毕业论文设计t8钢热处理工艺及组织性能研究.docx
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毕业论文设计t8钢热处理工艺及组织性能研究
诚信声明
本人郑重声明：
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月日
毕业设计任务书
设计题目：
T8钢热处理工艺及组织性能研究
系部：
机械工程系专业：
材料成型及控制工程学号：
112018237
学生：
指导教师（含职称）：
（副教授）
1．课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，运用所学过的金属学及热处理等专业知识，了解T8钢的概况；熟悉T8钢的热处理工艺方法；认识T8热处理前后金相组织；找出热处理对T8钢组织和力学性能的影响规律，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。
2．主要任务
（1）制定T8钢热处理工艺，进行热处理实验。
（2）制备金相试样，观察分析T8钢热处理前后的显微组织。
（3）测定T8钢热处理前后力学性能，包括拉伸性能、硬度、冲击韧性等。
（4）分析热处理工艺、组织结构与力学性能之间的关系。
（5）撰写毕业论文。
结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。
3．主要参考资料
[1]刘旭麟，高路斯，刘顺华，等.T8钢淬火热处理组织的计算机模拟研究[J].热加工工艺，2006，35（6）：
44-46.
[2]王英杰，孙国宏.T8钢最佳预处理工艺的选择[J].热加工工艺，1995，（4）：
55-55.
[3]张玉琴，王谦，王玉琴.改善碳素工具钢组织性能方法探析[J].河南冶金，2001，（05）：
10-10
[4]王能为，孙艳.T8钢形变球化退火工艺[J].南方金属，2009，（166）：
23-25
[5]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京，机械工业出版社，2007：
230-308
[6]王佳杰，莫淑华，等，工程材料力学性能[M].北京：
北京大学出版社，2013,3
[7]束德林，等，工程材料力学性能[M]，机械工业出版社，2003.7
[8]那顺桑，李杰，艾立群，等金属材料力学性能[M]，冶金工业出版社2011.7
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
广泛阅读文献，制定热处理工艺并学习软件
3月3日~3月23日
2
完成热处理实验
3月24日~4月13日
3
完成试样制备及显微组织观察
4月14日~5月4日
4
完成力学性能测定及实验结果分析
5月5日~6月1日
5
完成撰写及答辩工作
6月2日~6月22日
审核人：
2015年1月16日
T8钢热处理工艺及组织性能研究
摘要：
本次实验主要研究热处理工艺对T8钢力学性能的影响。
通过制定不同热处理工艺方案，分别研究球化退火以及不同的回火温度对T8钢力学性能的影响。
实验中采用180℃、200℃和240℃回火温度作为实验中的变量，观察热处理后T8钢显微组织结构和晶粒的粗细程度。
另外为了解球化退火对T8钢力学性能的影响，试验中加入球化退火的热处理，以探究退火条件下对钢力学性能的提升程度。
结果表明：
淬火工艺钢的显微组织含有饱和碳的马氏体和奥氏体，因马氏体较多，所以钢硬度较高；低温回火后，其组织结构主要含有细小的回火马氏体，晶粒较细，提高了钢的韧性。
关键字：
T8钢，热处理，力学性能，显微组织
T8steelheattreatmentprocessandorganizationalperformanceresearch
Abstract：
ThisexperimentstudiedthemicrostructuresandpropertiesofT8steelthroughdifferent heattreatmentprocess.Bysettingdifferentprocessofheattreatmentscheme,studiedontheeffectofthedifferenttemperingtemperaturesonthemechanicalpropertiesofT8steel.Experimentswith180℃,200℃and240℃temperingtemperatureasvariablesintheexperiment,observationofT8steelmicrostructurestructureandthedegreeofthicknessofgrainafterheattreatment.InordertounderstandtheinfluenceoftheannealingonthemechanicalpropertiesofT8steel,theheattreatmentoftheballisaddedinordertoexploretheimprovementofthemechanicalpropertiesofthesteelundertheconditionofannealing.ResultsshowthatThemicrostructureofthequenchedsteelcontainsalotofmartensiteandaustenite,whichismoreandmorehigh,sothehardnessofthesteelishigher.Bylowtemperaturetempering,themicrostructureofthestructuremainlyincludesfinetemperedmartensite,finegrainsize,andthetoughnessofthesteel.
Keywords:
T8steel,heattreatment,mechanicalproperties,microstructure
1前言
1.1研究的目的和意义
钢，可以说是现代物质社会的基础。
中华人民共和国国家标准GB/T13304-91《钢分类》描述：
“以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。
”严格的说，钢是含碳量在0.0218%～2.11%之间的铁碳合金。
为了保证钢铁的塑韧性，含碳量一般不超过1.7%。
钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。
钢铁材料是工业中应用最广，用量最多的金属，其具有许多品种，力学性能也千差万别。
T8钢的含碳量为0.75%～0.84%，是一种平均含碳量为0.8%的高碳钢。
含Si：
≤0.35%；Mn：
≤0.40%；P:
≤0.035%；S≤0.030%，按冶金质量分类是一种优质钢。
按用途分类T8钢是一种工具钢。
含碳量的高低决定金属的焊接性，T8钢属于高碳钢，含碳量较高，导热性能较差，引起加热区和未加热区存在的温差较大。
当冷却速度过快时，由于存在温差易产生裂缝；其次高碳钢对淬火温度变得更加敏感，临近裂纹区，易产生马氏体组织。
由于焊接高温的影响，晶粒长大过快，碳化物易在晶界上集聚，使焊接接头强度变低[1]。
高碳钢焊接时更容易比中碳钢产生裂纹。
目前T8钢主要用作需要具有较高硬度和耐磨性的各种工具，如形状简单的刃具、模具，但是韧性低，不易制作承受较大载荷的工具。
T8钢由于含碳量较高，过剩碳化物极多，如果采用的热处理工艺不合适，在服役早期易出现开裂和破碎的现象。
通过对T8钢热处理的温度、保温时间、冷却介质等因素的研究，以及材料显微组织的观察，测定材料力学性能，从而确定合理的热处理工艺流程。
这就极大地防止了失效现象的发生，从而提高设备的使用寿命。
1.2国内外研究进展
辽宁科技大学材料与冶金学院，中国科学院金属研究所通过热处理试验，研究了T8钢组织和性能随球化退火时间、淬火温度及回火温度的变化。
结果表明:
T8钢在600℃球化退火2h后，原始组织中的碳化物即可获得充分球化，以粒状形式细小均匀地分布在基体中，延长退火时间不显著改变碳化物的球化效果；试样经（770±10）℃保温，6min油淬后，获得的隐晶马氏体组织硬度最高，试样经180～210℃回火1h空冷后，消除了淬火过程中产生的残余应力，最终获得有球状碳化物均匀分布的隐晶马氏体组织，回火试样硬度较淬火态略有下降[2]。
内蒙古科技大学材料与冶金学院研究发现:
T8钢中珠光体表面浮凸效应常被作为马氏体或贝氏体相变特征讨论对预先抛光3mm厚的T8钢试样进行真空热处理，加热到1050℃,保温40min炉冷。
随后分别用Quanta-400型环境扫描电镜、Nanofirst-100扫描隧道显微镜和光学显微镜，对未浸蚀的试样观察分析，接着对试样进行腐蚀，进行金相分析。
结果表明片状珠光体存在表面浮凸效应,并且呈"Λ"型[3]。
从而说明表面浮凸是奥氏体向珠光体转变时比容增加，体积膨胀的结果。
同时通过对马氏体性和机制的研究，学术界普遍认为马氏体相变机制是切变机制,但与实际基本上不符。
从理论分析和实验观察两方面综合论证了切变机制的缺陷指出:
（1）表面浮凸是相变体积膨胀所致，不具备切变特征，表明切变机制缺乏实验依据；
（2）马氏体相变驱动力不足以克服相变阻力。
切变消耗的切变能量太大，达208～320×103J/mol远大于相变驱动力；（3）马氏体相变晶体学形核模型和切变长大模型均难以解释实验现象。
并且进一步探讨了新机制，指出马氏体相变是原子集体、协同的、无扩散的热激活跃迁位移，在此过程中马氏体中产生极高的位错密度，与奥氏体保持半共格[4]。
新的机制符合热力学条件，在晶体学、形态学上都可解释实验现象。
早在1891年,美国冶金学家ＨＭＨｏｗｅ发表的专著认为:
钢中随着碳含量的增加,塑性下降,含碳（ｗ）10%～17%的钢拉伸时的伸长率只有2%～3%,主要原因是过共析钢中随着含碳量的增加,脆性的先共析网状碳化物增多增厚的缘故所致。
超高碳钢（Ultrahighcarbonsteels简称为UHCS）是指含碳量为1.0%～2.1%的过共析钢,具有高的超塑性和良好的综合力学性能[5]。
通过深入了解国外超高碳钢的研究成果，超塑性及超塑处理工艺、合金元素的作用、力学性能及层状复合超高碳钢特点，提出了超高碳钢的研究方向,为以后研究提供理论依据。
1.3热处理工艺应用
生产中金属工件具有理想的物理、化学和良好的力学性能，除了选用合理的成型工艺和材料外，热处理往往也具有至关重要的作用。
钢铁的显微组织比较复杂，但在机械工业中应用却非常广泛。
通过热处理工艺可以对其进行控制，从而满足生产中的需要。
热处理的目的是改变钢内部结构，改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，进而延长机器零件的寿命。
选择合理的热处理工艺不仅可以强化材料，而且可以挖掘材料性能潜力、降低机构重量、节省能源降低成本[6]。
材料的热处理一般包括：
正火，退火、淬火、回火四部分。
而每一种热处理工艺的作用以及应用范围也是不一样的。
正火工艺在消除工件生产过程中产生的开裂等过热缺陷的同时，对组织也有细化晶粒的作用，这也提高了材料力学性能。
钢的退火工艺根据临界温度的不同，包括不同的类型。
临界温度在Ac1或Ac3以上的退火有扩散退火、均匀化退火、不完全退火、完全退火、球化退火；在临界温度下的工艺包括去应力退火和再结晶退火。
T8钢作为一种共析钢，适合采用球化退火的工艺。
通过球化退火降低了钢的硬度，提高了塑性和切削加工性能。
碳钢的淬火加热温度一般由铁碳合金相图决定的。
由于存在高硬度的渗碳体和马氏体就能保证高的硬度和耐磨性[7]。
淬火工艺应用最为广泛，其在机械制造业，化学与化工业、航空业都有应用。
淬火工艺规范包括
（1）淬火加热方式、
（2）加热温度、（3）保温时间、（4）冷却介质及冷却方式等[8]。
确定工件淬火规范的依据主要是通过铁碳合金相图，来确定淬火的温度，其次是根据工件的图纸及技术要求来确定保温时间和冷却方式。
只有充分了解工件的性能，才能正确的确定合理的淬火工艺。
回火具有稳定组织，消除淬火应力的作用，因此在进行淬火工艺后紧接着需要进行回火工艺，以此来调整钢的硬度、强度和塑韧性。
T8钢由于含碳量较高，并且需要较高的硬度和耐磨性，以此采用的是低温回火工艺。
多年来，这一钢种虽然已积累有丰富的生产与应用的经验，但在实际生产中，仍会出现许多使用不当之处，结果没有充分发挥该钢所具有的性能潜力，造成大量浪费。
其中，因热处理工艺的制订及操作不合理而引起工件开裂是一种常见现象。
1.3研究内容
本次课题主要是研究在不同的热处理工艺下对T8钢进行材料力学性能的测定。
这其中包括了对试样进行显微组织的观察。
进行拉伸试验，测定T8钢的屈服强度、抗拉强度和材料的塑韧性变化。
硬度和冲击试验分别测量其在静载荷和动载荷作用下，试样的硬度和冲击韧性的变化。
利用所得到的实验结果进行系统的分析，最终确定合理的热处理工艺。
1.4本章小结
本章主要介绍了热处理工艺在生产中的应用以及发展现状，正火和退火作为热处理预处理工艺，根据试样的力学性能选择合适的工艺。
经过预处理后改善了材料的切削加工性能，为最终热处理做准备，而淬火和回火作为最终热处理两者一般密不可分。
不同的热处理工艺在生产中扮演着不同的角色。
金属材料进行热处理在生产中变得必不可少，经过热处理的材料力学性能得到优化，满足了生产的需要。
此外还详细的介绍了T8基本结构以及主要的组成成分以及国内外对于T8钢研究进展。
T8钢是一种优质的钢种，在我们生活中随处可以看到它的存在，说明它应用广泛。
2实验过程
2.1热处理工艺制定
2.1.1热处理工艺基础
铁碳合金相图是研究碳钢组织、确定其热处理工艺的重要依据。
如2-1图所示，铁碳合金在室温的平衡组织均由铁素体（Ferrite,简称F）及渗碳体（Fe3C又称Cementite）组成。
图2.1铁碳合金相图
表2.1铁碳合金相图各点的含义
符号温度℃
含碳量%含义
A1538
0纯铁的熔点
B1495
0.53包晶转变合金成分
C1148
4.30共晶点
D1227
6.69Fe2C的熔点
E1148
2.11碳γ-Fe在的最大溶解度
F1148
6.69Fe2C的成分
G912
0
H1495
0.09碳σ-Fe在的最大溶解度
J1495
0.17包晶点
K727
6.69Fe2C的成分
N1394
0
P727
0.0218碳α-Fe在的最大溶解度
S727
0.77共析点
Q600
0.0057碳α-Fe在的最大溶解度
铁碳合金相图是进行热处理实验的基础，只有充分的了解相图中各点所代表的含义、各个相区的组织结构，才能对热处理工艺后的组织进行系统的分析。
此外除了确定热处理的加热温度外，通过相图我们还可以确定试样的保温温度以及保温时间。
热处理工艺包括三部分：
即加热、保温、冷却。
而热处理包括预处理和最终热处理两部分。
正火和退火作为两种预处理手段，根据实际的生产要求而选择其中一种。
正火作用主要是消除网状的二次渗碳体，提高硬度，改善切削加工性能。
T8钢正火温度一般在800～850℃范围内完全奥氏体化，内部组织有二次渗碳体转变为较细的珠光体组织。
T8钢的球化退火处理使T8钢中珠光体中的层状渗碳体球化，变成球状渗碳体，为淬火作好组织准备。
将T8钢加热到Ac1以上20～40℃，保温一段时间，然后缓慢冷却到600℃以下再出炉空冷。
在随后缓冷过程中，以原有细小渗碳体为核心，或在奥氏体中碳原子富集的地方产生新的核心，均匀地形成颗粒状渗碳体[9]。
钢的淬火温度较高，与材料的淬透性有关。
T8钢淬火温度为760～780℃最为合适，冷却介质一般为水或油。
T8钢的回火工艺是由钢的具体用途决定的。
在实际的生产中要求T8钢具有较高的强度和硬度，因此一般采用低温回火热处理工艺，回火温度为150℃～250℃。
低温回火过程中残余奥氏体转变为回火马氏体而碳化物以渗碳体的形式保留下来。
低温回火后，T8钢的组织为回火马氏体和渗碳体[9]。
低温回火后T8钢的硬度和耐磨性较淬火态时的硬度和耐磨性略有下降，但相对于未经热处理的试样而言，其保持了淬火后的高硬度和高耐磨性。
同时，还降低淬火内应力和脆性。
热处理实验主要仪器有箱式电阻炉、淬火用水槽、钳子等设备。
试验中加热设备主要是箱式电阻炉（SX-5-12B），如图2.2所示。
图2.2型号SX-5-12B箱式电阻炉
实验中采用的工件主要有两种：
一种是用于拉伸试验的T8钢棒料；还有一种是具有“U型”缺口的标准块。
将5个T8试样分别标记为方案1、2、3、4、5.五个方案采用不同的热处理工艺。
方案1不进行任何热处理工艺，作为实验的对照组。
方案2试样放入加热炉中，进行淬火工艺处理，炉温设定为760℃，保温30min，用水冷却到室温。
进行低温回火炉温设定为200℃，保温30min，出炉空冷至室温。
方案3试样先进行球化退火，温度设定为740℃，保温30min，随炉冷却到600℃，从加热炉中取出，在空气中冷却到室温。
按照方案2进行淬火和低温回火工艺。
方案4.5研究的是不同的低温回火温度对试样的影响，因此在控制球化退火和淬火温度、保温时间、冷却方式相同的前提下，改变低温回火工艺的温度，达到研究目的。
方案4低温回火的温度设定为240℃，方案5低温回火温度设定为180℃，保温时间控制在30min，出炉空冷至室温。
2.2试样制备和显微组织观察
金相制备过程中主要用到各种型号的粗细砂纸，抛光机、研磨膏以及抛光时需要用到不同的抛光布和研磨膏。
试样的浸蚀要使用4%的硝酸酒精溶液。
试样的研磨是进行金相制备的第一步，包括两步:
粗磨和细磨。
材料试样先在粗砂纸上研磨，研磨时方向保持一致，待等到将表面的氧化膜磨掉后，再调换另一方向。
研磨时要注意及时加水冷却，既可以粗磨效率，也可以防止粗磨温度过高而发生组织改变。
细磨之前应先将试样的四周磨光，避免细磨时在将砂纸或抛光布划破。
粗磨结束后先用清水清洗一下试样，防止表面残留粗颗粒划伤试样。
细磨是消除粗磨时产生的磨痕，为试样磨面的抛光做好准备。
粗磨平的试样经清水清洗并吹干后依次在由粗到细的砂纸上研磨。
握住试样使磨面与砂纸平行，在轻微压力的作用下把试样向前推磨，用力均匀，试样退回时不可与砂纸接触，防止划伤磨面[10]。
金相试样的细磨不仅要使表面光滑平整，而且尽可能减少表层的二次损伤。
最后一次细磨应该将产生的磨痕最大程度的磨浅，保证抛光可以去除磨痕。
抛光是金相制备重要的环节，其主要作用是除去磨面上的划痕，使磨面光滑、平整。
实验中采用的是机械抛光的方法，抛光机主要由电动机和抛光圆盘组成。
转盘的速度为700～900r/min。
机械抛光就是靠极细的抛光膏与磨面的磨削和液压作用达到抛光目的。
抛光时将试样的磨面均匀的压在旋转抛光布上，并沿着转盘的边缘到中心的顺序进行往复运动。
抛光时间一般为3～5min，抛光后的试样，磨面应该光亮并且没有划痕。
这时，先将试样用清水冲洗，再用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干。
试样如果需要多次抛光处理，进行第二次抛光处理前应将抛光布放在清水中浸泡，并充分的清洗，防止抛光布残留的粗颗粒划伤磨面。
试样的浸蚀是利用无机化学原理进行的。
利用浸蚀剂对试样表面的化学溶解作用来显示组织，因此经过浸蚀的试样表面会出现轻微的凹凸不平，在垂直光线的照射下将显示明暗不同的晶粒[10]。
将试样的磨面浸入浸蚀剂中，也可以用棉球蘸去浸蚀剂在试样磨面不停地擦拭直至试样磨面发暗就可以停止。
浸蚀过程中应该注意控制腐蚀时间，可重复进行腐蚀，但时间要短。
如果浸蚀过度金相就会受到破坏。
浸蚀结束后可以用清水清洗，用吹风机吹干存放。
2.3材料力学性能测定
洛氏硬度计（HR-150A）是一种普及型的洛氏硬度测试仪器，主要适用于材料的洛氏硬度实验，如图2.3所示。
图2.3洛氏硬度计
洛氏硬度的实验原理如图2.4所示，用金刚石圆锥体压头或一定直径的钢球压头，在初试验力和主实验力的先后作用下，压入试样表面，保持5秒钟时间，卸除主实验力，保留初实验力此时的压入深度为h1,在初试验力的作用下压入的深度为h0，它们之差e（h1-h0）来表示压痕深度的永久增量。
每压入0.002mm作为一个洛氏硬度单位。
图2.4洛氏硬度原理图
在实验原理基础上，进行硬度测定实验，具体步骤如下：
1.根据试件的技术要求选择标尺，选择金刚石圆锥体压头和初实验力。
2.将压头安装在测杆孔中，贴紧支撑面，把压头的紧固螺栓拧紧，将试件放在实验台上。
3.加载初实验力。
转动旋轮使丝杆上升，上升速度要平稳，速度不可过快。
当压头与试件接触时，注意观察表盘上的大、小指针。
小指针从表盘上的蓝点转到红点，大指针转过三圈至C位前后五小格范围内，初实验力加载完成。
4.调零。
大指针对准零位，加载实验力，保持5秒钟左右，卸载。
此时大指针的读数即为材料的硬度值。
5.下降试验台，则一次实验循环结束。
如需重复试验，可按以上步骤重复操作。
冲击试验采用的仪器为摆锤式冲击试验机，是一种通过一次加载将试件打断的实验仪器，如图2.5所示。
图2.5摆锤式冲击试验机
衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。
冲击韧度是通过冲击试验来测定的。
这种实验是在一次冲击载荷作用下显示试件缺口的力学性能[11]。
由于实验仪器等外部因素的影响，实验所得到的冲击韧性不能作为技术参数用在实际的计算当中，但是它给我们提供了一种判断材料力学性能和检查热处理工艺是否合理的方法。
冲击试验用的是U型缺口的标准试样，尺寸为10*10*55mm。
根据国家标准规定，标准块的加工技术要求如图2.6所示。
图2.6标准块技术参数要求
冲击试验是根据冲击试样消耗的能量是摆锤分别在H1和H2处的势能差，忽略空气阻力和摩擦力，遵循能量守恒定理进行的。
将试样按照图2.77所示放好，将摆锤举到高度为H1处自由落下冲断试样即可。
摆锤在H1处具有的势能为:
E1=GH=mgH1（式2-1）
冲断试样后摆锤在H2处所具有的势能为:
E2=GH=mgH2（式2-2）
势能之差E-E1即为冲断试样所消耗的冲击功Ak:
AK=E1-E2=mg（H1-H2）（式2-3）
式中，G为摆锤的重力，H1为冲断试样前摆锤扬起的最大高度；H2为冲断试样后摆锤所扬起的最大高度。
图2.7摆锤冲击试验原理图
进行冲击试验时应该按照实验步骤进行操作，避免因为操作不当发生危险。
实验时要随时观察并记录数据。
1.测量试样的几何尺寸和缺口的横截面积。
2.根据估计材料的冲击韧性选择合适的摆锤和表盘。
3.如原理图所示安放试样，试样的背面朝向摆锤下落的方向，尽量使断口位于摆锤冲击的正中位置。
4.进行试验。
将摆锤举起到高度为H1的位置锁住，然后释放摆锤，冲断试样后等到摆锤扬起到最高位置，即将回落时，锁住摆锤记为H2。
5.记录表盘上所示的冲击功AK值，取下试样。
观察断口。
实验完毕，将试验机复原。
6.冲击试验时要特别注意人身安全。
图2.8电子万能拉伸试验机
拉伸试验采用的是电子万能试验机，型号为DNS200，最大负荷为20000千克，如图2.8所示。
根据国家标准GB6397——86规定制作标准试样，如下图所示为常用的圆形截面试样。
如图2.9所示
图2.9圆形截面标准试样技术参数
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