16Mn钢热处理课程设计汇本.docx
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16Mn钢热处理课程设计汇本
第一章金属热处理课程设计简介………………………………1
一、课程设计的任务与性质…………………………………1
二、课程设计的目的…………………………………………1
三、设计容与基本要求……………………………………1
四、设计步骤…………………………………………………2
第二章材料16Mn基本参数……………………………………2
一、16Mn材料简介……………………………………………2
二、16Mn材料的性能及用途…………………………………3
三、16Mn材料化学成分………………………………………3
四、16Mn物理力学性能………………………………………3
第三章热处理工艺设计…………………………………………4
一、16Mn热处理概述……………………………………………4
二、16Mn热处理………………………………………………4
三、基本参数确定……………………………………………9
第四章16Mn钢热处理分析…………………………………………10
一、16Mn钢热处理后组织分析…………………………………10
二、16Mn钢热处理后材料性能检测…………………………13
第五章设计与心得体会……………………………………………17
参考文献………………………………………………………………19
第一章金属热处理课程设计简介
一、课程设计的任务与性质
《金属热处理原理与工艺》课程是一门重要的专业课程,金属材料热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节,通过金属材料热处理工艺金相组织分析、性能检测等实验,可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备,运用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论,有助于强化学生解决问题、分析问题的能力。
二、课程设计的目的
1、课程设计属于《金属热处理原理与工艺》课程的延续,通过设计实践,进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。
2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识,进行工程设计的能力。
3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规的能力。
4.提高技术总结及编制技术文件的能力。
5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。
三、设计容与基本要求
设计容:
完成合金结构钢(16Mn)的热处理工艺设计,包括工艺方法、路线、参数的确定,热处理设备及操作,金相组织分析,材料性能检测等。
基本要求:
1.课程设计必须独立的进行,每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计,能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。
2.合理地确定工艺方法、路线、参数,合理选择热处理设备并正确操作。
3.正确利用TTT、CCT图等设计工具,认真进行方案分析。
4.正确运用现代材料性能检测手段,进行金相组织分析和材料性能检测等。
5.课程设计说明书力求用工程术语,文字通顺简练,字迹工整,图表清晰。
四、设计步骤
方案确定:
1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。
2.零件按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等确定其热处理工艺方法、路线及相关参数。
3.选择热处理设备及温度控制方式、冷却介质。
4.热处理工艺实例。
5.热处理后材料性能检测。
6.金相组织分析.
7.利用Fe-Fe3C相图、TTT、CCT图等设计工具,认真进行方案分析。
一般,根据零件使用性能及技术要求,提出所可能实施的几种热处理工艺方案,首先从其所可能达到的性能要求,工艺操作的繁简及质量可靠性等进行分析比较,再根据生产批量的大小,现有设备条件及国外热处理技术发展趋势,进行综合技术经济分析,确定最佳热处理工艺方案。
材料选择:
选择16Mn合金结构钢
零件设计:
试样为16Mn无缝钢管,拟定板厚50mm,在低温环境下工作,要求有良好的综合力学性能,在低温环境下,塑性和焊接性行良好,具有良好的切削性能。
第二章材料16Mn基本参数
一、16Mn材料简介
16Mn是旧国标GB/T1591-1988中的低合金高强度结构钢的牌号,新国标GB/T1591-1994中的牌号为Q345(Q345有5个质量等级,Q345A~Q345E),Q345A对应美国ASTM的牌号是Gr.50(中间的点不是小数点,是上下对中的,像个“乘号”点一样。
)
16Mn为钢材中的一种材质。
过去钢材的一种叫法。
现在的称法为:
Q345(见Q345)。
16,所代表的为这种钢材中的碳的含量在0.16%左右。
而Mn单独提出来,是因为五大元素(碳C,硅Si,锰Mn,磷P,硫S)中,锰的含量高,才单独提出来,大约在1.20-1.60%左右。
16Mn属低合金钢板系列,在此系列中,为最普通材质,或者牌号的钢板。
16Mn为钢材中的一种材质。
过去钢材的一种叫法。
16Mn钢属于碳锰钢,碳的含量在0.16%左右,屈服点等于343MPa(强度级别属于343MPa级)。
16Mn钢的合金含量较少,焊接性良好,焊前一般不必预热。
但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大,所以在低温下(如冬季露天作业)或在大刚性、大厚度结构上焊接时,为防止出现冷裂纹,需采取预热措施。
二、16Mn材料的性能及用途
综合力学性能良好,低温性能尚可,塑性和焊接性良好,用做中低压容器、油罐、车辆、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件,热轧或正火状态使用,可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。
主要特性:
综合性能好,低温性能好,冷冲压性能,焊接性能和可切削性能好。
应用举例:
矿山,运输,化工等各种机械。
三、16Mn材料化学成分
表一16Mn化学成分标准
牌号
化学成分(重量百分比)
Chemicaicomposition(WT%)
16Mn
碳
(C)
硅
(Si)
锰
(Mn)
铬
(Cr)
0.13~0.19
0.20~0.60
1.20~1.60
≤0.30
磷
(P)
硫
(S)
镍
(Ni)
铜
(Cu)
≤0.030
≤0.030
≤0.30
≤0.25
四、16Mn物理力学性能
16Mn密度为7.85,16Mn钢板密度为7.85.
16Mn低合金钢管是低合金高强度结构钢:
Mn含碳量为0.1%-0.25%,加入主要合金元素锰、硅、钒、铌和钛等;它的含合金总量<3%。
按强度分为300、350、400和450MPa等4个级别。
主要有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。
:
“Q”是屈服的“屈”字的汉语拼音大写字头,其后数字为该牌号最小屈服点(σs)值,其后的符号是按照该钢杂质元素(硫、磷)含量由高到低并伴随碳、锰元素的变化而分为A、B、C、D四等。
其中A、B级钢通常称16Mn
抗拉强度:
470~660牛/平方毫米;屈服强度:
275~345牛/平方毫米;伸长率:
21%。
具体值要根据钢材的厚度或直径,以上数据对应钢材的厚度或直径为:
16~100mm。
第三章热处理工艺设计
一、16Mn热处理概述
热处理的目的是改变钢的部组织结构,以改变钢的性能,通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能,延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料,充分挖掘材料性能潜力,降低结构重量,节省和能源,而且能够提高机械产品质量,大幅度延长机械零件的使用寿命。
热处理的三阶段:
加热,保温,冷却。
这三个阶段决定了材料热处理后的组织和性能。
加热是热处理的第一道工序。
不同的材料,其加热工艺和加热温度都不同。
加热分为两种,一种是在临界点A1以下的加热,此时不发生组织变化。
另一种是在A1以上的加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织,这一过程称为奥氏体化。
保温的目的是要保证工件烧透,防止脱碳、氧化等。
保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。
一般工件越大,导热性越差,保温时间就越长。
冷却是热处理的最终工序,也是热处理最重要的工序。
钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。
16Mn钢是目前国建筑用主要钢材之一,以热轧状态交货。
16Mn属于低合金钢板系列,在此系列中为最普通材质或者牌号的钢板。
根据特殊要求,可以对钢板进行一些特殊的处理:
热处理和Z向性能。
这里我们只讨论热处理。
其热处理一般为控扎,正火等等。
二、16Mn热处理设计
采用膨胀法并结合金相-硬度法,膨胀曲线在Gleeb-1500热模拟机上测定。
为使加热温度接近16Mn钢的开轧温度保证微合金元素的充分溶解,根据已有文献,试样的奥氏体化温度定为1000℃(在2min将试样加热至此温度),保温15min。
分别以13种不同的冷却速度(0.1~75℃/s)将试样冷却,获取其膨胀曲线,再由膨胀曲线确定相变温度。
以喷水冷却(冷却速度约为400℃/s)测定其Ms点。
用DTA方法(以2℃/min由500℃升温到1000℃)确定其临界点Ac1和Ac3,最后在POLYVAR-MET金相显微镜进行组织观察,并测得显微硬度(HV2)。
测定结果为Ac1=917℃,Ac3=770℃,Ms≈400℃。
根据不同冷却速度膨胀曲线上的拐点(切点或极值点),结合金相组织,确定的箱变温度见表二。
将表二中的相变点绘制到温度-时间半对数坐标上,用连线法将个物理意义相同的点连接起来同时在该坐标上标出Ac1,Ac3和Ms即可绘制出CCT图(图一),冷却曲线旁的数字为冷却速度,冷却曲线下端的数字为以此冷却速度冷却后试样的室温维氏硬度值(HV2)。
表二不同冷却速度下的相变温度
图116Mn钢的CCT图
16Mn一般是淬火+低温回火热处理,250℃以下回火时为回火马氏体,450以上回火时为回火索氏体。
已经测出的16Mn钢过冷奥氏体等温转变曲线(TTT图)有多个.由于所用试样的化学成分和奥氏体化工艺的差别,不同测试者可获得不同的结果,但小异,典型的TTT图如图2。
图216Mn钢的TTT图
加热到770+(20~30)℃,短时间保温或者不保温,油淬,然后250℃回火(+10-10),可以保证硬度在45-49之间,回火最好在淬后有余热时马上进行,这样可以最小程度减小变形.如果对疲劳性能有更高要求,可以在回火后再进行喷丸处理,这样光洁度也会好一点,出炉马上就得进油,不用水。
16Mn是结构钢低温回火,770淬火150~250回火淬火+低温回火,所得组织为回火马氏体。
其目的是获得高的屈服强度,弹性极限和较高的韧性。
淬火后低温回火。
可获得比较优良的综合性能。
(1)16Mn钢的预热处理
根据不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度
16以下不低于-10℃不预热,-10℃以下预热100~150℃;
16~24不低于-5℃不预热,-5℃以下预热100~150℃;
25~40不低于0℃不预热,0℃以下预热100~150℃;
40以上均预热100~150℃。
给定试样16Mn钢预先热处理工艺示意图:
图3(a)
图3(b)
(2)16Mn钢的退火
将组织偏离平衡状态的钢件加热到适当的温度,保温一定时间,随后缓慢冷却,从而获得接近平衡状态的组织与性能的金属热处理工艺。
16Mn属于低合金结构钢,为低碳钢,若采用通常的完全退火,则其硬度太低,切削性能不好。
为改善切削性能,可采用高温退火,即在比通常完全退火更高的温度下加热,获得4~6级的粗晶粒,以提高切削性能。
16Mn钢属于亚共析钢,合金元素含量较低,具有良好的韧性,强度和抗冷热疲劳性能与一定的耐磨性。
温度选择为Ac3+(20~30)℃。
一般先把钢管加热到870-880度再炉冷至500度然后炉外空冷。
图416Mn退火后的显微组织
(3)16Mn钢的正火
正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃——保温——出炉空冷。
低碳钢
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