳贝氏体钢在300℃等温后的室温组织
（a）2h（b）12h（c）24h（d）48h（e）72h（f）96h
由图3-3（a）可知在300℃等温2h后，组织为马氏体和粒状贝氏体，并没有发现下贝氏体存在，说明下贝氏体的转变尚未开始。
但保温时间为12h时，组织中除了马氏体和粒状贝氏体，还出现了少量黑针状的下贝氏体，见图3-3（b）。
但是等温时间延长至96h，贝氏体转变量并没有明显增长，组织仍然是大量马氏体、粒状贝氏体和少量下贝氏体。
同低温段等温组织相比，组织均有马氏体，但是等温温度增高时，出现粒状贝氏体，并且，黑针状的下贝氏体明显减少，即使等温96h，贝氏体比例并没有明显增加，这可能是300℃接近TTT曲线的河湾区，各类转变都难以进行，等温后水冷时产生了大量的马氏体。
3.1.3330℃中碳贝氏体钢等温处理后的显微组织分析
试验用贝氏体钢900℃奥氏体化1h然后在330℃箱式炉中进行不同时间的等温处理，取出水冷至室温，显微组织如图3-4所示。
d
图3-4中碳贝氏体钢在330℃等温后的室温组织
经330℃不同时间等温后，组织为大量马氏体和粒状贝氏体，如图3-4（a）~（d）所示。
当保温时间达到72h时，组织中除了马氏体和粒状贝氏体，还出现了少量羽毛状的上贝氏体，见图3-4（e）、（f）。
同300℃等温组织相比，组织均有马氏体，粒状贝氏体，但是等温温度增高时，从如3-3（f）和3-4（f）比较来看，出现了羽毛状上贝氏体，但是上贝氏体依然很少，说明330℃也是出于TTT曲线的河湾区附近，各类转变都较难进行。
对比分析图3-1至图3-4，等温温度较低时，组织主要是下贝氏体和马氏体，随着等温温度的升高，贝氏体的转变逐渐变得难以进行，转变量较少，针状下贝氏体消失，组织为大量马氏体、粒状贝氏体和少量羽毛状上贝氏体。
3.2硬度测试结果分析
中碳贝氏体钢在不同的等温温度和等温时间下，会表现出不同的力学性能，本实验通过测量各个试样的显微硬度的关系来研究中碳贝氏体钢的性能。
以下四个图分别描述的是等温温度为200℃、250℃、300℃、330℃时等温时间与显微维氏硬度平均值的关系，那些散点即是在同一等温时间下不同区域测得的随机值。
试验钢在200℃等温不同时间后的显微硬度如图3-5所示。
图3-5试验钢在200℃等温时硬度分布3-6试验钢在250℃等温时硬度分布
在每一保温时间段内硬度的数值都比较分散，因为组织主要为马氏体、贝氏体的混合物，且呈条带状分布，组织不均匀
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