45钢晶粒超细化工艺研究毕业论文.doc

1、毕 业 论 文题 目: 45钢晶粒超细化工艺研究 学院(直属系): 中 央 广 播 电 视 大 学 年级、 专业: 2010年春 机 制 （本） 学 生 姓 名: 叶 林 伟 学 号: 1051001201076 指 导 教 师: 杨 林 建 完 成 时 间: 2012年3月8日 45钢晶粒超细化工艺研究2010年春机制本科学生： 叶林伟 指导教师： 杨林建摘 要对45钢采用不同循环淬火工艺进行晶粒超细化处理，并结合不同淬火温度、保温时间和淬火循环次数对处理过程中奥氏体晶粒尺寸的影响，分析得出了45钢晶粒细化的最佳工艺方案。试验结果表明，在普通空气电阻炉中采用循环快速加热工艺细化45钢晶粒的最

2、佳热处理参数是：890加热，保温16min，水淬4次，可使奥氏体晶粒细化至 13级。在淬火温度一定时，随着加热时间的增加，45钢马氏体板条变的细小；保温时间一定时，随着淬火温度的提高，其硬度随着提高，45钢淬火后的硬度提高到4352HRC之间。关键词： 晶粒细化 循环淬火 45钢 显微组织AbstractsThe grains in 45 steel were superfined by using different cycle quenching processes, and the influence of the different quenching temperature, the

3、 quenching soaking time and the quenching cycle index on austenite grain size were studied. The results of experiment indicated that in common air resistance furnace, by the quick heating cyclic quenching technology, the best 45steels grain refining parameters of heat treatment are holding at 890,so

4、aking for 16 minutes and quenching in water 4 times, and that austenite grains of the steel were refined to grade 12. When the hardening temperature was determinate, the martensite structures plank became shorter and thinner along with the time growth; When soaking time was determinate, steel degree

5、 of hardness got an exaltation with the temperature ascension, The steels degree of hardness after quenching treatment can be increased to 4352HRC .Keywords: grain refinement cyclic quenching treatment 45steel microstructure目 录 第1章 绪论31.1 引言31.2 钢的强韧化机制及组织性能31.3 细化晶粒的工艺方法51.3.1细化晶粒的工艺方法51.3.2晶粒细化的目的

6、71.4 45钢的传统热工艺及用途81.5 热处理晶粒超细化的研究现状和本文的研究意义9第2章 实验原理102.1 实验原理102.1.1钢的加热奥氏体化转变102.1.2钢的淬火马氏体转变112.1.3快速循环淬火细化晶粒的原理112.2 实验工艺方案的确定122.2.1实验材料、设备及预备热处理方案的确定122.2.2淬火加热温度的确定122.2.3淬火加热保温时间的确定132.2.4淬火循环次数的确定132.2.5 45钢循环淬火工艺的总体方案142.2.6用正交法分析工艺过程142.3 晶粒度和硬度的测定17第3章 试验结果和分析讨论193.1实验结果193.1.1测定晶粒度时的金相组

7、织193.1.2循环淬火后显微金相组织243.2分析讨论252.2.1晶粒度测试结果的正交分析253.2.2金相显微组织分析283.2.3淬火工艺参数对45钢组织和性能的影响283.2.4奥氏体晶粒大小和室温下组织大小的关系32第4章 结论34第5章 总结与体会 355.1总结 355.2 体会 35致谢词 36参考文献 37第1章 绪 论1.1. 引言多年来人们为提高钢铁材料的使用性能开展了广泛的研究工作, 长期的研究和生产实践表明, 只有材料组织的细化处理是同时提高材料强度和韧性最为有效途径。细晶强化的特点是：在提高强度的同时，还能提高韧性或保持韧性和塑性基本不下降。而其他强化手段，都是在

8、强度提高的同时韧性下降，因此只有细晶强化才能保证高强度钢的使用安全性。20世纪50年代，Hall-Petch提出s=0+Kd-1/2的晶粒尺寸和屈服强度关系以后，Petch又进一步发现冷脆转变温度Tc与晶粒尺寸d有Tc=A-Blnd-1/2关系，说明细晶钢能改善并提高钢材低温脆断能力。因此，细化晶粒已成为非常重要的强韧化手段，通过细化奥氏体晶粒可以细化马氏体束尺寸，从而提高钢的强度和韧性，还可以改善钢的耐延迟断裂性能和抗疲劳性能；随着超细晶粒或超细组织的形成，可以把屈服强度大幅度提高，这是固溶强化、弥散强化及形变强化等手段不可比拟的。所以，细晶技术应当是研究提高材料强韧性的首选途径。1.2.

9、钢的强韧化机制及组织性能1.2.1 钢的强韧化机制钢的强韧化技术可分为强化与韧化两个方面1。钢的强化是指使金属强度（主要是屈服强度）增大的过程。金属的强度一般指金属材料对塑性变形的抗力，发生塑性变形所需要的应力越高，强度也就越高。钢的强化技术主要有：一、固溶强化固溶强化的出发点是以C或合金元素作为溶质原子阻碍位错运动。其强化机制为：由于溶质原子与基体金属原子大小不同，因而使基体的晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。应力场与位错本身的弹性应力场交互作用，增大了位错运动的阻力，从而导致强化。二、第二相强化（沉淀强化、弥散强化）第二相粒子可以有效的阻碍位错运动。运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，

10、或切过或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过程要消耗额外的能量，故需要提高外加应力，所以造成强化。弥散强化是钢中常见的强化机制。例如，淬火回火钢及球化退火钢都是利用碳化物作弥散强化相。三、位错强化位错强化也是钢中常用的一种强化机制，主要着眼于位错数量与组态对钢塑变抗力的影响。金属中位错密度高，则位错运动时易于发生相互交割，形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高钢的强度。其强化量与金属中的位错密度有关。位错密度提高所带来的强化效果有时是很大的。金属中的位错密度与变形量有关，变形量越大，位错密度越大，钢的强度则显著提高，但塑性明显下降。四、应变硬化（加工

11、硬化）在塑性变形中，随着金属内部组织结构的变化，金属的机械性能也发生明显的变化。即随着变形量的增加，金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降。这种加工硬化是金属材料的一种重要特性，可被用作强化金属的一种方法，对于一些不能用热处理强化（固态下无相变）的材料尤为重要。钢韧化技术主要有：晶粒微细化，钢质纯净化(除去其有害的杂质元素)，韧性相的利用等实践证明：超细晶粒处理(使组织微细化)不仅提高钢的强度，又改善其塑性和韧性，并使其脆性转化温度(或ITT)降低。而其它强化机制均对韧性有害因此，超细晶粒处理及组织微细化是提高钢强韧性的有效手段。1.2.2 钢的组织性能钢的力学性能1 (如强度、塑性、韧性及疲劳

12、性能等)的优劣主要取决于它的组织状态，影响钢组织状态的因素有如下几个方面：(1)钢的化学成分设计。主要合金元素有C、Si、Mn、Cr、Ni等；有害杂质元素及其含量，如P、S、O等。前者含量多少决定了钢的组织成分及其各相的相对数量；后者对钢中的有害夹杂物的种类、形态、大小及分布有重要影响。(2)钢材的冷、热塑变形(热轧及冷拔等)与回复、再结晶现象能在很大程度上改变钢的组织和性能 比如：控制轧制、连续轧制及反复轧制，可获得超细晶粒或亚晶粒结构和良好的强韧性配合，特别是通过快速、连续、控制性生产等手段，实现简化工序、节约钢材的加热次数并显著改善钢材的组织和性能的匀质性，从而达到优质高效、低耗的目的。

13、(3)钢的热处理技术，例如钢的退火、正火、铅淬火及油淬火、回火等，无论是预备或最终热处理技术，它们均在相当范围内改善钢的组织和性能。其中有些热处理技术是决定了产品的组织状态(匀细程度)及力学性能水平。1.3. 细化晶粒的工艺方法1.3.1 细化晶粒的工艺方法一般把钢的晶粒度细化到10级以上的处理方法称为“晶粒超细化处理” 9。经过超细化处理后淬火，可使钢获得高的屈服强度、韧性和低的韧脆转化温度。常用的细化方法有：形变诱导相变、快速循环加热淬火法、形变热处理细化方法、电磁场处理细化方法、微合金化细化方法。 本文研究的是快速加热循环淬火法。1.形变诱导相变细化形变诱导相变 ( st rain in

14、duced t ransformation)是将低碳钢 (一般 w (C) 0125 %) 加热到稍高于奥氏体相变 (AC3 ) 温度以上 , 对奥氏体施加连续快速大压下量变形 , 从而可获得超细的铁素体晶粒。在变形过程中 , 形变能的积聚使奥氏体向铁素体转变的相变点Ad3温度上升 , 在变形的同时发生铁素体相变 , 并且变形后进行快速冷却 , 以保持在形变过程中形成的超细铁素体晶粒。在形变诱导相变细化技术中 , 变形温度和变形量是两个最为重要的参量 , 随变形温度的降低及形变量的增加 , 应变诱发铁素体相变的转变量增加 , 同时铁素体晶粒变细。2.快速循环加热淬火细化采用多次循环加热淬火(

15、circle heating quenching) 冷却方法可有效细化材料的组织。其具体工艺是将钢由室温加热至稍高于Ac3的温度在较低的奥氏体化温度下短时保温,然后快速淬火冷却至室温,再重复此过程。每循环一次奥氏体晶粒就获得一定程度的细化,从而获得细小的奥氏体晶粒组织。研究表明,一般循环34次细化效果最佳, 当循环 67 次时,其细化程度达到最大。这种处理工艺的关键在于升温速度和冷却速度,基本要求是加热和冷却速度都要快,当不能实现急热和急冷时,不能明显细化晶粒,这在实际工业生产中往往受到一定的限制。3.形变热处理细化形变热处理( deformation heatint reatment)工艺有

16、许多,但大致可分为两类,其一,是将钢在较低的奥氏体化温度进行变形,然后淬火;其二,是将淬火后的钢进行冷变形,然后奥氏体化再淬火。第一种形变热处理工艺,是将钢加热到稍高于AC33温度,保持一段时间,到达完全奥氏体化,然后以较大的压下量使奥氏体发生强烈变形,之后等温保持一段时间,使奥氏体进行起始再结晶,并于晶粒尚未开始长大之前淬火,从而获得较细小的淬火组织。这种工艺对组织的细化有一定的限度,从许多实验和理论计算结果可知,这种工艺可获得的最小晶粒尺寸为 5m 左右,达到最小极限的原因可理解为由于在高温下原子的高速扩散,促进细小晶粒长大之故。但也人报道,尽管对于高碳高合金钢在合适的变形速率条件下进行形

17、变热处理,可能使其晶粒细化到1m以下。4.磁场或电场处理细化强磁场或电场可使奥氏体和铁素体的 Gibbs 自由能降低,从而提高Ac3温度。目前该技术主要在以下两个方面应用于钢铁材料组织细化处理过程中,一是在热轧过程中采用间断施加磁场或电场的方法改变Ac3温度,反复进行奥氏体/铁素体相变,可促进铁素体晶粒细化;二是外加磁场或电场使 Ac3温度的上升现象,可增大淬火冷却时从奥氏体向马氏体转变的相变驱动力,即可获得与增大过冷度相同的效果,从而增加马氏体的形核率,并且降低其生长速度,达到组织细化的目的。在强磁场或电场淬火时,具有随着场强度的增大,获得的淬火马氏体的尺寸就越细的规律。因此,利用磁场或电场

18、提高Ac3温度的原理可有效地应用于晶粒细化技术。5.微合金化细化方法通过对钢铁材料合金化也可有效细化晶粒,其原因可分为以下两种情况 , 其一是一些固溶合金化元素(如W,Mo等)的加入提高了钢的再结晶温度,同时可降低在一定温度下晶粒长大的速度;其二是一些强碳化物形成元素(如 Nb,V,Ti 等)与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级的化合物，它们对晶粒的增长起到强烈的阻碍作用,并且这种纳米级的化合物所占的体积分数为2 %时,对组织的细化效果最好。Nb是钢中常加的微合金化元素,它在钢中通常形成 Nb(C,N)化合物,这种化合物在一般钢中析出的鼻子尖温度为 900 左右,钢在不被施加热加工而直接冷却时一般不

19、析出 Nb(C,N),只有在热加工时才有大量的析出,此现象可被称为应变诱导析出,因此,在热加工及钢的再结晶过程中,其细化晶粒的效果最佳。Nb的加入在没有热加工的条件下,它可使奥氏体的晶粒尺寸细化到6m。在钢中加入 Ti 也可显著细化钢的奥氏体晶粒。单纯的合金化细化技术对钢铁材料组织细化有较大的局限性,它往往是结合一定的热处理工艺进行综合细化,才能得到较好的效果。1.3.2 晶粒细化的目的钢铁材料晶粒超细化的主要目的是提高常温下的机械性质，特别是强度。多晶金属的强度与晶粒直径d之间的HallPeteh关系2如下：= o+d-12(1)这是众所周知的经验关系式，其中o、 后是常数。虽然(1)式是对

20、软钢的下屈服应力而言，但图1.1所示的这一关系可适用于各种金属材料。该图由Hansen总结，图中画出了原始数据点连线(除纯铜以外)。从所画数据点范围可以看出，对于铁和铝，常规情况下得到的最小晶粒尺寸约几十m。图2.2还将常规晶粒尺寸材料所得的直线延长到超细晶粒一侧。假定在超细晶粒区域相同关系成立，则铁的晶粒可从10m细化到lm，使其强度达到25倍以上。另外，由于铁中的HP线斜率(1)式中的值)比其他金属大，因此通过晶粒细化便可以达到更高的强度水平。此预测就是钢的晶粒超细化动机之一。图1.1 Hansen总结的各种金属材料的屈服应力均晶粒尺寸问的HP关系HP关系不仅限于屈服应力，而且对于某个应变

21、量的变形应力、拉伸强度、韧性断裂应力以及解理断裂应力等也是经验上成立的。马氏体钢的0、2与原奥氏体晶粒尺寸，以及“束”的尺寸有HP关系。另外，虽然在高强度一侧有饱和倾向，但已知各种钢的疲劳极限大体上与拉伸强度成正比，因此，可以预期晶粒的细化经过静态强度的提高后，也能带来疲劳强度的提高。进而，在解理断裂情况下，断裂韧性与晶粒直径之间，HP关系成立；在韧性断裂情况下，断裂韧性值与晶粒尺寸之间的HP关系成立。但是，随着晶粒尺寸的增大，断裂韧性值也有增大的情况，而晶粒细化并不一定带来韧性的提高。关于韧性：以前得到的晶粒尺寸大于10m左右的材料，不存在细化晶粒损害韧性的情况。一般认为，晶粒细化是可以作为

22、不降低延展性、韧性的强化材料手段。另外，也有通过晶粒细化改善奥氏体不锈钢的晶界腐蚀、孔蚀的报导。如果能够实现晶粒超细化，就不必使用合金元素，以简单的化学成分，就能够得到高强度、高韧性的材料。这样，在提高材料循环使用性、减轻环境负担的同时，通过轻量化和长寿命化，也能够为减少材料生产、减少总能源消耗成本作出较大贡献。1.4. 45钢的传统热工艺及用途45钢是中碳结构钢，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。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。45钢的Ac1为725，Ac3为7753。钢号试样尺寸（m） 热处理规范淬火退火正火回火44518温度（

23、）冷却剂硬度（HRC）温度（）冷却剂硬度（HBS）温度（）硬度（HBS）温度（）冷却剂硬度（HBS）805840水4352811840炉冷197840870226550空冷200230表1.2 45钢传统热处理工艺45钢主要用于强度要求教高，韧性中等的零件，如齿轮、轴、链轮等。1.5. 热处理晶粒超细化的研究现状和本文的研究意义传统的利用钢铁材料中的点缺陷（空位和间隙原子）产生固溶强化；利用线缺陷（位错）产生位错强化；利用面缺陷（晶界）为位错运动的阻碍产生晶界强化；利用体缺陷（例如第二相M（C，N）的析出相）产生析出强化。这些强化方式对强度的贡献不同，它们可以明显的提高材料的强度，但是对材料屈

24、服强度的提高却贡献甚少。但只有细晶强化随着超细晶粒或超细组织的形成，可以把屈服强度大幅度提高。例如：我国钢厂所生产的低碳细晶粒钢铁素体晶粒度可达到ASTM No89级，即晶粒尺寸相当于2014m，按照s=o+kd-1/2的Hall-Petch关系，相应的屈服强度增量kd-1/2为131148MPa，若采用进一步细晶强化，实验室最佳控轧材（其晶粒尺寸为12m）的kd-1/2增量可达435PMa。组织细化理论是研究新一代钢铁材料的核心。化学冶金、凝固、电磁冶金、焊接及性能预报等相关学科要保证材料组织细化的稳定实现。新一代钢铁材料除了具有超细晶、高洁净度和高均匀性的主要特征外，从经济和生产应用考虑，

25、还应满足3个条件，即良好的性能价格比、强韧性和符合可持续发展方针。可见，超细晶是钢材的发展趋势。目前热处理细化晶粒工艺的发展趋势主要还是在于提高加热速度和研究更为经济和有效的形变加热处理。关于加热速度的提高，在于改进和设计热处理设备，如新的电触加热（CEH）设备，利用电场、磁场以及激光等为加热能源。此外利用合金元素和形变处理相结合细化晶粒也是一种发展趋势。本文研究45钢循环淬火工艺进行晶粒超细化处理方法，并研究处理后的组织、性能变化，分析出一条最佳晶粒细化方案。细化晶粒是钢材的发展趋势，循环热处理作为一种行之有效的细化晶粒方法，研究此工艺下材料的组织和性能的变化，有助于我们了解钢在热处理过程中

26、的转变规律，这一课题对45钢制品的性能的提高有着重要的意义。第2章 实验原理及过程2.1. 实验原理2.1.1 钢的加热奥氏体化转变一、珠光体向奥氏体的转变2（1）奥氏体的形核Speich等的工作表明，对于不同的原始组织奥氏体优先形核的位置是不一样的，但一般只在/Fe3C界面上形成。这是由以下两方面因素决定的：在相界面上容易获得奥氏体所需的浓度起伏。从能量上考虑，在相界面上形核不仅可以使界面能的增加减少（因为在新界面形成的同时，会使原有界面部分消失），而且应变能的增加减少（因为原子排列不大规则的相界更容易容纳一个新相）。这样，形核引起的系统自由能总变化G减小使热力学条件G0更容易满足。（2）奥

27、氏体的长大奥氏体的长大是一个由碳原子扩散控制的过程。在多数情况下，碳原子沿/相界面的扩散起主导作用，再加上所处的温度较高，使得奥氏体能够以很高的速度形成。（3）残留碳化物的熔解和奥氏体成分的均匀化在奥氏体形成过程中，当铁素体完全转变成奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解。当剩余渗碳体全部溶解后，从Fe-Fe3C相图可以看出，过热度越大，奥氏体刚形成时的平均含碳量越低，因而残留碳化物也越多。但随着奥氏体化保温时间的延长残留碳化物会逐渐熔解，通过碳原子的不断扩散，还会使含碳量不均匀的奥氏体转变成均匀的奥氏体。二、马氏体向奥氏体的转变马氏体在Ac1以上加热时，会同时形成针状和球状两种形状的奥氏体。针状奥

28、氏体在原马氏体板条之间形核，当马氏体板条之间有碳化物存在时（回火马氏体组织），碳化物与基体交界处更的奥氏体优先形核的位置。球状奥氏体则是在马氏体板条束之间及原奥氏体晶界上形核的。但总的来说，当马氏体在AC1以上加热时，形成球状奥氏体是其主流，针状奥氏体只不过是奥氏体化初始阶段的一种过渡行组织形态，在随后的继续保温或升温过程中，针状奥氏体会继续变化：或者通过再结晶变成球状奥氏体，或者通过一种合并长大的机理变成大晶粒奥氏体。球状奥氏体的形成规律，与珠光体向奥氏体转变类似。2.1.2 钢的淬火和马氏体转变淬火就是将钢加热到Ac3以上，保温一定时间使之奥氏体化，以大于临界冷速（Vc）冷却的一种工艺过程

29、。临界冷速可由钢的CT图确定。如图2.1为共析碳钢的CT图。钢的淬火组织一般为马氏体，快速循环淬火工艺的马氏体转变是在连续冷却过程中进行的。马氏体的转变量决定于冷却到达的温度Tq,即决定于MS点以下的过冷度（T=MS-Tq），而与等温停留时间无关。由于马氏体形成时的相变驱动力较大，加之相变的共格性和原子的近程迁移等特点而决定了其长大激活能较小，故其长大速度极快，据测定，低碳马氏体的长大速度为102mm/s数量级。所以每个马氏体片形核后，一般在10-410-7s即长到极限尺寸。可见，在连续降温过程中马氏体转变量的增加是靠一批批新的马氏体不断形成，而不是靠已有的马氏体继续长大。因此马氏体的变温转变

30、的特点是：变温形成、瞬间形核（无孕育期）和高速长大（长到极限尺寸）。时间/tMsVcA1AMAP温度/ 图2.1共析碳钢的CT图2.1.3 快速循环淬火细化晶粒的原理快速循环加热淬火的工艺的特点有以下三点：快速加热到Ac3以上、短时保温后迅速冷却和循环淬火多次。本实验所用的试样其晶粒指的是室温下稳定组织的晶粒，例如铁素体晶粒或奥氏体晶粒，这都是由高温时的奥氏体转变留存下来的，高温时奥氏体晶粒越小，室温时的组织也越细小。然而值得注意的是，不管是粗晶粒还是细晶粒钢，如果形成了粗晶粒，只要晶界上没有很多难溶析出物，通过一次或多次奥氏体化，总是可以使晶粒细化的。这是由于每一次奥氏体化都要经历奥氏体重新

31、形核和长大的过程。只要加热温度不过高，保温时间不过长，所得奥氏体晶粒比原来奥氏体晶粒就要小些，从而经组织转变保留到室温。这便是热处理细化晶粒的原理。2.2. 实验工艺方案的确定2.2.1 实验材料、设备及预备热处理方案的确定1. 实验材料、设备19个18mm20mm的45钢的圆柱形式样，编号118 ；箱式SRJX813型高温电阻炉1台（参数:额定功率：8KW；额定加热温度：1350；校温温差比炉体高10）；金相砂纸（编号120、180，240，280，320，400，600）7套；抛光机1台；饱和苦味酸溶液100ml+ 立白餐具洗洁剂10ml；4%硝酸酒精；电吹风1部；倒置式金相显微镜1台；

32、HR-150A型洛氏硬度计2. 预备热处理方案的确定 为了消除试样在切割过程中引起的加工应力及组织的不均匀性变化，并为随后的淬火做组织准备，在循环加热淬火前需要对试样进行预备热处理。对于亚共析45钢来说，通常的预备热处理为正火或完全退火。完全退火后所得的组织是接近平衡状态的组织，随后循环淬火时奥氏体不容易形成。而正火的目的是细化晶粒，均匀组织，同时亚共析钢正火在空气中冷却时，先共析铁素体和珠光体形成的温度范围要比完全退火时的转变温度范围低一些，铁素体晶粒尺寸和珠光体片层间距都要比完全退火后小。所以，本实验的预备热处理采用了正火处理。亚共析钢的正火温度是在AC3以上3050保温，然后在室温的静止

33、空气中自然冷却。本实验采用资料3推荐的45钢正火温度825，空冷。2.2.2 淬火加热温度的确定确定钢的淬火加热温度应考虑钢的化学成分、工件尺寸和形状、技术要求、奥氏体晶粒长大倾向，以及淬火介质与淬火方法等因素。在工件尺寸大，加热速度快的情况下，淬火温度可选高一些，因为工件大，传热慢，容易出现加热不足，不能完全奥氏体化。根据实践经验，亚共析钢的淬火温度一般在AC3+3050。这是因为若加热温度低于AC3，组织中将保留一部分铁素体，使马氏体的转变量减少；而加热温度过高，又易使奥氏体晶粒粗化。本实验为了研究不同加热温度对奥氏体晶粒大小的影响。选择了正常淬火温度里的低、中、高三个温度。45钢的AC3

34、温度为775，最终确定的三个加热淬火温度为805、815和825。2.2.3 淬火加热保温时间的确定淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温回升到淬火温度时计算，直到出炉并使之在该温度下完成组织转变和奥氏体成分均匀所需要的时间。保温时间包括工件透热时间和组织转变所需的时间。计算加热时间一般由工件“有效厚度”乘以加热系数，即：=KD4式中， 保温时间，min; 为保温时间系数，min/mm; K为工件装炉方式修正系数； D 为工件有效厚度。根据资料5、8，对于空气电阻炉取=1；试样平放在炉低，没有重叠和相互接触且装炉量很小，对碳素钢取K=1.51.8min/mm；对于圆柱型45钢棒，其有效厚度就是其直

35、径。因此D=18。在保证热透的前提下，为了研究保温时间对奥氏体化时奥氏体晶粒尺寸的影响，最终确定为两个保温时间：22min和24min。2.2.4淬火循环次数的确定淬透性是钢材的一种固有属性，它取决于钢的淬火临界冷速的大小。通常碳素低碳结构钢采用水淬，低碳合金钢一般添加了增大淬透性的合金元素，淬火时为了防止淬火缺陷的产生，可以选择冷却能力较小的油淬。对于45钢来说，资料5、8推荐为水淬。这也是最为方便和廉价的淬火介质。循环淬火使钢经过6多次相变重结晶可使晶粒不断细化，每一次奥氏体化晶粒就被细化一次。根据资料3、4循环次数为35次晶粒细化的效果最佳。所以本实验所选取的淬火循环次数为分别为3、4、

36、5次。2.2.5 45钢循环淬火工艺的总体方案根据以上分析，本实验确定的循环淬火工艺参数为：淬火温度：805，815，825；保温时间：22min,24 min；淬火次数（介质为水）：3、4、5次。由于预处理后留下一个试样作为淬火前的原始组织，所以本实验一共需要45钢试样19个。下表列出了所有试样的热处理参数。 编号123456789101112淬火加热温度/805815淬火次数34534534 5345保温时间/min22242224淬火介质水 编号13141516171819淬火加热温度/825825正火淬火次数345345保温时间/min222430min空冷淬火介质 水 表2.2实验的

37、热处理工艺参数2.2.6 用正交法分析工艺过程 人们在长期的时间中发现，对于试验的因数太多时，不必进行全面的实验也能够得到理想的结果，正交试验设计8就是解决这种问题的有效方法。它的原则是在不影响试验效果的前提下，尽可能的减少试验的次数。正交设计就是解决这个问题的有效方法。利用正交表设计试验的步骤如下：（1）明确试验目的，确定要考核的试验指标。（2）根据试验目的，确定要考察的因素和各因素的水平；要通过对实际问题的具体分析选出主要因素，略去次要的因素，这样可以使因素个数减少。如果对问题不太了解，因素个数可以适当的多取一些，经过对试验结果的初步分析，再选出主要因素。因素被确定以以后再确定各因素的水平

38、数。（3）选用合适的正交表安排试验计划，首先根据因素的水平选择相应水平的正交表。（4）根据安排的计划进行试验，测定各试验指标。对试验结果进行计算分析。得出合理的结论。正交试验设计是应用正交表来安排实验的方法。一般的正交表计为Ln(mk),n 是表的行数，也就是安排实验的次数；k是表的列数，表示因数的个数；m是各个因数的水平数，即一个因数的取值个数。根据要求，此次试验归纳为三因数三水平的正交表设计，在此只对实验结果中晶粒细化比较明显的试样进行分析。我们把被次实验考察的因数及水平列成表2.3如下所示。 因素水平 A淬火加热温度B淬火循环次数C保温时间1A1=805B1=3C1=22min2A2=8

39、15B2=4C2=24min3A3=825B3=5_表2.3 各因数及其水平其中存在一个问题，由于因素C是2水平的，因数A和B是3水平的。在这种情况下没有适合的混合水平正交表，因此我们采用正交试验设计中的拟水平法。首先假设因素C是3水平的，那么这个问题就变成了3因素3水平的问题了，可以选正交表L9（33）的格式来安排试验。但实际上因数C是2水平的，不能随便安排第3个水平。这样就需要从因素C的第1、第2两个水平中选择一个较好的水平，一般认为保温时间越长，奥氏体晶粒细化效果最好4，这样的因数水平表就变为表2.4的形式，那么就可以按L9（33）的正交表来安排实验（参见表2.5）。 因素水平 A淬火加

40、热温度B淬火循环次数C保温时间1A1=805B1=3C1=22min2A2=815B2=4C2=24min3A3=825B3=5C3=24min表2.4 正交拟水平法的因素水平表 因素试验号1A2B3C11 (805)1（3）11 (22min)21 (805)2（4）22 (24min)31 (805)3（5）32 (24min)42 (815)1（3）22 (24min)52 (815)2（4）32 (24min)62 (815)3（5）11 (22min)73 (825)1（3）32 (24min)83 (825)2（4）11 (22min)93 (825)3（5）22 (24min)表

41、2.5 45钢的细化晶粒方案正交表在表2-5中我们可以看出该正交表具有以下的性质9：（1）不同数字在每列出现的次数的相等的。上面可以看出每列中不同的数字是1，2，3，他们各出现3次。（2）在任意两列中，将同一行的两个数字看成有序数对时，每种数对出现的次数是相等的。上面可以看出有序数对共有（1，1），（1，2），（1，3），（2，1），（2，2），（2，3），（3，1），（3，2），（3，3），它们各出现一次。本次实验设计方案为18中（3个温度、3个循环次数和2个保温时间），但是按正交法设计出来为9种，还有9种方案没有出现。有可能出现这种情况，我们通过实验结果得出的最佳工艺可能没在这9中方案中出

42、现，所以本实验按照18种方案进行。2.3. 晶粒度和硬度的测定晶粒度是晶粒大小的度量。晶粒度的测定方法最早是由美国实验及材料学会（ASTM）制定并逐步完善的，各国及国际标准化组织也先后制定了各自的标准，但都与（ASTM）相同。我国在1998年实施了GB639486金属平均晶粒度测定法。GB639486中规定，对于显微晶粒1、12式中 n放大100倍时645.16mm2（即一平方英寸）面积内包含的晶粒数； G晶粒度级别指数（通常习惯称晶粒度级别或晶粒度号数）。若采用公制进行测量经过换算整理后，上式变为G=-2.9542+3.3219lgna式中na放大1倍时，1mm2面积内包含的晶粒数。为了便于生产中的检验工作，GB639486备有标准评级图，将显微镜下看到的晶粒组织或拍摄的照片与标准评级图对比来评定晶粒度，这种方法简便易行，在生产中或在不需要精确测定晶粒大小的时候广为采用。n或na的测定比较费时