T10钢热处理工艺及组织性能研究

T10钢热处理⼯艺及组织性能研究
T10钢热处理⼯艺及组织性能研究
任务书
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T10钢的概况；熟悉钢T10的热处理⼯艺⽅法；认识T10钢热处理前后⾦相组织；找出热处理对T10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T10钢热处理⼯艺，进⾏热处理实验。

（2）制备⾦相试样，观察分析T10钢热处理前后的显微组织。

（3）测定T10钢热处理前后⼒学性能，包括硬度、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] 王学前，贺毅. ⾼碳钢快速球化退⽕⼯艺的研究[J]. 热加⼯⼯艺，2002，（1）：32-33.
[2] 沈晓钧. ⼯具钢的热处理[J]. 铸锻热———热处理实践，1994，（2）：4-17.
[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
审核⼈：2014 年12 ⽉15 ⽇
T10钢热处理⼯艺及组织性能研究
摘要：本次研究的主要内容是退⽕态T10钢的热处理⼯艺及其组织性能的研究。

通过观察经过不同预先热处理的退⽕态T10钢试样的显微组织，以及测量其洛⽒硬度、冲击韧性等，分析了不同预先热处理的T10钢试样的组织性能和⼒学性能。

结果表明，正⽕+等温球化退⽕为退⽕态T10钢的最佳预先热处理⼯艺；不同预先热处理所得到的组织效果会遗传到最终的组织中；预先热处理为正⽕+普通球化退⽕和等温球化退⽕的退⽕态T10钢试样，经过⽔淬和低温回⽕后，发⽣了脆性转变。

关键词：T10钢，热处理，显微组织，⼒学性能
Researching heat treatment process and
microstructure properties of T10 steel
Abstract：The main content of this study is researching the heat treatment process and microstructure of the annealed T10 steel.The microstructure and mechanical properties of T10 steel samples with different advance heat treatment were studied by inspecting microstructure of annealed T10 steel samples with different advance heat treatment and measuring the hardness and toughness of annealed T10 steel .The results show that the best advance heat treatment process is normalizing+ isothermal spheroidizing annealing.it will be inherited in the final tissue that is the effect of the tissue obtained by different advance heat treatment.the brittle transition occurs in the annealed T10 steel sample of advance heat treatment is normalizing + ordinary spheroidizing annealing or isothermal spheroidizing annealing after water quenching and low temperature tempering.
Keywords:T10 steel, heat treatment, microstructure, mechanical properties
I
⽬录
1前⾔ (1)
1.1研究的⽬的及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.3 研究内容 (2)
2试验过程 (3)
2.1热处理试验 (3)
2.1.1试验原理 (3)
2.1.2试验过程 (9)
2.2试样制备及显微组织观察 (15)
2.2.1⾦相试样的制备 (15)
2.2.2显微组织观察 (18)
2.3 ⼒学性能测定 (19)
2.3.1硬度测量 (19)
2.3.2冲击韧性测量 (22)
3 结果与分析 (26)
3.1 显微组织分析 (26)
3.2 ⼒学性能分析 (28)
3.2.1 硬度分析 (28)
3.2.2 冲击韧性分析 (29)
4结论 (31)
参考⽂献 (32)
致谢 (34)
I I
1 前⾔
1.1 研究⽬的及意义
我国钢铁⾏业发展迅猛，但也不是⼀帆风顺的，它也⾯临着很多的挑战，需要不断地创新科技，不断地提⾼产品质量。

同时对加⼯所⽤的机器设备也需要不断的改进。

以便提⾼⽣产效率。

但是⽆论前者还是后者，我们都应该先对材料有⼀些具体了解，这样我们在发展上才能有实质性的进步。

在当今社会，钢铁是我们不可或缺的⼀种材料，虽然⼤量的科研⼈员已经研究出许多在某些性能上和钢铁相似的⼀些材料，在⼀定⽅⾯上取代钢铁，但仍不能否认钢铁在⼈类⽣活中的重要性。

但钢铁是不可再⽣资源，它总有⽤完的⼀天，我们不能放弃使⽤它，因此只能有效的运⽤它。

这样就需要我们做⼤量的研究和试验，来更加具体的了解钢铁的特性，让它发挥更⼤的效⽤，更加有效的实现它的价值。

碳素⼯具钢是指碳含量为0.65%⾄1.35%的⾼碳钢[1]。

因为其价格便宜，低廉且冷热性能好，热处理⼯艺简单，热处理后硬度较⾼，切削热也不⼤，具有较好耐磨性，所以在⽣产上，碳素⼯具钢获得了⼴泛的应⽤。

碳素⼯具钢在淬⽕后，其硬度可以达到62~65HRC。

含碳量对于淬⽕并且配合低温回⽕的钢来说，含碳量对其强度、塑韧性有很⼤影响。

随着含碳量的增加，钢材经过热处理以后，产⽣的碳化物越多，材料越脆，以致塑韧性下降。

因此，含碳量不同，钢的性能也不同，运⽤的⽅⾯也不同。

T10钢作为⼀种常见的碳素⼯具钢，韧度适中，价格便宜，⽣产⼯艺简单，且运⽤⼴泛，常被⽤作冲击⼩，强、硬度⾼的⼯具，如车⼑、拉丝模、丝锥、冲⼦、冲孔模、拉丝模、纸品下料模、塑料成型模具等。

通过这次毕业设计，学会查阅相关资料，制定有针对性的T10钢的热处理⼯艺，从⽽找出变量对T10钢显微组织和⼒学性能的
影响规律，最终提出优化⽅案，为T10钢热处理⼯艺提⾼零件质量提供⼀定的理论依据。

1.2 国内外研究现状
1990年邓承轩等通过研究发现原始组织为⽚状珠光体加⽹状渗碳体的T10⾼碳钢，⾼温奥⽒体后经不同⽅法处理，可以得到⼆种崭新的组织形态---板条状下贝⽒体和板条状马⽒体，它们虽同是板条状，但有本质的不同，前者250℃～M S点间形成，为两相组织，其中Fe a（C）相的亚结构为孪晶，后者为M S点以下形成，为单相组织，亚结构为位错[2]。

1991年周曼娜等通过探讨固溶温度度对T10钢碳化物细化程度的影响，提出T10钢的最佳热处理⼯艺为980℃加热，油冷，640℃回⽕，再经770℃淬⽕，170℃回⽕。

结果表明，细化处理后，使碳化物尺⼨由2.8µm细化为0.5µm，且形状圆整，分布均匀，奥⽒体晶粒度由8级细化到10级，从⽽使材料在保持⾼强度、⾼硬度情况下，塑性、韧性显著提⾼[3]。

1994年沈晓钧介绍了国内外发动机曲轴表⾯化学热处理强化的⼀些情况[4]。

⾃70年代末引进了多种内燃机产品，由此推动了内燃机材料、⼯艺技术和⼯艺装备的发展。

但是⽬前国内引进曲轴进⾏表⾯处理化学热处理设备还不多，技术门类也有限[4]。

2002年王学前等通过对⾼碳钢传统球化退⽕理论与技术的分析，提出了Aclf温度透烧的奥⽒体化新⼯艺，并结合⽣产现场设备及退⽕质量的检测,制定出相适应的快速球化退⽕⼯艺，不仅提⾼了球化的质量,改善了机械加⼯性能，还使球化加热时间缩短到原⼯艺的25%～30%，球化缓冷到680℃的时间缩短了50%[5]。

2005年吴⼩娟通过对球化退⽕的理论和⼯艺的研究，制定出T10钢奥⽒体化温度Ac1透烧的快速球化退⽕新⼯艺，使球化加热的保温时间缩短到原⼯艺的1/4[6]。

2011年蒋涛等探讨了含碳量、淬⽕温度、冷却速度、回⽕温度对碳钢组织和硬度的影响[7]。

2014年郝琳等对刃具钢、模具钢、量具钢这三类⼯具钢的热处理⼯艺进⾏阐述，分析了不同⼯具钢的热处理⼯艺的关键，为⽣产⽣活提供参考依据[8]。

1.3 研究内容
本次研究的主要内容为T10钢的热处理⼯艺及组织性能研究，通过对经过不同预备热处理的T10钢的微观组织分析及⼒学性能分析，探寻在热处理过程中，不同预先热处理对钢的组织及性能的影响规律，在此研究基础上，对现在实际⽣产中的⼀般热处理⼯艺进⾏优化，以达到最好的效果。

2 试验过程
2.1 热处理试验
2.1.1 试验原理
热处理通常分为3步进⾏：加热、保温和冷却。

钢的热处理过程是把钢加热到临界温度以上，进⾏转变，转变完成后通过⽔冷、空冷或者油冷的⽅式冷却，来获得⾃⼰所需要的显微组织和⼒学性能。

加热时形成的奥⽒体的化学成分、均匀化程度、晶粒⼤⼩以及加热后未溶⼊奥⽒体中碳化物等过剩相的数量和分布状况，直接影响钢在冷却后的组织性能。

图2.1是铁碳合⾦相图。

图2.1 铁碳合⾦相图
将钢加热到AC1以上温度时，组织由珠光体转变为奥⽒体，这种转变我们称为奥⽒体转变或奥⽒体化[9]。

奥⽒体转变分4个步骤进⾏：奥⽒体形核、奥⽒体长⼤、残余渗碳体溶解、奥⽒体均匀化。

如图2.2所⽰。

图2.2 奥⽒体形成过程⽰意图
在热处理中，钢奥⽒体化后冷却，通常有两种冷却⽅式：等温冷却和连续冷却。

如图2.3。

冷却的⽅式不同，得到的组织也不同，最终材料的性能也不同。

奥⽒体在临界温度以上时，组织是稳定的，不会转变，但是冷却到临界温度以下时，组织不稳定，会发⽣分解转变。

冷却的⽅式不同，转变的组织也不同，有珠光体转变、贝⽒体转变、马⽒体转变[10]。

过冷奥⽒体等温转变图即C曲线如图2.4。

图2.3 过冷奥⽒体的冷却⽅式
1-等温冷却2-连续冷却
(a) (b)
(c)
图2.4过冷奥⽒体等温转变图
（a）亚共析钢（b）共析钢（c）过共析钢
在冷却过程中，温度在A1~550℃之间，奥⽒体转变为珠光体，这种珠光体是铁素体F和渗碳体Fe3C的混合物，这种转变我们
称为珠光体转变[11]。

珠光体转变属于扩散型相变。

珠光体转变的过程也可看做为形核和长⼤的过程，冷却时，当温度低于A1时，随着温度的降低，奥⽒体对碳的溶解度降低，碳析出，渗碳体通过吸收奥⽒体析出的碳⽽长⼤。

这个过程如此反复进⾏，最终，奥⽒体转变为了含碳量低、溶碳能⼒低的铁素体和通过吸收碳长⼤的渗碳体。

在珠光体转变中，随着温度由A1降到550℃，组织越来越紧凑，⽚间距越来越⼩。

根据这种变化，我们将珠光体转变中的组织分为3种，如表2.1。

这三种组织其实都是珠光体，只是组织中的⽚间距不同，为了区分，我们进⾏了细化。

随之温度的降低，
珠光体转变的过程也可看做为形核和长⼤的过程，冷却时，当温度低于A1时，随着温度的降低，奥⽒体对碳的溶解度降低，碳析出，渗碳体通过吸收奥⽒体析出的碳⽽长⼤。

这个过程如此反复进⾏，最终，奥⽒体转变为了含碳量低、溶碳能⼒低的铁素体和通过吸收碳长⼤的渗碳体。

奥⽒体快冷到550℃～Ms之间，转变为贝⽒体，贝⽒体是由铁素体F和渗碳体Fe3C混合组成，这种转变我们称为贝⽒体转变。

贝⽒体转变属于半扩散转变。

贝⽒体转变过程中，温度较低，共有两个转变过程，⼀个是铁原⼦通过共格切变的⽅式迁移，另⼀个是碳原⼦短距离的扩散，所以贝⽒体转变属于半扩散型相变[13]。

当温度在550℃～350℃之间时，铁素体平⾏⽣长，伸长，变宽，碳原⼦在奥⽒体间集中聚集，最终奥⽒体转变完成，形成上贝⽒体。

如图2.5（a）。

当温度在350℃～Ms 之间时，温度较低，碳原⼦只能短程的扩散，因此，会在晶⾯上断续的⼩⽚析出，铁素体⽣长成针状，最终形成下贝⽒体。

如图 2.5（b）。

在贝⽒体转变中，随着温度的降低，渗碳体的分布也不同，其组织形貌也有很⼤差异，由此，我们将贝⽒体转变中的组织分为2种，如表2.2。

（a）（b）
图2.5 贝⽒体组织⽰意图
（a）上贝⽒体（b）下贝⽒体
序号 1 2
名称上贝⽒体下贝⽒体
符号B上B下形成的温度区间550℃～350℃350℃～Ms 机械性能很差优良
脆性⼤⼩
强度低⾼
塑韧性差良好
实⽤价值基本没有常⽤于⽣产上
奥⽒体快冷到Ms~Mf之间，组织转变形成马⽒体，这种转变我们称为马⽒体转变。

钢中的马⽒体有2种基本形态：板条状马⽒体和⽚状马⽒体，其显微组织⽰意图如图2.6。

图2.6 马⽒体组织⽰意图
（a）板条状（b）⽚状
珠光体转变贝⽒体转变马⽒体转变转变温度A1~550℃550℃～Ms Ms~Mf 领先相渗碳体铁素体
组成相两相组织
a-Fe+Fe3C
两相组织
＞350℃，a-Fe（C）
+Fe3C
＜350℃，a-Fe（C）
+FexC
单相组织
a-Fe（C）
共格性⽆有有
扩散性铁、碳扩散碳扩散，铁不扩散⽆扩散
合⾦元素扩散不扩散不扩散
马⽒体转变中，原组织奥⽒体的晶粒越⼤，转变后的马⽒体⽚越⼤，显微裂纹也越多，裂纹多了，其脆性也就增⼤了，这样在内应⼒作⽤下，⼯件开裂的⼏率增⼤了，
（a）（b）
⼯件的疲劳寿命也降低了。

随着碳含量的增多，Ms、Mf点降低。

由此可见，冷却速度⼀样的情况下，含碳量越⾼，残余奥⽒体越多。

⽽在Ms~Mf之间奥⽒体和马⽒体是共存的，在Mf点以下，马⽒体转变停⽌，马⽒体转变停⽌后，没有进⾏转变的奥⽒体最终留在钢中，这种奥⽒体称为残余奥⽒体。

马⽒体转变属于⽆扩散性转变。

珠光体、贝⽒体、马⽒体转变特点的⽐较如表2.3。

2.1.2 试验过程
本次试验所⽤的材料为退⽕态T10钢，是⼀种含碳量约为1%的⾼碳钢，硬度⼩于197HBW，其化学成分见表2.4，它的导热率如表2.5。

它的组织成分为珠光体和渗碳体（P+Fe3C，P→F+Fe3C），由于含碳量⽐较⾼，组织P中含有硬⽽且脆的⼆次渗碳体，因此其性能是塑性差，强度低，硬度⾼。

其发⽣组织转变的临界温度，如表2.6。

表2.4 T10钢的化学成分
表2.5 T10钢的临界温度
表2.6 T10钢的热导率
理⼯艺曲线如图2.8。

⽅案三为830℃正⽕，保温30min，空冷+760℃球化退⽕，保温10min，炉冷⾄600℃，再出炉空冷
+770℃淬⽕，保温10min，⽔冷+190℃回⽕，保温1h，空冷。

⽅案三热处理⼯艺曲线如图2.9。

⽅案四为760℃球化退⽕，保温10min，冷⾄690℃，保温60min，炉冷⾄600℃，再出炉空冷+770℃淬⽕，保温10min，⽔冷+190℃回⽕，保温1h，空冷。

⽅案四热处理⼯艺曲线如图2.10。

⽅案五为830℃正⽕，保温30min，空冷+770℃淬⽕，保温10min，⽔冷+190℃回⽕，保温1h，空冷。

⽅案五热处理⼯艺曲线如图2.11。

图2.7 SX-5-12B箱式电阻炉
图2.8 ⽅案⼆热处理⼯艺曲线
图2.9 ⽅案三热处理⼯艺曲线
图2.10 ⽅案四热处理⼯艺曲线
图2.11 ⽅案五热处理⼯艺曲线
正⽕是将⼯件加热到720℃~912℃之间，保温⼀段时间，然后在空⽓中冷却的⼀种热处理⼯艺[14]。

正⽕冷却得到的是珠光体类组织。

正⽕可以作为预先热处理，也可作为最终热处理，当作为预备热处理时，可以消除供货态试样表⾯的⽹状渗碳体，为接下来的热处理⼯艺做准备，也有细化晶粒、消除表⾯应⼒等等，为最终热处理提供适宜的组织的作⽤。

退⽕是将⼯件加热到Ac1或Ac3以上30~50°C，（亚共析钢加热Ac3以上30~50°C，共析、过共析钢加热到Ac1以上
30~50°C），保温⼀段时间，缓慢冷却到室温的⼀种热处理⼯艺[15]。

退⽕、正⽕加热温度如图2.12。

图2.12 退⽕、正⽕加热温度⽰意图
共析钢和过共析钢多采⽤“球化退⽕”。

温度Ac1以上20~30°C缓冷时，⾃奥⽒体中析出的渗碳体沿未溶的颗粒状渗碳体结晶，得到铁素体基体均匀分布着颗粒状渗碳体的组织，即“球化体”。

退⽕时的加热保温时间，在采⽤到温⼊炉法时，可按每1毫⽶直径或厚度加热保温1.2~1.5分钟估算。

退⽕时的冷却应当是缓慢的，只要冷速能控制在每⼩时100~200°C以下，便可获得满意的结果。

箱式炉断电后冷速⼤约每⼩时30~120°C。

所以随炉冷却是最常⽤的退⽕冷却⽅法。

当退⽕缓冷⾄550~650°C时，奥⽒体已完全分解转变。

所以，可以出炉空冷或⽔冷，⽽不会影响奥⽒体分解产物的组织状态，但却缩短了退⽕总时间。

碳钢在退⽕及正⽕状态下的机械特性如表2.7。

退⽕的⽬的是减⼩硬度，改善切削加⼯性，消除试样的残余应⼒，均匀组织，细化晶粒，改善材料性能，消除组织内缺陷的作⽤，为接下来的热处理⼯艺做准备[16]。

淬⽕是将⼯件加热到临界温度以上（亚共析钢的临界温度为Ac3，共析、过共析钢的临界温度为Ac1），保温⼀段时间，然后快冷到Ms以下，进⾏马⽒体转变的热处理⼯艺[17]。

回⽕是将⼯件⼯件加热到低于临界温度，保温⼀段时间，然后在空⽓、⽔或油中冷却的⼀种热处理⼯艺[18]。

淬⽕和回⽕在热处理中是最重要、⽤途最⼴泛的加热⼯序。

通常我们⽤淬⽕提⾼⼯件强度和硬度，然后⽤不同温度的回⽕降低由于淬⽕所产⽣的残留内应⼒，来得到不同⼒学性能的⼯件。

不同温度回⽕的⽐较如表2.8。

碳钢的回⽕冷却⽆特殊要求，⼀般可在空⽓中冷却。

有时为了尽早测定回⽕硬度，。

各种不同温度回⽕后的硬度值如表2.9。

也可在⽔中冷却[19]
有淬⽕钢在回⽕时，不同的回⽕的温度，所发⽣的转变不同，机械性能也不同，由此可将其分为4种不同的类型。

第⼀种类型是在⼩于等于200°C时，这时马⽒体分解，具体是，由于温度较低，溶碳量降低，马⽒体中的碳原⼦以碳化物的形式析出，随着碳化物的析出，马⽒体中碳的饱和度降低，但仍是饱和固溶体，其硬度并没有降低，只是内应⼒降低。

第⼆种类型是在200°C和300°C之间时，这时残余A转变，残余奥⽒体转变为下贝⽒体，同时马⽒体仍在继续分解，由于M的继续分解，钢的硬度本应降低，但是⼜因为⽣成了下贝⽒体，因此钢的硬度并没有想象中的降低，只是钢的淬⽕应⼒⼜近⼀步降低。

第三种类型是在300°C和400°C之间时，碳化物的转变，析出的碳化物转变为渗碳体，此时钢的组织是由铁素体和渗碳体组成，钢的硬度明显降低，淬⽕应⼒基本消除。

第四种类型是在⼤于400°C时，渗碳体聚集与铁素体的再结晶，此时钢的组织由铁素体和渗碳体组成，但铁素体仍保留着马⽒体时的⽚状或板条状。

2.2 显微组织观察
2.2.1 ⾦相试样的制备
⾦相分析是⾦属组织的重要⽅法。

在100多年的⾦想学发展史上，⼤部分的研究⼯作是在光学显微镜下完成的。

近年来，电⼦显微镜在⽣产和科学研究中的地位越来越重要，但是在这其中光学显微镜所占⽐例并没有多⼤变化，它仍占据⼀定的位置。

光学显微镜观察和研究⾦属内部组织，⼀般分为三个阶段进⾏：
⼀、制备⾦相试样的表⾯；
⼆、⽤浸蚀液腐蚀⾦相试样表⾯组织使其能在显微镜下看到；
三、⽤显微镜观察⾦相试样表⾯组织并分析。

这三个阶段相辅相成，相互影响，是⼀个整体，⽆论在哪⼀个阶段失误，都会影响到最后的结果，因此不能忽视其中任何⼀个阶段。

根据显微镜的原理，我们可以知道，当试样表⾯⽐较粗糙时，光线射到试样表⾯发⽣漫射，光线⽆法穿过物镜，也不能穿过⽬镜在视⽹膜上成像，也就不能⽤显微镜观察到试样的微观组织。

因此，我们需要将需要观察的试样表⾯磨成⼀个光滑的镜⾯。

并且这个表⾯不能发⽣组织变化，且能代表取样前试样组织所具有的状态。

这样的试样才能算是完成了试样的制备⼯作。

如果仅仅是光滑的镜⾯，在显微镜下观察，我们看到的是⽩茫茫的⼀⽚，看不到微观组织的分布，为此，必须将试样磨⾯进⾏腐蚀处理，使各个组织对光线的反射能⼒有差异，在显微镜下呈现不同的像，这时所看到的试样组织的形貌和分布，即试样组织的显⽰阶段。

⾦相显微试样的制备的⼀般过程为：取样→镶嵌→磨光→抛光→腐蚀。

由于试样是规则的⾦属⼩块，所以取样和镶嵌这两步可以省略直接进⾏磨光。