16Mn鋼熱處理課程設(shè)計(jì)

1、目 錄第一章 金屬熱處理課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 1一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與性質(zhì) 1二、課程設(shè)計(jì)的目的 1三、設(shè)計(jì)內(nèi)容與基本要求 1四、設(shè)計(jì)步驟 2第二章 材料16Mn基本參數(shù) 2一、16Mn材料簡(jiǎn)介 2二、16Mn材料的性能及用途 3三、16Mn材料化學(xué)成分 3四、16Mn物理力學(xué)性能 3第三章 熱處理工藝設(shè)計(jì) 4一、16Mn熱處理概述4二、16Mn熱處理 4三、基本 參數(shù) 確定9第四章 16Mn鋼熱處理分析10一、16Mn鋼熱處理后組織分析10二、16Mn鋼熱處理后材料性能檢測(cè) 13第五章 設(shè)計(jì)與心得體會(huì)17參考文獻(xiàn)19第一章 金屬熱處理課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與性質(zhì) 金屬熱處理原理與工藝課程是一門(mén)

2、重要的專(zhuān)業(yè)課程，金屬材料熱處理工藝設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)操作是一種重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)金屬材料熱處理工藝金相組織分析、性能檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生掌握熱處理實(shí)驗(yàn)方法、原理及相關(guān)設(shè)備，運(yùn)用熱處理的基本原理和一般規(guī)律對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，有助于強(qiáng)化學(xué)生解決問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力。二、課程設(shè)計(jì)的目的1、課程設(shè)計(jì)屬于金屬熱處理原理與工藝課程的延續(xù)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握金屬熱處理工藝設(shè)計(jì)的一般規(guī)律和方法。2、培養(yǎng)綜合運(yùn)用金屬學(xué)、材料性能學(xué)、金屬工藝學(xué)、金屬材料熱處理及結(jié)構(gòu)工藝等相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力。3.培養(yǎng)使用手冊(cè)、圖冊(cè)、有關(guān)資料及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的能力。4.提高技術(shù)總結(jié)及編制技術(shù)文件的能力。5.是金屬

3、材料工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施的技術(shù)準(zhǔn)備。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容與基本要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：完成合金結(jié)構(gòu)鋼（16Mn）的熱處理工藝設(shè)計(jì)，包括工藝方法、路線、參數(shù)的確定，熱處理設(shè)備及操作，金相組織分析，材料性能檢測(cè)等。 基本要求： 1.課程設(shè)計(jì)必須獨(dú)立的進(jìn)行，每人必須完成不同的某一種鋼材熱處理工藝設(shè)計(jì)，能夠較清楚地表達(dá)所采用熱處理工藝的基本原理和一般規(guī)律。 2.合理地確定工藝方法、路線、參數(shù)，合理選擇熱處理設(shè)備并正確操作。 3.正確利用TTT、CCT圖等設(shè)計(jì)工具，認(rèn)真進(jìn)行方案分析。 4.正確運(yùn)用現(xiàn)代材料性能檢測(cè)手段，進(jìn)行金相組織分析和材料性能檢測(cè)等。 5.課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)力求用工程術(shù)語(yǔ)，文字通順簡(jiǎn)練，字跡工整，圖

4、表清晰。四、設(shè)計(jì)步驟方案確定： 1.根據(jù)零件服役條件合理選擇材料及提出技術(shù)要求。 2.零件按材料、形狀、尺寸、重量和性能要求等確定其熱處理工藝方法、路線及相關(guān)參數(shù)。 3.選擇熱處理設(shè)備及溫度控制方式、冷卻介質(zhì)。 4.熱處理工藝實(shí)例。 5.熱處理后材料性能檢測(cè)。 6.金相組織分析. 7.利用Fe-Fe3C相圖、TTT、CCT圖等設(shè)計(jì)工具，認(rèn)真進(jìn)行方案分析。 一般，根據(jù)零件使用性能及技術(shù)要求，提出所可能實(shí)施的幾種熱處理工藝方案，首先從其所可能達(dá)到的性能要求，工藝操作的繁簡(jiǎn)及質(zhì)量可靠性等進(jìn)行分析比較，再根據(jù)生產(chǎn)批量的大小，現(xiàn)有設(shè)備條件及國(guó)內(nèi)外熱處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，確定最佳熱處理工

5、藝方案。材料選擇：選擇16Mn合金結(jié)構(gòu)鋼零件設(shè)計(jì)：試樣為16Mn無(wú)縫鋼管，擬定板厚50mm，在低溫環(huán)境下工作，要求有良好的綜合力學(xué)性能，在低溫環(huán)境下，塑性和焊接性行良好，具有良好的切削性能。第二章 材料16Mn基本參數(shù)一、16Mn材料簡(jiǎn)介16Mn是舊國(guó)標(biāo)GB/T15911988中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)，新國(guó)標(biāo)GB/T15911994中的牌號(hào)為Q345（Q345有5個(gè)質(zhì)量等級(jí)，Q345AQ345E），Q345A對(duì)應(yīng)美國(guó)ASTM的牌號(hào)是Gr.50 (中間的點(diǎn)不是小數(shù)點(diǎn)，是上下對(duì)中的，像個(gè)“乘號(hào)”點(diǎn)一樣。) 16Mn為鋼材中的一種材質(zhì)。過(guò)去鋼材的一種叫法?，F(xiàn)在的稱(chēng)法為：Q345(見(jiàn)Q345)。1

6、6，所代表的為這種鋼材中的碳的含量在0.16%左右。而Mn單獨(dú)提出來(lái)，是因?yàn)槲宕笤兀ㄌ糃，硅Si，錳Mn，磷P，硫S）中，錳的含量高，才單獨(dú)提出來(lái)，大約在1.20-1.60%左右。 16Mn屬低合金鋼板系列，在此系列中，為最普通材質(zhì)，或者牌號(hào)的鋼板。16Mn為鋼材中的一種材質(zhì)。過(guò)去鋼材的一種叫法。 16Mn鋼屬于碳錳鋼，碳的含量在0.16%左右，屈服點(diǎn)等于343MPa（強(qiáng)度級(jí)別屬于343MPa級(jí)）。16Mn鋼的合金含量較少，焊接性良好，焊前一般不必預(yù)熱。但由于16Mn鋼的淬硬傾向比低碳鋼稍大，所以在低溫下（如冬季露天作業(yè)）或在大剛性、大厚度結(jié)構(gòu)上焊接時(shí)，為防止出現(xiàn)冷裂紋，需采取預(yù)熱措施。二、

7、16Mn材料的性能及用途綜合力學(xué)性能良好，低溫性能尚可，塑性和焊接性良好，用做中低壓容器、油罐、車(chē)輛、礦山機(jī)械、電站、橋梁等承受動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件、建筑結(jié)構(gòu)、一般金屬結(jié)構(gòu)件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于-40以下寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)。主要特性:綜合性能好，低溫性能好，冷沖壓性能，焊接性能和可切削性能好。應(yīng)用舉例：礦山，運(yùn)輸，化工等各種機(jī)械。三、16Mn材料化學(xué)成分表一 16Mn化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)化學(xué)成分（重量百分比）Chemicai composition（WT%）16Mn碳（C）硅（Si）錳（Mn）鉻（Cr）0.130.190.200.601.201.600.30磷（P）硫（S）鎳（Ni）銅（

8、Cu）0.0300.0300.300.25四、16Mn物理力學(xué)性能16Mn密度為7.85，16Mn鋼板密度為7.85.16Mn低合金鋼管是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：Mn含碳量為0.1%-0.25%,加入主要合金元素錳、硅、釩、鈮和鈦等；它的含合金總量<3%。按強(qiáng)度分為300、350、400和450MPa等4個(gè)級(jí)別。主要有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。：“Q”是屈服的“屈”字的漢語(yǔ)拼音大寫(xiě)字頭，其后數(shù)字為該牌號(hào)最小屈服點(diǎn)（s）值，其后的符號(hào)是按照該鋼雜質(zhì)元素（硫、磷）含量由高到低并伴隨碳、錳元素的變化而分為A、B、C、D四等。其中A、B級(jí)鋼通常稱(chēng)16Mn 抗拉強(qiáng)度：47066

9、0牛/平方毫米； 屈服強(qiáng)度：275345牛/平方毫米； 伸長(zhǎng)率：21%。具體值要根據(jù)鋼材的厚度或直徑，以上數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)鋼材的厚度或直徑為：16100mm。第三章 熱處理工藝設(shè)計(jì)一、16Mn熱處理概述熱處理的目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改變鋼的性能，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機(jī)械性能，延長(zhǎng)機(jī)器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強(qiáng)化金屬材料，充分挖掘材料性能潛力，降低結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省和能源，而且能夠提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度延長(zhǎng)機(jī)械零件的使用壽命。熱處理的三階段：加熱，保溫，冷卻。這三個(gè)階段決定了材料熱處理后的組織和性能。加熱是熱處理的第一道工序。不同的材料，其加熱工藝和加熱溫度都不同。加熱分為兩

10、種，一種是在臨界點(diǎn)A1以下的加熱，此時(shí)不發(fā)生組織變化。另一種是在A1以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過(guò)程稱(chēng)為奧氏體化。保溫的目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長(zhǎng)。冷卻是熱處理的最終工序，也是熱處理最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。16Mn鋼是目前國(guó)內(nèi)建筑用主要鋼材之一，以熱軋狀態(tài)交貨。16Mn屬于低合金鋼板系列，在此系列中為最普通材質(zhì)或者牌號(hào)的鋼板。根據(jù)特殊要求，可以對(duì)鋼板進(jìn)行一些特殊的處理：熱處理和Z向性能。這里我們只討論熱處理。其熱處理一般為控扎，正火等等。二

11、、16Mn熱處理設(shè)計(jì)采用膨脹法并結(jié)合金相-硬度法，膨脹曲線在G leeb-1500熱模擬機(jī)上測(cè)定。為使加熱溫度接近16Mn鋼的開(kāi)軋溫度保證微合金元素的充分溶解，根據(jù)已有文獻(xiàn)，試樣的奧氏體化溫度定為1000（在2min內(nèi)將試樣加熱至此溫度），保溫15min。分別以13種不同的冷卻速度（0.175/s）將試樣冷卻，獲取其膨脹曲線，再由膨脹曲線確定相變溫度。以噴水冷卻（冷卻速度約為400/s）測(cè)定其Ms點(diǎn)。用DTA方法（以2/min由500升溫到1000）確定其臨界點(diǎn)Ac1和Ac3，最后在POLYVAR-MET金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察，并測(cè)得顯微硬度（HV2）。測(cè)定結(jié)果為Ac1=917，Ac3=770

12、，Ms400。根據(jù)不同冷卻速度膨脹曲線上的拐點(diǎn)（切點(diǎn)或極值點(diǎn)），結(jié)合金相組織，確定的箱變溫度見(jiàn)表二。將表二中的相變點(diǎn)繪制到溫度-時(shí)間半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，用連線法將個(gè)物理意義相同的點(diǎn)連接起來(lái)同時(shí)在該坐標(biāo)上標(biāo)出Ac1,Ac3和Ms即可繪制出CCT圖（圖一），冷卻曲線旁的數(shù)字為冷卻速度，冷卻曲線下端的數(shù)字為以此冷卻速度冷卻后試樣的室溫維氏硬度值（HV2）。表二 不同冷卻速度下的相變溫度圖1 16Mn鋼的CCT圖16Mn一般是淬火+低溫回火熱處理，250以下回火時(shí)為回火馬氏體，450以上回火時(shí)為回火索氏體。已經(jīng)測(cè)出的16Mn鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT圖)有多個(gè).由于所用試樣的化學(xué)成分和奧氏體化工藝的差

13、別,不同測(cè)試者可獲得不同的結(jié)果,但大同小異,典型的TTT圖如圖2。圖2 16Mn鋼的TTT圖加熱到770+（2030）,短時(shí)間保溫或者不保溫,油淬,然后250回火(+10-10),可以保證硬度在45-49之間,回火最好在淬后有余熱時(shí)馬上進(jìn)行,這樣可以最小程度減小變形.如果對(duì)疲勞性能有更高要求,可以在回火后再進(jìn)行噴丸處理,這樣光潔度也會(huì)好一點(diǎn)，出爐馬上就得進(jìn)油，不用水。 16Mn是結(jié)構(gòu)鋼低溫回火，770淬火150250回火淬火+低溫回火,所得組織為回火馬氏體。其目的是獲得高的屈服強(qiáng)度，彈性極限和較高的韌性。淬火后低溫回火?？色@得比較優(yōu)良的綜合性能。（1）16Mn鋼的預(yù)熱處理根據(jù)不同板厚及不同環(huán)境

14、溫度下16Mn鋼的預(yù)熱溫度16以下 不低于10不預(yù)熱,10以下預(yù)熱100150； 1624 不低于5不預(yù)熱,5以下預(yù)熱100150； 2540 不低于0不預(yù)熱,0以下預(yù)熱100150； 40以上 均預(yù)熱100150。給定試樣16Mn鋼預(yù)先熱處理工藝示意圖：圖3 （a）圖3 （b）（2）16Mn鋼的退火將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保溫一定時(shí)間，隨后緩慢冷卻，從而獲得接近平衡狀態(tài)的組織與性能的金屬熱處理工藝。16Mn屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，為低碳鋼，若采用通常的完全退火，則其硬度太低，切削性能不好。為改善切削性能，可采用高溫退火，即在比通常完全退火更高的溫度下加熱，獲得4 6級(jí)的粗晶粒，以

15、提高切削性能。16Mn鋼屬于亞共析鋼，合金元素含量較低，具有良好的韌性，強(qiáng)度和抗冷熱疲勞性能與一定的耐磨性。溫度選擇為Ac3+（2030）。一般先把鋼管加熱到 870-880 度 再爐冷至 500 度 然后爐外空冷。圖4 16Mn退火后的顯微組織（3）16Mn鋼的正火正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050保溫出爐空冷。低碳鋼正火的目的之一是提高切削性能。但是對(duì)16Mn這樣碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.20的鋼，即使按通常正火溫度正火后，自由鐵素體量仍過(guò)多，硬度過(guò)低，切削性能仍較差。為了提高硬度，應(yīng)提高加熱溫度（可比Ac3高100），以增大過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，而且應(yīng)該增大冷卻速度，以獲得較細(xì)的珠光體

16、和分散度較大的鐵素體。 16Mn鋼一般正火熱處理,加熱到560，保溫2小時(shí)，再加熱到850，保溫3小時(shí)，爐冷。圖5 正火后的顯微組織（4）16Mn鋼的淬火將鋼加熱到Ac3或Ac1以上3050保溫快速冷卻（大于Vk）以獲得馬氏體的工藝方法。 因?yàn)?6Mn的含碳量太低，鋼材的淬硬傾向太低，進(jìn)行淬火還不如進(jìn)行正火，正火后的性能會(huì)比淬火的性能更優(yōu)異。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)刻進(jìn)行淬火處理。（5）16Mn鋼的回火回火是將淬火后的鋼重新加熱到Ac1以下某一溫度保溫，然后冷卻（一般空冷）至室溫。16Mn鋼一般采用低溫回火，在150250溫度下回火，得到回火馬氏體。綜合硬度抗彎強(qiáng)度撓度3個(gè)主要機(jī)械性能來(lái)看，選擇在18

17、0200之間回火最佳，既可保持較高的抗彎強(qiáng)度撓度，又有較高的硬度值（HRC62以上）。在250回火，抗彎強(qiáng)度撓度硬度都很低。因此，不要選擇此回火溫度。圖6 16Mn熱軋回火的金相圖三、基本參數(shù)確定進(jìn)行熱處理時(shí)，加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式是最重要的三個(gè)基本工藝因素，正確選擇這三者的規(guī)范，是熱處理成功的基本保證。1.加熱溫度的選擇（1)退火溫度 16Mn鋼屬于亞共析鋼，合金元素含量較低，具有良好的韌性，強(qiáng)度和抗冷熱疲勞性能與一定的耐磨性。溫度選擇為Ac3+（2030）（2）正火溫度870880，再爐冷至500然后爐外空冷。（3）淬火溫度16Mn鋼屬于亞共析鋼，合金元素含量較低，具有良好的韌性，強(qiáng)

18、度和抗冷熱疲勞性能與一定的耐磨性。溫度選擇為Ac3+（3050）。因?yàn)?6Mn的含碳量太低，鋼材的淬硬傾向太低，一般不進(jìn)行淬火處理。（4）回火溫度低溫回火：150250，所得組織為回火馬氏體，硬度約為HRC5760.（5）對(duì)于16Mn鋼常進(jìn)行焊后熱處理表三 焊后熱處理參數(shù)預(yù)熱管材壁厚15mm時(shí)需預(yù)熱至150200，板材厚度30mm時(shí)需預(yù)熱至100150焊后熱處理溫度()600650壁厚(mm)12.512.5252537.537.550507575100恒溫時(shí)間1.5h2h2.25h2.5h壁厚28mm的構(gòu)件焊后需要進(jìn)行熱處理。2.保溫時(shí)間的確定通過(guò)將鋼件升溫和保溫所需時(shí)間算在一起，統(tǒng)稱(chēng)為加熱

19、時(shí)間。退火加熱保溫時(shí)間，在全部爐料到達(dá)退火溫度后，保溫46h?；鼗鸺訜岜貢r(shí)間為2h。3.冷卻方式退火：隨爐緩冷至500，出爐空冷淬火：急冷回火：油冷之后空冷第四章 16Mn鋼熱處理分析一、16Mn鋼熱處理后組織分析研究熱處理后的組織時(shí)，不但要參考鐵碳相圖，還要利用鋼的TTT曲線或CCT曲線。圖7 鐵碳相圖鐵碳相圖能說(shuō)明慢冷時(shí)不同碳含量的鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程和室溫下的組織以及相對(duì)量。TTT曲線或CCT曲線則能說(shuō)明一定成分的鐵碳合金在不同冷卻條件下的轉(zhuǎn)變過(guò)程，以及轉(zhuǎn)變后能得到的那些組織。(一)16Mn過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分析圖8為16Mn鋼的原始態(tài)及部分冷卻速度下得到的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的金相組織。由圖可知，

20、16Mn鋼幾乎在每種冷卻速度下都有且素體析出，只是鐵素體形態(tài)隨冷卻速度不同會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)，其形態(tài)以塊狀為主, 冷卻速度加快時(shí), 鐵素體組織細(xì)化 并且 出現(xiàn) 針狀 形態(tài), 當(dāng) 冷卻 速 度非 ?？? 60/s, 75/s)時(shí), 則以游離鐵素體存在. 珠光體轉(zhuǎn)變大約在冷卻速度低于 15/ s時(shí)發(fā)生, 隨著冷卻速度的增加, 珠光體組織由較粗形態(tài)珠光體過(guò)渡為較細(xì)的索氏體和屈氏體, 并且數(shù)量減少. 而貝氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度范圍非常寬, 在冷卻速度為05/s時(shí), 就出現(xiàn)少量貝氏體, 其形態(tài)似針狀鐵素體, 冷卻速度加大其針狀組織變細(xì), 而且, 在速度很快時(shí)以馬氏體為主的顯微組織里也會(huì)有少量貝氏體

21、存在. 在冷卻速度大于 20/ s時(shí), 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變, 其形貌主要是板條狀馬氏體. （a）原始態(tài)：（b）0.1/s（c）0.5/s（d）5/s（e）10/s（f）15/s（g）20/s（h）30/s（i）45/s（j）75/s圖8 16Mn鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變后的金相組織（二）16Mn鋼的軋后余熱熱處理金相組織：經(jīng)余熱熱處理的式樣外表面有回火索氏體組織，是由表面快冷得到馬氏體后，試樣內(nèi)部的熱量傳遞到外表面對(duì)其回火所致。其范圍為1.21.5mm。其心部組織為珠光體+鐵素體，與熱軋態(tài)的金相組織相比，晶粒較細(xì)小，其結(jié)果見(jiàn)圖9。圖9 金相組織 （a）余熱處理外層組織（b）余熱處理心部組織（c）熱軋態(tài)心部組

22、織力學(xué)性能：由測(cè)試結(jié)果表四可見(jiàn)，經(jīng)軋后余熱熱處理鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)好于熱軋狀態(tài)的強(qiáng)度指標(biāo)。完全符合YB13-69標(biāo)準(zhǔn)。表四 力學(xué)性能圖10 沿徑向硬度分布曲線由圖10可見(jiàn)，經(jīng)軋后余熱熱處理的鋼筋橫截面上硬度比熱軋狀態(tài)鋼筋橫截面相應(yīng)點(diǎn)上的硬度高，而且由表面到心部硬度緩慢地下降，這說(shuō)明經(jīng)軋后余熱熱處理的鋼筋，具有良好的疲勞性能。造成力學(xué)性能提高的原因是其組織的變化。二、16Mn鋼熱處理后材料性能檢測(cè)（一）16Mn鋼表面組織超細(xì)化研究圖11為不同深度的微觀組織形貌。結(jié)果表明16Mn鋼經(jīng)機(jī)械研磨處理后，其表層組織由表及里分別為納米和亞微米晶層、微米晶層和正?；w。納米和亞微米晶層的厚度約30，微米晶層約

23、50。在納米和亞微米層，局部的納米晶粒尺寸由50至200nm大小不等（圖11，）大多數(shù)晶粒尺寸為亞微米在微米晶層，晶粒尺寸約為2，且均勻性較差，晶粒被明顯碎化（圖11d）。圖12為機(jī)械研磨處理后樣品硬度沿厚度方向的變化?？梢钥闯?，表面機(jī)械研 磨處理后，樣品表面的硬度明顯增大，并隨著深度的增加而逐漸減小 。在機(jī)械研磨的過(guò)程中，彈丸與試樣表面之間的碰撞，使試樣表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，表層晶粒被碎化，隨著深度的增加，由于作用力的減小， 晶粒的變 形量減小，故試樣表層晶粒尺寸由表里逐漸增大。另外，由于研磨過(guò)程中，彈丸碰撞方向和作用點(diǎn)都在不斷地變化，經(jīng)過(guò)反復(fù)碰撞后，樣品表面附近原晶粒的變形方向和變形量都

24、存在一定的差異，造成近表面層組織局部不均勻，局部達(dá)到納米 尺度，而有的區(qū)域晶粒僅為亞微米級(jí)。 - 21 -圖11 經(jīng)機(jī)械研磨處理的16Mn鋼表層由表及里不同深度的微觀組織形貌（a、b、c納米和亞微米晶層；d微米晶粒層圖12 機(jī)械研磨處理后樣品由表及里不同深度的硬度變化 結(jié)論：（）16Mn鋼經(jīng)機(jī)械研磨處理后，表層組織由表及里依次為納米和亞微米晶 層、微米晶層和正常基體 。（）機(jī)械研磨處理使16Mn鋼的表面得到明顯強(qiáng)化，表層硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)部基體的硬度。（二）16Mn鋼的高溫強(qiáng)度試驗(yàn)鋼材高溫力學(xué)性能試驗(yàn)所需的設(shè)備應(yīng)包括加載、加熱和溫度控制以及數(shù)據(jù)量測(cè)和記錄等3個(gè)系統(tǒng)。該試驗(yàn)在一臺(tái)型號(hào)為WAW-100

25、0微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)機(jī)最大加載能力為1000kN,控制精度為±1 %。試驗(yàn)機(jī)配備有TL -10 00筒式高溫爐,爐室直徑80 mm ,恒溫區(qū)長(zhǎng)度為350mm，最高升溫1000,控溫精度為±1。變形的量測(cè)采用電子引伸計(jì),測(cè)量標(biāo)距50 0m m ,最大量程為25 mm ,精度0.178%。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖13。測(cè)量裝置如圖14所示。 圖13 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 圖14 變形測(cè)量?jī)x器恒載加溫試驗(yàn)結(jié)果及分析：恒載加溫試驗(yàn)中由于應(yīng)力保持不變 ,試驗(yàn)只能參考變形時(shí)間曲線圖 ,試驗(yàn)中某一溫度下臨界荷載的判斷標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)過(guò)程中試件的變形速率突然變大或者持續(xù)變大,此時(shí)所施加的荷載即為臨界

26、荷載。圖15圖18分別為對(duì)應(yīng)600、500、400、300時(shí)不同荷載水平下的變形時(shí)間曲線圖。 圖15 600恒載加溫不同荷載水平下的變形-時(shí)間曲線圖16 500恒載加溫不同荷載水平下的變形-時(shí)間曲線 圖17 400恒載加溫不同荷載水平下的變形-時(shí)間曲線圖18 300恒載加溫不同荷載水平下的變形-時(shí)間曲線圖15中600恒載加溫試驗(yàn)荷載水平為0130時(shí),試驗(yàn)達(dá)到目標(biāo)溫度后試件的變形速率不發(fā)生改變。荷載水平為0135 時(shí),試件在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中變形速率越來(lái)越大。圖16中500 恒載加溫試驗(yàn)荷載水平為0150時(shí),試驗(yàn)達(dá)到目標(biāo)溫度后試件的變形速率沒(méi)有發(fā)生大的改變。圖17中400恒載加溫試驗(yàn)荷載水平為015

27、5時(shí),變形速率逐漸變小,而荷載水平為0160時(shí),試驗(yàn)達(dá)到目標(biāo)溫度后試件的變形速率突然變大。同樣圖18中300恒載加溫試驗(yàn)荷載水平為0170時(shí),變形速 率逐漸變小,而荷載水平為0175時(shí),試驗(yàn)達(dá)到目標(biāo)溫度后試件的變形速率也突然增大。依據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn),該批次16Mn鋼在600時(shí)恒載加溫的臨界荷載水平0130;500時(shí)恒載加溫的臨界荷載水平為0150;400時(shí)恒載加溫的臨界荷載水平為0155；300時(shí)恒載加溫的臨界荷載水平為0170.恒溫加載試驗(yàn)結(jié)果及分析：將恒溫加載試驗(yàn)記錄的應(yīng)力- 應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?由應(yīng)變儀測(cè)量的變形是標(biāo)距500mm長(zhǎng)試件的變形,但實(shí)際上標(biāo)距內(nèi)試件的溫度不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的恒溫區(qū)間,

28、假設(shè)中間標(biāo)距為350mm長(zhǎng)的試件是恒溫區(qū),兩端近似考慮為常溫,以此處理應(yīng)變數(shù)據(jù),取其條件屈服強(qiáng)度值,分別為f 011、f 012、f 015、f 110、f115和f 210。用條件屈服強(qiáng)度除以該批次鋼材常溫屈服強(qiáng)度便得到高溫強(qiáng)度折減系數(shù)。表五 恒溫加載條件下屈服強(qiáng)度折減系數(shù)值各次試驗(yàn)不同溫度條件下屈服強(qiáng)度的折減系數(shù)如表五所列。將每一溫度水平下3次試驗(yàn)的結(jié)果取平均值得表六 。表六 恒溫加載條件下平均屈服強(qiáng)度折減系數(shù)值從表五試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果看出 ,每個(gè)溫度水平下的3次試驗(yàn)結(jié)果基本相同,說(shuō)明試驗(yàn)重復(fù)性比較好。從表六可知,屈服強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度的升高而降低 ,600下f 011降為常溫下強(qiáng)度的33%,f

29、 015降為常溫下強(qiáng)度的50 %左右,試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與國(guó)外一些規(guī)范有一定的差異。圖19為根據(jù)表六分析數(shù)據(jù)繪制的曲線圖 。 圖19 恒溫加載條件下屈服強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度的變化曲線（三）碳、錳元素對(duì)等溫轉(zhuǎn)變的影響碳不論在鋼或鑄鐵中均為主要的基本元素;當(dāng)含碳量超過(guò)1. 2%以上時(shí)會(huì)使過(guò)剩碳化物的數(shù)量增多，并使它們的尺寸增大;但是碳化物在組織中分布得越來(lái)越不均勻，甚至沿晶粒邊界會(huì)出現(xiàn)碳化物定向的缺陷，這就使機(jī)械性能變壞。所以，為了改善其機(jī)械性能，選擇了等溫退火處理。圖20 C、Mn元素對(duì)HIT曲線的影響 圖20表明，提高碳量由于增大了奧氏體中碳的過(guò)飽和度，合金的孕育期縮短，碳化物的析出傾向增大，同時(shí)由于

30、C的析出，非均質(zhì)晶核增加，促進(jìn)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，所以提高碳量使轉(zhuǎn)變曲線左移。Mn的影響如圖（b）所示。Mn量增加，合金的臨界溫度下降，奧氏體更趨穩(wěn)定；同時(shí)奧氏體的溶碳能力提高，因而使合金的轉(zhuǎn)變?cè)杏谘娱L(zhǎng)，轉(zhuǎn)變溫度下降，使等溫轉(zhuǎn)變曲線向右下方移動(dòng)。（四）鋼在熱處理后常見(jiàn)的缺陷（1） 帶狀組織：是亞共析鋼中先析出鐵素體，分別沿著壓力加工方向呈帶狀交替分布，顯微鏡下形成黑白交替的帶狀組織。（2） 脫碳：在氧化介質(zhì)中，剛進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱，表面就會(huì)脫碳，表面上幾乎全由單一的鐵素體組成。（3） 過(guò)熱、過(guò)燒：鋼在加熱時(shí)形成粗大奧氏體晶粒的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)熱；過(guò)燒指加熱溫度過(guò)高，不僅奧氏體晶粒粗大，且在奧氏體晶界處

31、產(chǎn)生氧化甚至局部熔化的現(xiàn)象。（4） 魏氏組織：先共析片狀鐵素體或先共析片狀滲碳體。（5） 淬火裂紋：淬火冷卻時(shí)形成的拉應(yīng)力超過(guò)材料微裂紋擴(kuò)展所需臨界應(yīng)力時(shí)形成的宏觀裂紋。第五章 設(shè)計(jì)與心得體會(huì)在本學(xué)期期末開(kāi)始金屬熱處理工藝課程設(shè)計(jì)前，我們已修金屬熱處理原理與工藝這一門(mén)課程，任課老師李會(huì)強(qiáng)著重為我們講述了熱處理原理、熱處理工藝這兩大方面的知識(shí)。了解到熱處理原理包括金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)、鋼中奧氏體的形成、珠光體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、過(guò)飽和固溶體的脫溶分解（含鋼的回火），以及熱處理工藝包括鋼的退火與正火、鋼的淬火與回火、鋼的化學(xué)熱處理。這些基本熱處理知識(shí)為我們此次的課程設(shè)計(jì)打下了一定的基礎(chǔ)，是我

32、們獨(dú)立完成一個(gè)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的前提。在設(shè)計(jì)中，我們很容易就可以發(fā)現(xiàn)，這一次的課程設(shè)計(jì)屬于金屬熱處理原理與工藝課程的延續(xù)，我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握金屬熱處理工藝設(shè)計(jì)的一般規(guī)律和方法，也培養(yǎng)了我們綜合運(yùn)用金屬學(xué)、材料性能學(xué)、金屬工藝學(xué)、金屬材料熱處理及結(jié)構(gòu)工藝等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力，當(dāng)然也培養(yǎng)了我們使用手冊(cè)、圖冊(cè)、有關(guān)資料及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的能力以及提高了我們技術(shù)總結(jié)、編制技術(shù)文件的能力。在設(shè)計(jì)工程中，我很清楚地感覺(jué)到，我對(duì)熱處理這門(mén)課程有了更深的認(rèn)識(shí)，懂得熱處理是一門(mén)很靈活的技術(shù)，不同的溫度，不同的介質(zhì)，還有材料中某一部分成分的不同都會(huì)影響著最終制作的零件的性能，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)自己在這一方面所接觸到的知識(shí)還很膚淺，在課程設(shè)計(jì)的資料收集過(guò)程中，我查閱了大量有關(guān)資料，拓展了知識(shí)面，也走了不少?gòu)澛?，但通過(guò)向老師請(qǐng)教和與同學(xué)交流等方式，