20号钢热处理工艺对组织性能的影响

20号钢热处理工艺对组织性能的影响
1.前言
1.1 名称及性质
20号钢，含碳量为0.2%，该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、深碳淬硬钢。

该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。

抗拉强度为253-500MPa，伸长率≥24%。

密度是7.85，无冲击韧度。

1.2 应用
冷变形塑性高，一般供弯曲、压延用，为了获得好的深冲压延性能，板材应正火或高温回火；用于不经受很大应力而要求很大韧性的机械零件，如轴套、螺钉、杠杆轴、变速箱变速叉、齿轮、重型机械拉杆、钩环等，还可用于表面硬度高而心部强度要求不大的渗碳于氰化零件。

1.3 实验目的
测定含碳量，加热温度，加热时间，冷却速度等因素对20号钢的影响，本实验还研究一般材料成分、组织及性能的关系，探寻成分、组织与性能之间存在着的对应关系和规律，加深理论知识的熟悉程度和应用能力的提高。

1.4任务
完成测定试样硬度，制备金相样品，观察组织，照相，分析，出报告等任务。

2.材料及实验
2.1材料的化学成分及力学性能[1]
表1 20号钢的化学成分
表2 20号钢的力学性能
2.2实验设计内容
根据对含碳量，加热温度，加热时间，冷却速度对碳钢材料硬度的影响资料的检索得到如下的相关数据：
表3含碳量对碳钢硬度的影响
4 4400
随钢中碳含量的增加，表面硬度也随之增高。

表4 加热温度对碳钢硬度的影响
加热温度/℃硬度HRC 加热温度/℃硬度HRC
850 60.33 1000 56.67
900 59.67 1050 51.50
950 59.17
随着再加热温度的升高宏观硬度下降
在本试验条件下，试样硬度随加热保温时间的变化而发生曲折的变化。

当试样还未发生奥氏体化时，硬度随着温度时间的增加而提高;当试样刚开始奥氏体化至刚完全奥氏体化为止，硬度随着奥氏体化转变量的增加而下降;当试样完全奥氏体化后，随着保温时间的延长，硬度缓慢升高。

表5 冷却速度对碳钢硬度的影响
综合上述影响因素，本实验我们选取20号钢来对碳钢经行热处理工艺分别分析含碳量、加热温度、加热时间、冷却速度对试样硬度性能的影响。

淬火：是将钢或合金加热到临界温度Ac1(过共析钢)或Ac3（亚共析钢）以上30～50℃，保温一定时间，使钢的组织全部或大部分奥氏体化，然后在水或油等介质中快速冷却，以得到高硬度的淬火马氏体组织的一种工艺方法。

①提高硬度和耐磨性；②提高弹性；③提高强韧性；④提高耐蚀性和耐热性。

总之，钢的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性、疲劳强度等等，都可以利用淬火与回火使之大大提高，所以，淬火是强化钢铁的主要手段之一。

2.3 所需实验器材
2.3.1样品预处理：粗细不同的打磨砂纸
2.3.2热处理：洛氏硬度计，箱式电炉，淬火用水槽
2.3.3样品后处理：抛光机，金相显微镜，硝酸腐蚀液，酒精
2.3.4材料图像分析：Neophot 21(包括图像分析仪)
2.3.5硬度实验：表面洛氏硬度计
2.4 消耗材料：20号钢试样、4%硝酸酒精溶液、清洗酒精、砂纸
2.5实验步骤
2.5.1 选取试样
2.5.2 用洛氏硬度计测试样硬度
2.5.3 将试样放入箱式电炉中按加热方案加热，保温，冷却
2.5.4 制取金相试样，再试样的硬度
2.5.5 用腐蚀剂腐蚀
2.5.6 再测表面硬度
2.5.7 观察组织形态
2.5.8 分析实验结果
2.6 加热方案
先将试样放入炉中，接通箱式电炉加热，查资料得20号钢的相变点温度（近似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃，故将试样加热到890℃，然后保温，通过查阅相关资料，得到箱式电炉保温时间：
碳钢：t=1′/mm +(10′～30′)
合金钢：t=1.2 ′/mm +(30′～60′)
本试样为20号碳钢，则加热时间为：
为
D为工件有效厚度（单位/mm）
保温结束后，根据冷却方式空气冷，油冷，水冷分别进行冷却。

图 2 热处理工艺曲线
2.7 制取金相试样
图3 制取金相试样流程图
2.8实验的安排
专题讲座及基础训练，分配题目（1天）
查阅资料，独立制定实验计划，交实验预习报告经老师神月批准（2天）实验操作、记录实验数据和结果（5天）
分析结果，写出实验报告（2天）
2.9实验结果
表6金相经不同冷却速度的硬度
淬火前硬度（HRC）淬火后硬度（HRC）水冷16.8 38.7
油冷16.2 22
空冷15.8 11.5
图4 水冷×200
图5 油冷×200
图6 空冷×200
3.讨论
从实验结果来看，如图4，5得到了细小的马氏体组织，如图6，得到了成块状的奥氏体组织，可知该实验设计是合理的，经查阅资料20号钢的相变点温度（近似值）Ac1=735℃，Ac3=855℃，Ar3=835℃，Ar1=680℃（如图7）。

图7
冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。

冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。

为此，可根据C曲线图（如图8所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些。

图8 C曲线图
3.1加热温度对组织性能的影响[2]
查阅资料加热温度对碳钢硬度的影响如表4所示，20号钢的未进行热处理前的平衡组织是铁素体和渗碳体，进行热处理后珠光体将转变为奥氏体，随着加热温度的升高，原子扩散系数增加，特别是碳在奥氏体中的扩散系数的增加，加快了奥氏体的形核和长大速度。

同时加热温度升高，奥氏体中的碳浓度差增大，浓度梯度加大，故原子扩散速度加快。

另一方面，加热温度升高，奥氏体与珠光体的自由能差增大，相变驱动力△Gv增大，所以随奥氏体形成温度的升高，奥氏体的形核率和长大速度急剧增加，因此转变的孕育期和转变所需时间显著缩短，加热温度越高转变孕育期和完成转变的时间越短。

奥氏体形成后随着加热温度的升高晶粒急剧长大。

在奥氏体形成过程中，铁素体先消失，因此奥氏体形成之后，还残存未溶渗碳体。

这些残余渗碳体将随着时间的延长，继续不断地溶人奥氏体，直至全部转变为奥氏体。

另外提高加热温度会使淬火后样增加钢的硬度和淬透深度。

3.2加热时间对组织性能的影响
如图1加热到一定温度后，进行保温，随保温时间的延长，奥氏体晶粒长大。

在每一个温度下都有一个加速长大期，当奥氏体晶粒长大到一定尺寸后，继续延长保温时间，晶粒不再明显长大。

在渗碳体的区域碳浓度较高，继续延长保温时间或继续升温，通过碳原子的扩散，奥氏体碳浓度逐渐趋于均匀化。

最后得到均匀的单相奥氏体。

如图6得到的奥氏体组织。

延长保温时间，使奥氏体组织更加均匀化，同时还能加强合金在奥氏体中的溶解，起到改善奥氏体性能的作用。

3.3冷却方式对组织性能的影响
由图4、5、6可以观察到冷却方式不同对碳钢淬火后所形成的组织的影响是非常明显的，图4采用的是水冷的冷却方式，冷却速度较快，是奥氏体转变为细小的马氏体，试样的硬度对比与其他两种冷却方式也较高，而油冷的方式较空冷速度较快，所以试样的硬度比空冷的要大。

4. 结论
4.1相同状态下钢的含碳量与硬度成正比，含碳量越高硬度越大，热处理硬度也与金属材料中的合金含量有关，相同的含碳量，不同的合金含量，淬火后得到的硬度是不同的。

合金元素形成碳化物以后是比渗碳体更稳定的合金渗碳体或特殊碳化物，有些还强烈的阻止奥氏体的粗化过程，得到更加细化的晶粒，这样淬火后的硬度、强度都显著升高，韧性、塑性都有所增加。

4.2 热处理工艺对碳钢的淬火硬度有显著的影响，由图1、4、5、6，表3、4、5、6等可以很清晰地看到含碳量，热处理工艺对钢的淬火硬度的影响是显著的。

4.3 铁素体本身强度、硬度低、塑性、韧性高, 但不能因此而认为马氏体基体上分布有铁素体而削弱了材料的机械性能, 相反, 只要铁素体大小、形态、数量分布得当, 且能提高钢铁材料综合机械性能。

5. 实践体会
通过这次实验我学到了很多东西，从最开始的实验预案的设计，到进行加热保温试验，然后打磨制备金相试样，我参与了每个环节，每个环节都体会颇深。

先说实验预案的设计，因为正好那天晚上我要公选课考试，所以回到宿舍已经接近九点，我开始上网查找资料，因为是第一次做预案，就和宿舍的人一起讨论，拿出了初步的预案，睡觉时也就十二点了。

第二天又和同一个组的组员讨论各自的预案，最后综合了大家的想法，把预案确定了下来，但拿给老师审核时，老师指出了我们的几处错误，我们又重新修改最终通过了审核，然后就是领取试样进行加热保温实验。

这个过程让我对集思广益这个词理解的更深了，也对组员的想法有了个比较全面的了解。

我们是分两个加热温度进行实验的，比其他组要多一道程序，就是控制温度，这个过程是难熬的，因为要等啊，还要注意温度（后来有个组就因为温度错了还要重头再来做）。

最终我们的试样热处理实验成功，下面就是制备金相试样了。

这个过程我体会到了小心谨慎是多么重要，因为哪怕温度错一点点，时间差一点点，都会是不成功的。

打磨试样是最痛苦的了，因为光有力气是没用的，特别要注意方法，因为方法不对我磨了一个下午还是有划痕，虽然手指都起了水泡，最后只能去找老师的给我指点指点，听老师讲完后，我问老师要了砂纸准备晚上加班，晚上磨到了十一点半多，第二天等不及早早的跑去了，用抛光机抛光后，试样的表面比前一天要光亮多了，没有一点划痕。

我把自己打磨的心得写出来希望别再有人像我一样走弯路了。

用来打磨的砂纸的顺序要从粗到细，不能一会换大的，一会换小的，每换一号砂纸要将试样旋转90°再进行打磨。

磨的时候要注意，到顺着一个方向、单程轻轻地磨，不要用已经磨过的的砂纸上的部分，要及时把磨下来的铁屑清除掉，再在砂纸上打磨（有条件的可以在水里打磨，我在宿舍是用电风扇边吹边磨的，所以就用不着清除铁屑了），最重要一点，大家要耐得住气，只要你耐得住气，最多最多两个小时，好的话一个小时就够了。

这个过程告诉我，做事要有耐心，还要讲究方法，不能做无用功。