毕业论文(设计)45钢热处理工艺及组织性能研究

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： 45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： 1120181 19 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45钢的概况；熟悉45钢的热处理工艺方法；认识45钢热处理前后金相组织；找出热处理对45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45钢热处理工艺，进行热处理实验。

（2）制备金相试样，观察分析45钢热处理前后的显微组织。

（3）测定45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] 赵琳.45钢热处理工艺及其组织性能[J]. 机械工程与自动化，2012，（05）：

203-204.

[2] 李文学，李国成，李忠民，等.45钢热处理工艺和化学成分与性能之间关系分析[J]. 物理测试，1996，（05）：12-14.

[3] 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

4．进度安排 1 2 设计各阶段名称 查阅文献，了解研究目的意义，制定实验方案 完成热处理实验 起 止 日 期 3月 3日~3月23日 3月24日~4月13日 3 4 5 完成试样制备及显微组织观察 完成力学性能测定及实验结果分析 完成撰写及答辩工作 4月14日~5月 4日 5月 5日~6月 1日 6月 2日~6月22日

审核人：

2014 年 12 月 15日

45钢热处理工艺及组织性能研究

摘 要： 本次实验通过不同的热处理工艺研究了45钢的组织性能。本次实验的热处理工艺从两方面进行对比分析：一方面，在相同加热温度并且在不同冷却条件下对45钢调质处理组织性能的影响。另一方面，在相同加热温度并且在不同保温时间对45钢调质处理组织性能的影响。即在普通调质工艺的基础上，采用零保温淬火的新工艺。另外，为了了解其他热处理工艺对45钢性能的影响，本实验除了调质处理外，还增加了相同加热温度下的正火，以探究在正火条件下对45钢性能的提升程度。不做处理的设为对照组。

结果表明：在加热温度一定的情况下，正火在不做处理的基础上组织更加均匀，综合力学性能有较大的提升。在调质处理中，水淬调质和油淬调质对45钢的不同力学性能都有较好的提升，但是水淬调质处理对于材料的综合力学性能较优。在调质处理不同保温时间下，零保温新工艺较普通调质工艺对材料的性能影响相当，但是新工艺更经济、更节约、更有效率。 关键词：45钢，热处理，组织性能

45 steel heat treatment process and organizational

Performance research

Abstract： This experiment studied the microstructures and properties of 45 steel through different heat treatment process. The experiment was analyzed from two aspects: On the one hand, in the same heating temperature and under different cooling conditions quenching and tempering of 45 steel affect the performance of organization. On the other hand, in the same heating temperature and under different heat preservation time quenching and tempering of 45 steel affect the performance of organization. Mean: on the basis of ordinary quenching and tempering treatment, experiments use zero heat preservation for quenching technology called new technique. In addition, in order to learn other heat treatment process about effect on the properties of 45 steel, this experiment, in addition to quenching and tempering, also increased normalizing in the same heating temperature so as to explore the properties of 45 steel degree of ascension under the normalized conditions. Doesn’t do heat treatment experience’s sample set as a control group.

Results show that under the condition of the same heating temperature normalizing make the comprehensive performance of 45 steel have a larger ascension and make the organization of 45 steel more well-distributed. In the quenching and tempering treatment, water quenching and tempering and oil quenching and tempering make different mechanical properties of 45 steel have a better improvement, but the water quenching and tempering treatment for material has a better comprehensive mechanical properties. In the quenching and tempering treatment under different heat preservation time, new technique of zero heat preservation does not have more advantage than ordinary quenching and tempering. But, the new technique is more economic, more economical, and more efficient.

Keywords：45 steel, heat treatment, microstructures and properties

I

目 录

1 绪 论…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …1 1.1 45钢研究的目的及意义…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ...2 1.2 45钢国内外研究进展说明…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ….2 1.3 本次论文研究内容…. …. …. …. …. …. …. …. …. ……. …. …. …. …. …. .3 1.4 本章小结…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ...4 2 实验过程…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …………………. …. …. …. 5 2.1 本次实验研究方案的制定…. …. …. …. ….... …. …. …. …. …. …. …. …. ..5 2.1.1 实验设备. …. …. …. . …. …. …. . …. …. …. . …. …. …. . …. …. …. ……5 2.2 本次实验涉及的热处理工艺. …. …. …. …. …. …. ……. …. …. …. …. …. .6 2.2.1 45钢的退火. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …………..6 2.2.2 45钢的正火. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …………..6 2.2.3 45钢的调质. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …………..7 2.3 金相试样的制备. …. …. …. . …. …. …. . …. …. …. . …. …. …. . …. …. ….7 2.3.1 实验设备…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. 8 2.3.2 实验材料…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …..8 2.3.3 实验步骤…. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …..8 2.4 本章小结…. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. …….…. ……..8 3 实验结果与分析…. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. …10 3.1 45钢热处理前后试样的组织观察和分析…………………………………….10 3.1.1 实验设备…. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……..10 3.1.2 实验材料…. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……..10 3.1.3 实验结果…. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……. ……..11 3.2 45钢热处理前后试样的硬度测定和分析. …. …. …. …. …. ……………….15 3.2.1 实验设备. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ……………15 3.2.2 实验材料. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ……………16 3.2.3 实验数据. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ……………16 3.3 45钢热处理前后试样的拉伸性能测定和分析…. …. …. ……. ..…. …. …...16 3.3.1 实验设备. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ……………17 3.3.2 实验材料. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ……………17

II

3.3.3 实验数据. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ……………18 3.4 45钢热处理前后的冲击功测定和分析. …. …. ……. …. ……. …. ..……. ...28 3.4.1 实验设备…. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …28 3.4.2 实验材料…. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …28 3.4.3 实验步骤…. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …29 3.4.4 实验数据…. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …29 3.5 本章小结. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. …. ……………...30 4 结论…………. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ……. …. ………. ..31 参考文献……. …. …………. …. …………. …. …………. …. …………. …. …..32 致 谢……. …. …………. …. …………. …. …………. …. …………. …. ……..34

III

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1 绪论

材料是社会发展的物质基础和社会进步的标志。材料大致可以分为五大类：金属材料、高分子有机材料、无机非金属材料、复合材料和新材料。材料的使用在社会生产生活中占有很大的比重，这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。现今材料的品种、性能和经济性以成为衡量一种材料能否广泛使用的标准。而45钢就是最为使用广泛的材料之一。

钢材一直从铁器时代沿用至今，其在工业发展中有巨大的重要性。钢材是合金机构材料中最为主要的，45钢是最常使用的钢材之一，由于其综合性能较好，广泛用于机械、医疗和日常生活等各个领域。尤其是在机械制造方面，广泛用于各种重要的结构零件，比如那些在交变负荷下使用的连杆、螺栓、汽车拖拉机半轴和柴油机零件等。

因此，研究钢的热处理对改进钢的性能有积极的影响和重要的意义，钢材热处理方面的探索和研究必将推动工业的发展以及社会的进步。在21世纪经济全球化的今天，钢材热处理工艺必然产生新的工业革新和工业化大潮。

在实际生产过程中，人们需要各种不同性能的钢材，仅凭原始材料的性能已经满足不了实际生活中的要求。比如，为了便利切削加工就需降低或提高硬度要求，以便节约或保护刀具和提高劳动效率；为了延长使用寿命和为使零件能够在腐蚀环境中工作，就要求材料具有较高的硬度和耐腐蚀性等。为满足这些条件，除了选用合适的材料之外，还必须进行的能提升性能的热处理，才能使用材料满足需求。总而言之，热处理在机械制造加工业中占有十分重要的地位[1]。

纵观钢铁的历史发展长河，钢铁性能的提升与热处理有着紧密的联系。45钢是使用较为广泛的钢材之一，通过热处理工艺提升其性能因此具有重要的实践意义。

45钢是优质碳素结构钢，用作连杆、螺栓螺钉、汽车拖拉机半轴和柴油机零件等[2]，其化学成分如表1.1。

表1.1 45钢化学成分[2]

元素 含量％

C 0.4~0.5

Mn 0.5~0.8

S ≤0.45

P ≤0.45

Si 0.17~0.37

各国类似钢种牌号如表1.2。

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表1.2 不同国家45钢号对照表[2]

国 中国 日本 联邦德国别 GB

45 钢 号

- -

- -

ck45(1.1191) cm45(1.1201)

1046 -

1046 -

1046 -

080A47 080M46

- -

- -

- -

JIS S45c

DIN(W-Nr) c45(1.0503)

美国

ASTM AISI SAE 1045

1045

1045

英国 BS 060A47

法国NF XC45

苏联TOCY 45

国际 ISO R683/ IC45e

1.1 45钢研究的目的及意义

找到提高其综合力学性能的方法，进而为与其相关的各个行业的发展做铺垫。而45钢的性能与其显微组织直接相关，所以对其显微组织的研究将是本课题的重中之重。

热处理工艺除了一方面能提高零件的使用性能外，而且还可以改善工件的综合力学性能，延长零件的使用寿命以及提高加工质量等。为了掌握什么样的热处理工艺条件下对45钢综合性能提升影响最大，必须通过相互对比、分析得出。因此在不同的热处理条件下，热处理后试样的各方面性能对比分析也是本次实验研究的重点方面。

本课题主要是研究普通热处理工艺对45钢组织性能的影响，常用的热处理工艺主要有正火、淬火、回火等。加热温度、保温时间、冷却速度等是影响其热处理工艺的主要因素。所以，本课题主要通过普通热处理方案进行试验设计得到相关数据并进行分析，以获得有用的结论。

1.2 45钢国内外研究进展说明

1999年，尤显卿教授综合论述了如何正确制定45钢热处理工艺，防止淬火开裂[3]。

2004年在退火工艺方面，刘爱国、李杰工程师通过对优质碳素钢45钢球化退火工艺的分析和研究，找出影响45钢球化的主要因素，改进了退火工艺，提高了45钢球化合格率，满足了用户需求[4]。

2007年在机械制造行业，樊晓燕谈及了钢的热处理，论述了当今热处理对

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机械零件和工模具制造行业的重要性以及目前的热处理工艺[5]。同年边晋荣工程师就45钢热处理淬火裂纹控制[6]进行了研究实验，对淬火裂纹产生的原因以及处理方案等进行分析和改进，认为在生产过程中要灵活运用，具体问题具体分析。2007年上海交通大学的徐祖耀院士就近年来发展的钢的热处理新工艺-淬火和分配（Q-P）处理为基础，提出淬火-分配-回火（Q-P-T）工艺[7]。

2012年，赵琳工程师通过实验分析45钢短轴得出通过正火、淬火、中温回火等热处理工艺，改变了45钢的内部组织，从而改变其性能，使材料具有了优良的综合机械性能和良好的切削加工性能[8]，不仅改变了表面耐磨性，而且工件中心部分也得到了较高的韧性，满足使用要求。

2013年，在工艺性能研究方面，刘孜文在对45钢的热处理研究中通过对组织与性能研究认为热处理方式不同对应组织也不相同，性能也随之变化[9]。

2014年，在淬火工艺过程中，裴广州副工程师研究了45钢的热处理工艺，通过亚淬火降低钢的脆性转变温度，可以相应地抑制钢的可逆回火脆性[10]。另外与普通45钢淬火相比，亚淬火更能较好的提高钢的力学性能。

2006年，Izabel Fernanda Machado 在对钢材的热处理方面有一些新的技术进步，研究电源电压对材料热处理的影响[11]。

1.3 本次论文研究内容

45钢为优质碳素结构用钢，硬度不高且易切削加工。45钢在淬火后没有回火前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。GB/T699-1999标准规定了45钢的一些性能，其中抗拉强度为600Mpa，屈服强度为355MPa，伸长率为16%，断面收缩率为40%，冲击功为39J等。

45钢由于冷却速度改变而形成的不同组织结构进而影响其机械性能。意思就是说，在铁碳合金相图中最高硬度的获得是由一种叫做马氏体转变的非扩散性转变决定；最低硬度是由一种叫做珠光体和铁素体的扩散性共析转变决定[12]。不管是在平衡点附近快速冷却获得的马氏体还是缓慢冷却获得的铁素体都是从奥氏体转化而来的，因此其组织性能和力学性能都与其热处理工艺有关。

45钢性能的改变取决于热处理工艺的改变，因此对热处理工艺具有主要的研究意义。目前，正火、淬火和回火是45钢主要采取的热处理工艺。 GB/T699-1999标准中规定将850℃正火、840℃淬火、600℃回火作为45钢热处

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理的制度。随着热处理工艺参数的改变对45钢热处理后的组织和性能产生影响。在合适的温度下，正火时可得到珠光体和铁素体，而淬火和回火得到的是马氏体的回火组织。随着加热温度、保温时间、冷却速度等的改变，热处理后得到的组织不同主要集中在组织粗细和类型两大类。显微组织较细，有较好的综合性能。因此，显微组织类型是决定其综合力学性能的直接因素。例如，有较高的强度、硬度的为马氏体，而塑性、韧性较好则为珠光体。

1.4 本章小结

本章主要从45钢的研究现状和本次实验的目的、意义等方面进行基本的介绍。研究现状主要从45钢的成分、性能、当前的热处理及国内外研究进展进行说明，而实验目的和意义则引出了本次实验的进行。本次实验主要从热处理工艺方面入手，对热处理工艺进行改进，控制变量，进行对比分析，得出有用的、具有实用价值的结论。

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2 实验过程

影响45钢力学性能的最主要的因素为45钢的组织，故组织分析具有重要的研究意义。45钢组织随着热处理方式的不同有较大的差异，对其性能也就产生较大的差异。近年来，即使热处理工艺有了长足的进步，但仍需不断的研究探索，不断更新，必将在不久的未来产生新的研究成果！本次实验主要通过热处理过程中的两大因素：保温时间和冷却方式进行对比分析实验。

2.1 本次试验研究方案的制定

本次实验拟采用三种类型的试样：圆柱形试样（5个）、带切口的标准冲击试样（5个）、标准拉伸试样（5个），然后将每种试样分为一组，根据不同工艺分为ABCDE五组。其中圆柱形试样是用来制备金相试样和硬度测定，带切口的冲击试样用来测定冲击功，标准拉伸试样用来测定拉伸性能。现拟热处理工艺方案如下表2.1所示。

表2.1 热处理实验工艺方案

名 称 A组 B组

工 艺

不做热处理（对照组） 正火：840℃ 保温20min 空冷 淬火：840℃ 保温20min 水淬

C组

回火：600℃ 保温25min 空冷 淬火：840℃ 保温20min 油淬

D组

回火：600℃ 保温25min 空冷 淬火：840℃ 保温0min 水淬

E组

回火：600℃ 保温25min 空冷

2.1.1 实验设备 本次热处理实验采用型号为SX-5-12B的电阻炉。如下图2.1所示。 4

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图2.1 型号为SX-5-12B的电阻炉

2.2 本次实验涉及的热处理工艺

2.2.1 45钢的退火

退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺[13]。在机械制造行业，退火常作为工件制造过程中的预备热处理工序。其主要目的是：

（1）均匀钢的化学成分及组织结构。

（2）细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化。 （3）为淬火做好组织准备。

2.2.2 45钢的正火

正火是将钢加热到Ac3(或Accm)以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺[13]。

正火的主要应用范围：

（1）作为低碳钢和某些低合金钢、锻件的预备热处理以消除应力、细化晶粒、改善切削加工性能和淬火前的准备。

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（2）消除过共析钢的网状碳化物，以便于球化退火。

（3）消除中碳结构钢铸件、锻、轧件以及焊接件在热加工过程中较易出现魏氏组织、粗大晶粒、带状组织等缺陷。

（4）作为某些结构件的最终热处理。

2.2.3 45钢的调质

习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称之为调质处理[13]。经过调质处理后，钢具有了优良的综合力学性能以满足如发动机曲轴、连杆、汽车半轴、机床主轴及齿轮等机器零件在使用过程中要求具有较高的强度以及承受较强的冲击和交变负荷的作用。

淬火是将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到的马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺[13]。淬火虽然能够显著提高钢的强度以及硬度，但是在淬火钢中残留有内应力。这就需要配以不同的回火以满足不同强度、硬度和韧性的性能需求。

回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的冷却方式冷却到室温的工艺过程[13]。其主要目的是调整工件的强度、硬度、塑性、韧性和红硬性等以满足各种用途工件的性能要求。回火根据工件不同的性能要求可分为：低温回火、中温回火和高温回火。其中：

低温回火：将淬火件加热到150~250℃，稳定组织，得到的组织主要为具有高的硬度和耐磨性的回火马氏体。

中温回火：将淬火件加热到350~500℃，稳定组织，得到的组织主要为具有良好的塑韧性、较高的强硬度和高的弹性极限的回火托氏体。

高温回火：将淬火件加热到500~650℃，稳定组织，得到的组织主要为具有良好的综合力学性能的回火索氏体。

因此，45钢作为结构钢一般需要调质处理即淬火+高温回火。

2.3 金相试样的制备

研究金属内部组织最重要的方法为显微分析。在百年来金相学的发展历史中，大部分的研究工作是借助于光学显微镜完成的。

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用光学显微镜观察和分析金属内部组织形貌，一般需要经过三个阶段： （1） 制备所截取试样的表面。

（2） 显示表面的组织需要采用适当的腐蚀操作。 （3） 需要用显微镜观察和分析试样表面的组织形貌。

2.3.1 实验设备

本次实验需要使用的设备有抛光机、金相显微镜、吹风机等。

2.3.2 实验材料

本次实验需要使用的材料有热处理后的各组φ15×15的圆柱形试样（5个）、砂纸（粗细）、4%的酒精溶液和棉球等。

2.3.3 实验步骤

取样——粗磨——细磨——抛光——侵蚀是金相试样的制备过程的五个步骤。本次金相试样制备采用如下步骤：

（1）取样：选择圆柱形试样的底面部分作为取样部位。

（2）粗磨：采用400#、600#的砂纸进行打磨，直到出现光亮为止。 （3）细磨：采用800#、1000#的砂纸进行打磨，直到出现可映出清晰的人像即可。

（4）抛光：采用Al2O3磨料加水配成的悬浮液倒在抛光机上进行机械抛光。 （5）侵蚀：采用4%的酒精溶液作为腐蚀液进行腐蚀数秒至一分钟。 最后，在金相显微镜下观察组织形貌检验金相试样是否合格。

2.4 本章小结

本章是对本次毕业设计内容的宏观概述，主要介绍了本次实验中45钢热处理工艺方案的制定以及实验中涉及到的热处理工艺并给予简介，进一步对热处理工艺有更深层次的理解。另外，本章还介绍了对热处理后金相试样的制备过程，

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这对于不同试样热处理后组织形貌的观察以及热处理后工件的力学性能分析有着很重要的意义。

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3 实验结果与分析

3.1 45钢热处理前后试样的组织观察和分析

45钢是重要的结构材料，在实际生活中应用广泛。因此，其力学性能对新时代工业的发展有重大的意义。所以，其力学性能的提升对未来工业发展将产生重大影响。然而，影响其力学性能的最主要的因素是45钢的组织，故具有重要的研究意义。通过观察其组织结构和成分，可以更加有依据的分析其与力学性能之间的关系，为最后结论提供微观理论依据。

3.1.1 实验设备

不同试样组织的观察需要使用的实验设备有：型号为XJP-6A的金相显微镜

和数码照相机等。如图3.1所示。

图3.1 型号为XJP-6A的金相显微镜和数码照相机

3.1.2 实验材料

为了便于观察，金相组织的观察采用各组φ15×15的圆柱形试样（5个）处理后的金相试样。

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3.1.3 实验结果

我们知道随着热处理工艺方案的改变，工件的组织成分有很大的差异，我们将对其产生的差异进行具体研究并分析原因。

大多数热处理都需将工件加热至临界点之上，使其转变为奥氏体，即奥氏体化，然后再根据不同的冷却方式转变为所需的组织。钢加热形成的奥氏体组织形态对热处理后组织性能有很大的影响。因此，加热转变是钢件进行不同热处理的基础[14]。

珠光体是钢铁材料热处理过程中的另一个重要组织。珠光体转变发生在过冷奥氏体转变的高温区，又称高温转变，属于扩散性转变[15]。钢材在退火和正火中都要求发生珠光体转变，而淬火时则力求避免发生珠光体转变[16]。另外，研究钢热处理后组织将参照按组织分区的铁碳合金相图[12]，如图3.2所示。

图3.2 按组织分区的铁碳合金相图

（1）本次实验A组试样可视为退火态，制备的金相试样通过金相显微镜观

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察，放大500倍的室温金相组织形貌如下图3.3所示。

图3.3 未作处理的金相组织形貌

在图3.3中，其组织为先共析铁素体和珠光体，其中60%左右黑色组织为珠光体、40%左右白色为铁素体。珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体和渗碳体的共析体，其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体，用符号P表示，含碳量为ωc=0.77%[17]。铁素体表现为软韧性，渗碳体表现为硬脆性，而珠光体则是由铁素体和渗碳体组成，故珠光体的强韧性较好。另外，白色条状铁素体沿着晶界析出并呈网状分布，铁素体强度、硬度不高，但塑韧性较好。

（2）本次实验B组试样可作为正火态，制备的金相试样通过金相显微镜观察，放大500倍的室温金相组织形貌如下图3.4所示。

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图3.4 840℃正火处理的金相组织形貌

在图3.4中，组织为先共析铁素体和珠光体，但相比于图3.3，该组织中铁素体和珠光体都细而均匀[18][19]，故该组织具有比图3.3组织较好的强度、硬度和塑韧性。

（3）本次实验CDE组试样均可作为调试处理，其中C组淬火时采用水淬，D组淬火时采用油淬，而E组则采用新工艺[20]在淬火时保温时间为0min。CDE组制备的金相试样通过金相显微镜观察，放大500倍的室温金相组织形貌分别见图3.5、图3.6和图3.7。

图3.5 840℃水淬+600℃回火处理的金相组织形貌

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图3.6 840℃油淬+600℃回火处理的金相组织形貌

图3.7 840℃水淬零保温+600℃回火处理的金相组织形貌

水淬调质：在图3.5中，外围组织为细而均匀的保持马氏体位向分布的回火索氏体，而内部则出现除了回火索氏体以外还呈有网状分布的白色铁素体组织，其原因有可能的因为加热不足导致马氏体组织中残留有块状的铁素体或者是因为冷却过程不足而在马氏体晶界周围形成网状铁素体。

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油淬调质：在图3.6中，组织跟图3.5大致相似，但是该组织中出现了较多呈现网状分布的白色铁素体，故其相对于图3.5组织强度、硬度稍差，但塑韧性稍好。

新工艺：在图3.7中，其组织为回火索氏体和回火屈氏体，其中回火屈氏体为黑色团状。回火索氏体和回火屈氏体组织相似，都是基体为铁素体且内部分布碳化物颗粒的复合组织。回火索氏体具有良好的塑韧性，同时还具有较高的强度，故综合性能较好。另外，由于回火屈氏体在光学显微镜下不能分辨，所以只能观察到黑色组织。回火屈氏体分布细小的碳化物颗粒，具有较高的弹性极限和韧性。

3.2 45钢热处理前后试样的硬度测定和分析

硬度是工程实践中应用最多的一种力学性能指标。硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能[21]。硬度试验有很多类型，可根据材料特点、处理状态、检测要求、设备条件等因素适当的选择使用[21]。

根据各种硬度测定方式的优缺点（详见参考文献[21]），本实验A组（对照组）和B组（正火态）采用布氏硬度测定，C组（调质水淬）、D组（调质油淬）和E组（调质新工艺）采用洛氏硬度测定。

3.2.1 实验设备

在硬度的测定过程中需要的设备有：布氏硬度计、手动洛氏硬度计和读数显微镜。布氏硬度计和洛氏硬度计如下图3.8所示。

图3.8 布氏硬度计和洛氏硬度计

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3.2.2 实验材料 实验材料选用各组热处理后φ15×15的圆柱形试样（5个）进行硬度测定。 3.2.3 实验数据 表3.1 A组、B组的硬度实验结果 名称 A组 B组 点1硬度/HBW

179 242 点2硬度/HBW

228 290 表3.2 C组、D组和E组的硬度实验结果 名称 C组 D组 E组 点1硬度/HRC

22.0 20.0 21.5 点2硬度/HRC

23.0 19.5 25.0 点3硬度/HRC

22.5 19.5 23.0 平均硬度/HRC

22.5 19.7 23.2 点3硬度/HBW

232 269 平均硬度/HBW

213 267 根据表2.1、表3.1和表3.2，对其进行汇总得如下表3.3所示。 表3.3 工件热处理后的硬度数据汇总 名称 工艺 硬度

A组 不做热处理 213HBW

B组 正火 267HBW

C组 普通水淬调质 22.5HRC

D组 油淬调质 19.7HRC

E组 新工艺水淬调质

23.2HRC

通过数据可以得出： 1. 45钢正火后相对于不做热处理的工件硬度提升； 2. 三种45钢调质后的硬度差距不大，但是水淬调质后硬度稍大于油淬调质。 3．新工艺水淬调质处理略优于普通水淬调质处理。 3.3 45钢热处理前后试样的拉伸性能测定和分析 拉伸试验一般采用光滑的圆柱试件和矩形试样两种，其中拉伸试样又分为长15

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试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）两种[21]。拉伸试验是测量材料抵抗破坏的能力即强度而经常使用的方法。本次实验采用短试样（l0=5d0）这种型号。

拉伸试验是现场应用中较为普遍的试验方法。通过拉伸试验可以将材料的弹性极限、屈服强度、抗拉强度以及断裂强度通过应力应变曲线求解出来。另外，还可根据试样前后纵向拉伸长度和横截面积的变化算出拉伸率和断面收缩率。这些数据对于材料的性能分析有极其重要的研究意义。

3.3.1 实验设备

本次拉伸实验使用的仪器设备为老式的10吨拉伸试验机，该拉伸试验机在拉伸过程中可直接画出F-△X曲线，具体形貌见下图3.9。

图3.9 老式10吨拉伸试验机

3.3.2 实验材料

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拉伸实验采用的实验材料为5个热处理后各组的标准拉伸短试样。 3.3.3 实验数据 （1） 试样延伸率与断面收缩率 本次实验测得试样拉伸前后长度和截面积的数据如下表3.4所示。 表3.4 拉伸前后试样选取长度和横截面直径 单位：mm 名称 A组 B组 C组 D组 E组 断前长度l0

73.0 73.0 73.0 73.0 72.0 断前横截面直径d0

10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 断后长度l1

88.0 90.0 84.5 85.0 83.5 断后横截面直径d1

7.1 7.0 6.3 6.1 6.2 根据公式 延伸率δ=△l/ l0 ，断面收缩率Ψ=△A/A0 ，求得试样的延伸率和断面收缩率见下表3.5。 表3.5 试样的延伸率和断面收缩率 单位：% 名称 A组 B组 C组 D组 E组

延伸率δ 20.5 23.3 15.8 16.4 16.0

断面收缩率Ψ

49.59 51.0 60.31 62.79 61.56

根据表3.5 试样的延伸率和断面收缩率 ，通过对比分析可得出如下结论： 在试样延伸率方面，正火较不做热处理的工件延伸率提升13.7%，而调质处理后工件较不做处理的工件整体延伸率下降，分别下降29.7%、20.0%和22.0%。在调质处理中，三种工艺整体差异不大，但是水淬调质处理延伸率最小，新工艺次之，油淬最好。在断面收缩率方面，正火较不做处理断面收缩率提升3%，调质则分别提升21.6%、26.6%和23.5%。调质处理较正火，断面收缩率也分别提升18.3% 、23.1% 和20.7%。综上所述可总结如下结论。 1. 正火较不做热处理延伸率和断面收缩率都上升。

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2. 调质处理后工件较不做处理，延伸率下降，但断面收缩率上升。 3. 在调质处理中，油淬处理的延伸率和断面收缩率最大，故油淬调质处理塑性最好。 （2）工程应力-应变曲线 A组（未做处理）：根据拉伸试验机的F-△X曲线记录和测量A组试样拉伸前后的相关数据，具体见表3.6。 表3.6 A组拉伸试样应力-应变曲线相关数据汇总 △X /mm

0 4 12 15 F/N 0 45080 51940 49980 78.5

73

A0/ mm2

l0

σ 0 574 661 637 ε 0 0.05 0.16 0.21 注：△X——伸长量； F——拉伸力； A0——原横截面积； l0——原工件长度； σ——应力； ε——应变； 在表3.7、表3.8、表3.9和表3.10中意义同上。 根据表3.6画出A组(未做处理)的F-△X和σ-ε曲线，如下图3.10和图3.11所示。

图3.10 A组（未做处理）的F-△X曲线

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图3.11 A组（未做处理）的σ-ε曲线 B组(840℃正火)：根据拉伸试验机的F-△X曲线记录和测量B组试样拉伸前后的相关数据，具体见表3.7。 表3.7 B组拉伸试样应力-应变曲线相关数据汇总 △X /mm

0 3 10 17 F/N 0 37240 52920 52430 78.5

73

A0/ mm2

l0

σ 0 474 674 668 ε 0 0.04 0.14 0.23 根据表3.7画出B组(840℃正火) 的F-△X和σ-ε曲线，如下图3.12和图3.13所示。

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图3.12 B组(840℃正火) 的F-△X曲线

图3.13 B组(840℃正火) 的σ-ε曲线

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C组(840℃水淬调质)：根据拉伸试验机的F-△X曲线记录和测量C组试样拉伸前后的相关数据，具体见表3.8。 表3.8 C组拉伸试样应力-应变曲线相关数据汇总 △X /mm

0 3 9 11.5 F/N 0 45668 880 53900 78.5

73

A0/ mm2

l0

σ 0 582 699 687 ε 0 0.04 0.12 0.16 根据表3.8画出C组(840℃水淬调质)的F-△X和σ-ε曲线，如下图3.14和图3.15所示。

图3.14 C组(840℃水淬调质)的F-△X曲线

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图3.15 C组(840℃水淬调质)的σ-ε曲线 D组(840℃油淬调质)：根据拉伸试验机的F-△X曲线记录和测量D组试样拉伸前后的相关数据，具体见表3.9。 表3.9 D组拉伸试样应力-应变曲线相关数据汇总 △X /mm

0 3 9.5 12 F/N 0 45570 58212 53900 78.5

73

A0/ mm2

l0

σ 0 581 742 687 ε 0 0.04 0.13 0.16 根据表3.9画出D组(840℃油淬调质)的F-△X和σ-ε曲线，如下图3.16和图3.17所示。

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图3.16 D组(840℃油淬调质)的F-△X曲线

图3.17 D组(840℃油淬调质)的σ-ε曲线

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E组(840℃水淬零保温调质)：根据拉伸试验机的F-△X曲线记录和测量E组试样拉伸前后的相关数据，具体见表3.10。 表3.10 E组拉伸试样应力-应变曲线相关数据汇总 △X /mm

0 4 9 11.5 F/N 0 53508 59094 58800 78.5

72

A0/ mm2

l0

σ 0 682 753 749 ε 0 0.06 0.13 0.16 根据表3.10画出E组(840℃水淬零保温调质)的F-△X和σ-ε曲线，如下图3.18和图3.19所示。

图3.18 E组(840℃水淬零保温调质)的F-△X曲线

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图3.19 E组(840℃水淬零保温调质)的σ-ε曲线 对各组的工程应力-应变曲线及相关数据进行汇总和分析，具体相关数据参见表3.11、图3.20和图3.21。 表3.11 各个组标准拉伸试样的强度汇总 单位：MPa 名称 A组 B组 C组 D组 E组 工艺 不处理 正火 水淬调质 油淬调质 新工艺 弹性极限σe

574 474 582 581 682 抗拉强度σb

661 674 699 742 753 断裂强度σb

680 668 687 687 749 在分析拉伸试样的强度数据时，主要研究方向是工件的抗拉强度。 通过观察、分析数据可知，正火和三种调质工艺的工件在不做热处理工件的基础上，抗拉强度分别提升2%、6%、12%和14%。可见45钢工件在通过热处理后，抗拉强度在一定程度上都得以提升。通过对组织分析可知，正火可使晶粒细化，提高力学性能；调质处理则产生的回火索氏体具有优良的综合性能，故两种工艺方式对比不做热处理的45钢工件在抗拉性能方面都稍优越。 25

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图3.20 各工艺F-△X曲线汇总

图3.21 各工艺σ-ε曲线汇总

在三种调质处理中，抗拉强度: 新工艺＞油淬调质＞水淬调质。另外，这三种工艺的抗拉强度都在规定制度抗拉强度σb≥600MPa的基础之上，新工艺高出26%、油淬调质高出24%、水淬调质高出10%。

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3.4 45钢热处理前后的冲击功测定和分析

冲击韧性在工程上定义：采用标准试验方法将标准试样一次冲击断裂时试样吸收的能量叫做材料或者试样的冲击韧性[21]。另外，冲击韧性值可以作为定性判断材料的韧脆性程度的依据，脆性材料或低塑性材料断裂时候所需能量较少，而塑性材料则需要较多能量。

3.4.1 实验设备

本次冲击实验需要的设备和器材有冲击试验机和游标卡尺等。本次实验采用的冲击试验机如下图3.22所示。

图3.22 冲击试验机

3.4.2 实验材料

本次实验所要冲击的试样为5个热处理后各组的标准冲击试样 (10mmx10mm 55mm，缺口深度为2mm) 。

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3.4.3 实验步骤

（1） 测量试样缺口处的横截面积。

（2） 打开冲击试验机，将摆锤升到指定位置。 （3） 安装试样，将表盘归位。 （4） 落锤。

（5） 读数，将摆锤、表盘归位，进行下个试样的冲击。 注：冲击试验要特别注意人身安全。

3.4.4 实验数据

在实验中需要记录下各组冲击试样缺口处的横截面积，以便求冲击韧性。具体数据见下表3.12。

表3.12 各组标准冲击试样的横截面积

名称 A组 B组 C组 D组 E组 横截面积AN / mm2

.5 .5 90.0 90.0 .0 记录实验中不同热处理冲击试样的冲击功，具体数据见下表3.13。 表3.13 各组标准冲击试样的冲击功 名称 A组 B组 C组 D组 E组 冲击功AKU /J

85 129 130 134 28

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根据公式：αKU=AKU/AN [21]，其中αKU 表示冲击韧性；AKU表示冲击吸收功；AN表示横截面积。根据表3.12和表3.13则可求出各组的冲击韧性，具体相关数据见表3.14。 表3.14 各组标准冲击试样的冲击韧性 单位J/ cm2 名称 热处理工艺 冲击韧性/αKU

A组 未处理 71.5

B组 正火 95.0

C组 水淬调质 143.3

D组 油淬调质 144.4

E组 零保温水淬调质

150.6

根据表3.14 各组标准冲击试样的冲击韧性 可以直接明了的看出各个试样经过热处理后其冲击性能的优劣。

其中，正火后冲击韧性较未处理工件提升32%，并且三种调质处理则较未处理工件分别提升99%、100%和110%。在调质处理中，水淬调质和油淬调质冲击韧性相当，但是新工艺——零保温淬火调质的冲击韧性则在前两者基础上稍提升。

3.5 本章小结

本章主要完成了对45钢热处理前后的硬度、拉伸、冲击等方面性能参数的测定，并绘制表格完成汇总，得出硬度差异、拉伸试样的拉伸率和断面收缩率以及试样的工程应力应变曲线、冲击功进而得出冲击韧性等不同工艺之间性能的变化趋势，为最后一章提供理论和实际数据依据，得出最终的具有参考价值的结论。另外，在整个实验过程中,最为重要的是通过对比不同的热处理工艺，分析不同的性能，找出符合实际需要的某种工艺，以便工件提高使用利用率和工厂效益。最后，我们也更加熟练的运用仪器设备和掌握实验过程中的注意点，为实验顺利完成起到了很大帮助，并且还提高我们的动手能力。

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4 结论

在本次毕业设计中，通过实验分析可得出如下结论：

（1）正火处理能细化晶粒和小范围的提升工件的硬度、冲击韧性和抗拉强度等力学性能，故此工艺可适用于承受某些受力不大、性能要求不高的机械零件。从经济角度考虑，正火工艺操作简单，成本较低。

（2）45钢的调质处理在很大程度上能提升工件的综合力学性能，通过对比普通的水淬调质和油淬调质处理可见，水淬调质在综合力学性能方面对材料的提升略优于油淬调质。

（3）对比分析普通水淬调质和新工艺零保温水淬调质的力学性能可见，零保温水淬调质新工艺对工件性能的提升略优，且从经济角度考虑，新工艺无保温时间，在很大程度上能节约资源，提升效率，节约成本，对于实际生产过程中具有重要的参考价值。

另外，在本次实验中，由于时间仓促、材料数目不多以及仪器存在误差等因素，实验只控制了两个变量——冷却方式和保温时间，显然该实验的对比度不够。因此，在以后的实验过程中，还需更多的控制相关变量如加热温度、加热速率等主要因素，以便获得更丰富、更准确的实验数据和更有代表性、更有实践意义的实验结果。

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致 谢

本论文是在娄菊红导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。娄老师学识渊博，为人和善，学术思维活跃，给我留下了深刻的印象，使我终身受益，是我学习的榜样。在我做实验和撰写论文的过程中给予我很大的帮助，不厌其烦的辅导相关知识和强调注意实验中的细节，让我顺利的完成毕业论文实验，并获得相应的实验数据。在实验数据分析方面，老师给我整理、引导分析思路，总结出较为准确的实验结果。在此，谨向娄老师表示我最崇高的敬意和最真挚的感谢。

感谢太原工业学院母校给我提供良好的学习和生活环境，四年的大学学习和生活经历让我终身难忘。

感谢梁红英老师在获取金相试样组织形貌的过程中给我们提供很大的帮助以及辅导，在此表示万分感谢！

感谢韩海军老师在拉伸性能测定实验中对我们实验操作的指导，对我们实验有很大的帮助，在此表示衷心感谢！

感谢和我一组做实验的几位同学，彼此相互帮助、监督和学习，顺利完成实验。

感谢我的舍友们在平时生活和学习中遇到困难的关心和帮助，让我们共同成长进步。

另外，衷心感谢我的父母，感谢他们无私的关爱和默默的付出，让我能拥有一个美好的、值得回忆的四年大学生活。

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。

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