冷却速度对中强度普通碳钢显微组织的影响Word文件下载.docx

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Xxxxxx

xxxxxxxxxx毕业论文（设计）任务书

院（系）：

机电工程系

姓名

学号

毕业届别

2012

专业

毕业论文（设计）题目

指导教师

学历

博士

职称

副教授

所学专业

材料学

主要内容：

1.分析冷却速度对中强度普通碳钢内部显微组织引起的变化规律。

2.研究由碳钢组织变化而引起的使用性能的影响。

基本要求：

1.论文格式符合要求，内容丰富、紧密，论据具有科学依据和较强的说服力。

2.查阅与论文相关的资料，提出论点、综合论证、总结写作。

主要参考文献：

[1]王文才，刘根生等，含碳量和冷却速度对中碳低合金钢组织性能的影响及应用[J]河北工业大学学报.2002.10,第31卷：

第5期

[2]王斌，周晓光等，超快冷却对中碳钢组织和性能的影响[J]东北大学学报（自然科学版）.2011.1,第32卷：

第1期

进度安排：

2012.2.25～2012.3.8开题，收集相关资料文献

2012.3.9～2012.5.9阅读资料文献撰写论文初稿

2012.5.9～2012.5.20对初稿进行修改并最终定稿

指导教师（签字）：

年月日

院（系）意见：

教学院长（主任）（签字）：

备注:

[摘要]冷却是热处理在工件加工工序中最重要的一个环节。

在冷却过程中工件内部显微组织会发生相变。

冷却速度大小的控制对显微组织的定向改变起着至关重要的作用。

合理的控制冷却速度能得到所希望的组织，达到性能的要求。

随着工业技术的快速发展，市场对钢件性能的要求也在不断提高，选择适当的冷却速度对钢件的性能的改善很重要。

在现实生产过程中，钢件本身的性能往往无法达到预期的要求。

研究冷却速度对中强度普通碳钢显微组织的影响，目的就是为了更好地控制过冷奥氏体转变为珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。

研究发现，在一定范围内，冷却速度越大，相变所发生开始和结束的温度下降越明显，组织中铁素体的含量也就越少，晶粒会明显细化，强度和韧性方面有所改善。

因此，研究冷却速度对中强度普通碳钢显微组织性能的影响，可以更好地满足人们在使用中对钢件性能的要求。

[关键词]冷却速度；

显微组织；

相变；

性能

[Abstract]Coolingheattreatmentinworkpieceprocedureisoneofthemostimportantlink.Intheprocessofcoolingtheworkpieceinternalmicrostructurewillchangephase.CoolingratecontrolonMicrostrutureofdirectionalchangeplaysavitalrolein.Reasonablecontrolledcoolingratecangetthedesiredtissue,reachingperformancerequirements.Withtherapiddevelopmentofindustrialtechnology,themarketforsteelperformancerequirementsarealsorising,selectionofapprppriatecoolingrateonsteelpartsoftheperformanceimprovementisveryimportant.

Intherealproductionprocess,thesteelitselfperformanceoftencannotachievethedesiredpequirements.Studyofcoolingrateonstrengthmicrostructure,thepurposeistobettercontrolthesupercooledaustenitetransformsintopearlite,bainite,martensiteortheirmixedorganization.Astudyreveals,withincertainrange,thelargerthecoolingspeed,phasechangeoccurredinthebeginningandendoftemperaturedropismoreobvious,inferritecontentislessobviously,grainrefinement,strengthandtoughnessisimproved.Therefore,studyonthecoolingspeedonthestrengthofordinarycarbonsteelmicrostrutureperformanceinfluence,canbettermeettheneedsofpeopleintheuseofsteelcomponentsperformancerequirements.

[Keywords]coolingrate;

microstructure;

phasechange;

performance

目录

一、绪论....................................................................1

（一）碳钢在生产生活中占有重要的地位....................................1

（二）热处理中的冷却速度................................................1

（三）常见的几种冷却方式................................................1

1.平衡冷却..........................................................1

2.恒速冷却..........................................................1

3.变速冷却..........................................................2

4.等温冷却..........................................................2

二、冷却速度对中强度普通碳钢孕育期的影响....................................2

（一）冷却速度与孕育期关系的规律........................................2

（二）孕育期与显微组织的关系............................................4

三、常规冷却速度对中强度普通碳钢显微组织的影响..............................5

（一）冷却速度对晶粒度和晶粒数的影响....................................5

1.冷却速度对晶粒度的影响............................................5

2.冷却速度对晶粒数的影响............................................5

（二）冷却速度对晶体相变影响的特点......................................6

（三）不同冷却速度下的金相组织..........................................7

1.冷却速度对铁素体组织影响..........................................7

2.冷却速度对贝氏体组织影响..........................................8

（四）淬火条件下的碳钢显微组织..........................................9

1.淬火介质的选取....................................................9

2.淬火冷却速度对碳钢性能的影响......................................9

3.淬火冷却速度对晶体组的影响.......................................10

（五）冷却速度过快带来的负面影响.......................................10

1.魏氏体组织的生成.................................................10

2.阻止魏氏体生成的方法.............................................11

四、超快冷却对中强度普通碳钢显微组织的影响.................................11

（一）超快冷却对碳钢性能的影响.........................................11

（二）超快冷却对碳钢显微组织的影响.....................................12

结论.......................................................................14

致谢.......................................................................15

参考文献...................................................................16

一、绪论

（一）碳钢在生产生活中占有重要的地位

中国拥有悠久的金属材料史，上至几千年前就发现了人类对金属的使用。

据史料记载，人类在公元前2800年就已经掌握了铁的熔炼。

钢的应用的时期虽然难以确定，但一直居于世界先进行列。

在众多钢材中中强度碳钢的使用倍受人们的青睐。

碳钢在钢铁行业中也别叫做碳素钢，是指含碳量小于2.11%的铁碳合金，其中也含有Mn、Si、P、S等杂质元素。

中强度碳钢不仅具有尽可能高的屈服强度，而且具有良好的韧性和可塑性，因此，中强度碳素钢被广泛的应用到石油、化工、国防、造船、输送管道、桥梁、车辆等领域。

总之，人们的生活离不开碳钢，并且至今为止没有任何一种东西可以代替碳钢的存在。

中强度碳钢的力学性能具有综合性和优异性，这主要取决于碳钢的成分和组织的分布。

但是，碳钢的热处理是发挥碳钢潜力的最有效手段之一，而冷却是热处理中最重要的一个环节。

（二）热处理中的冷却速度

对中强度碳钢在冷却过程中发生相变的热处理，通过合理控制冷却速度就能达到碳钢在使用中所需求的性能要求。

例如，共析成分的碳钢进行热处理时，通过合理的控制温度，将碳钢加热到单相奥氏体区（A1线以上），在保温一定的时间后，观察晶体组织发现组织此时转变为奥氏体组织，特点：

均匀，单一。

然后开始冷却，在冷却过程中，过冷奥氏体会逐渐转变为珠光体[1]。

随着冷却速度的增加，得到珠光体的片间距减小，碳钢的强度、硬度、塑性提高。

当冷却速度大于临界冷却速度时显微组织中将生成贝氏体或马氏体，此时的碳钢硬度最高。

但当冷却速度过大时，组织中会有魏氏体的出现，魏氏体是一种有害组织。

它是分布在原奥氏体晶粒内部呈针状的先共析铁素体[2]。

魏氏体组织的出现会降低碳钢的力学性能，从而影响碳钢的使用性能。

由此可以看出，要想使中强度碳素钢具备良好了力学性能，冷却速度的选择就显得尤其重要。

（三）常见的几种冷却方式[3]

冷却方式可以根据冷却条件分为两大类，即平衡冷却（近于平衡冷却）和非平衡冷却。

再细分，非平衡冷却又可分为恒速冷却、变速冷却和等温冷却。

1．平衡冷却

平衡冷却的特征是冷却的速度非常缓慢，这有利于显微组织的充分转变，这种冷却条件是不需要考虑时间因素对相变的影响。

相图就是在这种冷却条件下得到数据绘制而成的。

2．恒速冷却

恒速冷却在生产过程中是没有的，它的冷却速度是一个定值，恒定不变。

恒速冷却是用于冷却转变动力学研究的一种冷却，即使在比较先进的实验室也不容易控制冷却的速度恒定不变。

一般用尽量控制冷却速度的一段时间内冷却速度的平均值作为恒速冷却时的冷速。

3．变速冷却

变速冷却是碳钢在热处理中一种常见的冷却条件，这种冷却的速率是时时发生变化的，它随温度的不同而发生变化。

即使在同一个工件中，冷却速率也会应为位置的不同而不一样。

4．等温冷却

等温冷却的特征是温度不随时间变化，将奥氏体化后的工件加入到等温炉中进行保温，在工件保温的过程中，内部显微组织会发生相变。

这种冷却在实际生产中是有应用的，如等温淬火、等温退火等。

等温冷却被广泛用于转变动力学的研究。

二、冷却速度对中强度普通碳钢孕育期的影响

（一）冷却速度与孕育期关系的规律

在TTT图中，纵坐标和转变开始线之间的区域称为孕育区，而这个区域的横坐标的长度被称为孕育期。

在这一区域内，过冷奥氏体是处于一种亚稳定状态，但内部组织并未发生晶相间的转变。

影响孕育期长短的因素除了与碳钢内合金元素和奥氏体晶粒尺寸有关，还与冷却时的速度有关。

经研究发现冷却速度的选取会对孕育期的长短产生影响。

图135CrMo（400℃等温）冷却速度与贝氏体转变孕育期的关系

Fig.1400℃isothermaltime,therelationshipbetweenthe

coolingrateandtheincubationperiodofbainitetransformation

of35CrMosteel[4]

由图1可知，在冷却速度较小的阶段冷却速度对孕育期时间长短的影响较大，在冷却速度较大的阶段，随着冷却速度的增加，孕育期时间长短变化不大。

图235MnNiCrMo（400℃等温）冷却速度与贝氏体转变孕育期的关系

Fig.2400℃isothermaltime,therelationshipbetweenthecoolingrate

andincubationperiodofbainitetransformationof35MnNiCrMosteel[4]

由图2可知，当冷却速度较小时，转变孕育期时间长短的增加的较快，当冷却速度增加到一定程度（60℃·

s-1）后孕育期几乎为一定值，变化不大。

图335CrNi3MoV（400℃等温）冷却速度与贝氏体转变孕育期的关系

Fig.3400℃isothermaltime,therelationshipbetweenthecooling

rateandtheincubationperiodofbainitetransformationof35CrNi3MoVsteel[4]

由图3可知，当冷却速度较小时对孕育期的影响也是比较显著的。

逐渐增大冷却速度到40℃·

s-1以后，孕育期也几乎是一个水平直线，没有什么大的起伏变化。

图4W18Cr4V（700℃等温）不同奥氏体化温度下的冷却速度与孕育期的关系

Fig.4700℃isothermaltime,therelationshipbetweentherateandincubationperiod

ofW18Cr4Vsteelunderdifferentaustenitetemperature[4]

由图4可知，钢即使在不同奥氏体温度下的冷却速度与孕育期的关系也大致相近，在冷却速度小时对孕育期的影响都是很明显的，冷却速度较大时影响就会变小且平缓。

综上，当冷却速度较小时对孕育期的影响较大,孕育期的变化速度迅速，当冷却速度变大时对孕育期的影响就会变得小且平缓，趋向于某一个值。

从1～4图中可以看出，冷却速度对孕育期的影响曲线都会有一个峰值。

上升阶段，由于VC越小，相变前的预备过程就越充分，从而孕育期越短。

奥氏体的不稳定性随着VC的增大而增加，但也使奥氏体点阵的刚性增大，阻碍了碳原子的扩散，又使得孕育期变长，综合以上因素，孕育期是增大的；

下降阶段，随着VC的增加，在高温区保持时间缩短，奥氏体的均匀化程度会降低，为珠光体的形核与长大提供有利的条件。

还有就是过冷度随着VC的增加而增大，这为奥氏体的相变提供了动力，所以表现为孕育期的变短。

中强度普通碳钢的过冷奥氏体的孕育期与冷却速度的关系同样遵循上述规律。

只是峰值出现的位置和孕育期的长短有所差异。

（二）、孕育期与显微组织的关系

孕育期保证了奥氏体过冷的可能性，如碳钢的孕育期在500－600℃这个温度区间是最短的,且奥氏体向珠光体的转变速度也是非常的快。

如果控制温度低于或高于这个温度区间，碳钢的孕育期就会相应地增加，相变的速度也会变慢。

因此，了解冷却速度对碳钢孕育期的影响可以得到最短孕育期，从而使显微组织更快的发生相变，而晶相转变的速度会最终影响碳钢内部显微组织的形态。

钢件晶体组织形态的不同最终表现为性能的不同。

三、常规冷却速度对中强度普通碳钢显微组织的影响

（一）冷却速度对晶粒度和晶粒数的影响

1.冷却速度对晶粒度的影响

晶粒大小的尺寸称为晶粒度。

表示晶粒度大小的方法有计算晶体的平均面积和晶体的平均直径，计算所得到的晶粒度越大，说明晶体越细小，也就越好。

改变晶粒度的大小是强化钢件的重要热处理手段之一，而冷却速度对晶粒度有很大的影响。

因此研究冷却速度对晶粒度的影响是很有必要的。

图5Q235钢晶粒度与热变形工艺和冷却速度的关系曲线

Fig.5Q235steelgrainsizewithhotdeformationandcoolingratecurve[5]

图5反映了Q235这种钢材的晶粒度与热变形工艺和冷却速度的关系。

图中三条曲线的热变形工艺为a:

总变形53%（相对变形21.9%、19.8%、24.8%），b:

总变形量53%（相对变形20.6%、24%、22%），c:

总变形量42%（相对变形16%、16.1%、17.7%）。

我们可以从图5中看出，控制冷却速度越大，Q235钢件的晶体越细。

最小处达到了6.4um。

由此变化的原因是冷却速度变大，过冷度也变大，晶体形核率和长大速度也随着变大。

但晶体的长大速度增加的比较慢，所以晶体会变得细小。

由上图还可以得出，并不是一味的增加冷却速度就可以最大程度的细化晶粒，b和c曲线在冷却速度大于15℃·

S-1时晶体反而会变得粗一点。

所以选择适当的冷却速度能够使晶体晶粒更加地细化，从而使晶体的总体质量得到改良。

2.冷却速度对晶粒数的影响

金属液冷却过程中，冷却速度的大小对形成晶体的晶粒数是有影响的。

晶粒数的一般方程为：

N=

（1）

C：

金属的比热ρ：

金属的密度Lm：

融化潜热Tm：

熔点V:

体积R:

冷却速度

当润湿因子为0.0025时，某金属液冷却过程中单位体积的晶粒数N与R之间的关系曲线：

图6某金属在f（θ）=0.0025时N与R的关系曲线

Fig.6Amtalinf（θ）=0.0025NandRcurve[6]

由图6看出，单位体积晶粒数与冷却速度接近正比线性的关系，单位体积晶粒数随着冷却速度的减小而减少。

这验证了上边提到的晶粒度与冷却速度的关系是正确的。

（二）冷却速度对晶体相变影响的特点

在对碳钢进行冷却处理时，冷却速度的大小会影响晶体的相变。

在冷却速度较慢的情况下，先共析铁素体与共析相变分别在不同的的温区进行。

当冷却速度较大时，独立转变就不存在了，先共析铁素体相变是不能够转变彻底的，而与发生的共析转变重合发生。

例如，35钢丝通过加热、保温和冷却时得到的热膨胀曲线。

图7钢丝的热膨胀曲线

Fig.7Wirethermalexpansioncurve[7]

图7中c曲线冷却段比较接近平衡冷却条件，在冷却的过程中，晶体发生了两次转变，体现在曲线上为三次明显的转折。

第一个相变发生在箭头3所指示处，第二个相变的开始在箭头5所指示处，结束于箭头4所指示处。

由Fe-C相图可判断，第一个相变为γ-Fe→α-Fe的转变，第二个转变为共析转变，即γ-Fe→α-Fe+Fe3C的转变。

所以，在缓慢的冷却（近平衡冷却）的条件下，共析相变和先共析铁素体是在不同的温度区间发生的。

随着冷却速度远离平衡冷却条件，晶体的相变发生点向着低温区移动，并且冷却曲线上的敏锐转折变为圆润的曲线。

而且，转折的次数变为了两次,也就是说仅发生了一次相变，此时无贝氏体或马氏体相变发生。

所以，冷却速度较大时，为先共析铁素体及共析相变，但共析铁素体的相变是不能够进行彻底的，并与共析转变重叠发生。

（三）不同冷却速度下的金相组织

1.冷却速度对铁素体组织的影响

在对碳钢进行冷却处理时，冷却速度的大小将影响铁素体的组织形态。

35钢在不同冷却速度的影响下铁素体会以不同的形貌分布在基体上，有的是分布在珠光体集体上，有的则是分布于原奥氏体晶界上。

图835号钢在不同冷却速度下模拟处理后的金相组织

Fig.835Steelunderdifferentcoolingrateafterthetreatmentofmicrostruturesimulation[7]

在图8中，白色区域组织为铁素体组织，黑色区域组织为珠光体组织。

当冷却速度为15℃/min时，铁素体组织呈现无序的状态分布于珠光体组织上。

当冷却速度增大后，铁素体不在以无规则的块状存在，而是变为“针尖”状或无规则的小块状。

我们看到的“针尖”并不是真的针尖状，其实是片状铁素体横切面的样貌。

这类铁素体主要分布于原奥氏体晶体交界处，冷却速度越大，片状铁素体就越薄，“针尖”也就越多，越尖锐。

当研究“针尖”铁素体时发现，这类铁素体是在过冷度足够大时，首先在奥氏体的晶界处形核并通过碳原子的扩散而长大，长大后的最初的铁素体为无规则的薄片状。

然后原子以扩散的方式向奥氏体晶体内蔓延，使得晶体变成大而厚的无规则块状。

在钢材连续加热时，变形珠光体及铁素体发生逆共析转变，生成奥氏体时碳原子扩散不够充分，就造成了奥氏体成分的不均匀性。