金属材料课程设计.docx
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金属材料课程设计
金属材料工程专业
课程设计
学院：
专业：
材料科学与工程
姓名：
学号：
一．概述…………………………………………………………………1
1.原理及工艺简介…………………………………………………1
2.正火的主要应用范围……………………………………………2
3.正火目的…………………………………………………………2
二.工艺设计方案……………………………………………………3
1.试验材料成分及特征……………………………………………3
2.试验技术要求……………………………………………………3
3.钢的正火工艺参数制定…………………………………………3
三.工艺试验……………………………………………………………5
1.试验设备…………………………………………………………5
2.试验过程…………………………………………………………5
3.试验结果…………………………………………………………7
四.结果与分析…………………………………………………………8
1.硬度测量结果及分析……………………………………………8
2.试样处理前后金相照片及分析…………………………………9
3.拉伸试验数据结果及分析……………………………………11
4.正火试验课程设计分析小结…………………………………12
五.结论………………………………………………………………13
六.参考文献…………………………………………………………15
一、概述
1．原理及工艺简介
热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
合理的热处理工艺方案，不但可以满足设计及使用性能的要求，而且具有最高的劳动生产率，最少的工序周转和最佳的经济效果。
钢铁是工业上应用最广的金属，它的性能与化学成分和金属组织都有密切的关系。
化学成分是由冶炼操作控制的，而金相组织却可以用热处理的方法来调整。
因此，要想达到合理使用钢材的目的，除选择化学成分合适的钢种外，还必须进行适当的热处理，才能充分发挥刚的优良性能。
钢铁热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
为了经济合理地选择和使用工业用钢，以及正确的进行热处理，对钢的正火的研究有很大的价值和作用。
正火，又称常化，是将工件加热至Ac3（Ac₃是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度）或Accm（Accm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线）以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。
其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。
正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。
另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。
2．正火的主要应用范围有：
①用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。
②用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。
③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。
④用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。
⑤用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。
⑥用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。
⑦过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。
3.正火目的
①消除切削加工后的硬化现象和去除内应力。
②细化晶粒,均匀组织。
③提高低碳钢工件的硬度,提高切削加工能力。
④消除过共析钢中的网状硬化物,为随后的热处理做好组织准备。
⑤对某些零件可作为最终热处理工艺。
二、工艺设计方案
1.试验材料成分及特征
45钢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。
力学性能：
正火：
850淬火：
840回火：
600抗拉强度：
不小于600Mpa屈服强度：
不小于355Mpa伸长率：
16%收缩率：
40%冲击功：
39J钢材交货状态硬度：
不大于未热处理：
229HBS退火钢：
197HBS
钢号
C/%
Mn/%
Si/%
Cr/%
Ni/%
45
0.42～0.50
0.50～0.80
0.17～0.37
<=0.25
<=0.30
45钢的化学成分（w%）
2.试验技术要求：
热处理后的力学性能：
以Φ20～40×100mm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；
3.钢的正火工艺参数制定
●正火方法的选择
常用的正火方法有正火法、二段正火、等温正火等。
因为待加工的零件为圆棒状，结构简单，因而此次试验选用正火法。
●正火加热温度的选择
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（如右图所示）。
对于45钢（亚共析钢），其加热温度为Ac3或Acm＋30～50℃
●保温时间
加热温度℃
工件形状
圆柱形
方形
板形
保温时间
分钟/每毫米直径
分钟/每毫米厚度
分钟/每毫米厚度
700
1.5
2.2
3
800
1
1.5
2
900
0.8
1.2
1.6
1000
0.4
0.6
0.8
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。
钢的种类
加热速度℃/h
碳钢
200
低合金钢
100
高合金钢
50
●加热速度
此次试验采用的的加热速度
为200℃／h
●冷却速度及冷却介质
正火一般在静止空气中冷却，根据需要可采用吹风冷却或喷水雾冷却,此次试验在空气中冷却,不考虑冷却速度。
●工艺图
试件号
Ac3/℃
热处理温度/℃
保温时间/min
冷却介质
1、2、3
780
850
35
空气
4
780
850
150
空气
T/℃
850
Ac3
空冷
三、工艺试验
1.试验设备
热处理设备的选择要从设备经济性、可靠性、配套性、安全性、安全性以及工厂的实际情况等来选择。
使用设备：
箱式电阻炉、夹钳、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.试验过程
1.材料截取及表面处理
（1）截取3个Φ50×30mm、1个Φ50×240mm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﹟→600﹟→800﹟→1200﹟
（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.试验结果（原始数据）
1、2、3#试样硬度试验：
45#钢正火前：
试件号
试验数据
d1/mm
d2/mm
d/mm
平均值/mm
1
1.339
5.805
4.466
4.453
0.61
5.045
4.435
0.394
4.851
4.457
2
0.194
4.604
4.41
4.402
0.469
4.892
4.423
1.7
5.075
4.375
3
0.275
4.702
4.427
4.444
1.08
5.54
4.46
1.378
5.824
4.446
45#钢正火后：
试件号
试验数据
d1/mm
d2/mm
d/mm
平均值/mm
1
1.131
5.487
4.356
4.442
0.64
5.03
4.59
0.424
4.803
4.379
2
1.209
5.585
4.376
4.382
1.48
5.86
4.38
1.319
5.709
4.39
3
0.435
4.851
4.416
4.36
1.653
6.068
4.415
0.52
4.87
4.25
4#试样拉伸试验：
拉伸试样示意图（单位/mm）
拉伸试验数据表:
r0/mm
5.00
A0
78.5
L0/mm
50.00
r/mm
4.05
A
51.5
L/mm
63.00
△A
27.0
△L/mm
13.00
Fb/N
44245
σb/MPa
563.34
σs/MPa
558.99
E/MPa
8764.87
σp/MPa
409.41
Fp/N
32434
四、结果与分析
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#
1
35mm
850
35min
空冷
183
184
2
25mm
850
35min
空冷
187
189
3
34mm
850
35min
空冷
184
191
表1
硬度试验分析：
对于表1，从中可以看出相同截面不同厚度的试样在同样的工艺处理后的硬度值不同，但是由于测量误差和试验较少未能找出影响规律；这次试验前后硬度值相差的最小值为1HB，最大值为7HB，可见本次正火处理对试样的硬度值产生了影响，但是影响不大。
并且未处理前的硬度值已经达到本次试验的要求值，这可能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。
2.试样处理前后金相照片及分析
未处理的试样金相组织图片：
图1图2
处理后的试样金相组织图片：
1#试样：
图3图4
2#试样：
图5图6
3#试样：
图7图8
金相组织照片分析：
如Fe-Fe3C相图（图9）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
图9
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Fe3CIII，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20~30µm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。
3.拉伸试验数据结果及分析：
试验力-位移曲线图:
图10
通过对4#试样的拉伸试验测试,得到的试验结果:
抗拉强度为563.34Mpa,屈服强度为558.99Mpa,远远超过了试验要求的抗拉强度500Mpa以及屈服强度350Mpa。
也就可以证明这次正火处理的效果是非常明显的。
应力-位移曲线图：
图11
延伸率及断面收缩率的计算:
经过计算所得，45#钢正火后的延伸率为26%，超过了技术试验要求的14%的延伸率。
4.正火试验课程设计分析小结：
在经过了加热、保温、冷却的热处理流程，以及之后的硬度测试、金相组织观察和拉伸试验，圆满的完成了这次所涉及到的试验。
这次的正火试验无论是在力学性能还是金相组织组成上均达到了试验的设计要求，当然这是排除了试样热处理前的可能存在的热处理以及其它处理，在此基础上的这次课程设计是成功的。
五、结论
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关热处理方面的知识，在试验设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我们在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手试验，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
这次课程设计终于顺利完成了，在试验中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
同时，设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计，我掌握了根据材料怎样选择不同热处理工艺；熟悉了热处理的工艺；了解了正火处理的具体方法；以及如何提高材料性能等等，掌握了正火处理的方法和技术，通过咨询老师和查询资料，也了解了一些识别金相组织的方法。
回顾起此课程设计，现在我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰
六、参考文献
[1]陆兴《热处理工程基础》机械工业出版社2007
[2]夏立芳《金属热处理工艺学》哈尔滨工业大学出版社2008
[3]董世柱唐殿福《热处理工实际操作手册》辽宁科学技术出版社2006
[4]徐天祥樊新民《热处理工实用技术手册》江苏科学技术出版社2001
[5]张帆周伟敏《材料性能学》上海交通大学出版社2009
[6]李烔辉《金属材料金相图谱》机械工业出版社2006
[7]刘智恩《材料科学基础》西北工业大学出版社2007
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