低碳空冷貝氏體設(shè)計(jì)

1、XXX學(xué)院學(xué)生課程設(shè)計(jì)（論文）題 目：低碳空冷貝氏體鋼的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： XX 學(xué) 號(hào)：XXXXXXXX 所在院（系）:材料工程學(xué)院業(yè)：材料科學(xué)與工程級(jí):教師:職稱：教授2015年12月21日攀枝花學(xué)院教務(wù)處制攀枝花學(xué)院本科學(xué)生課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)低碳空冷貝氏體鋼的設(shè)計(jì)1課程設(shè)計(jì)的目的使學(xué)生融會(huì)貫通機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、金屬熱處理、金屬力學(xué)性能、冶金概論、金屬材料成 型工藝及設(shè)備、金屬材料學(xué)、金屬熱處理設(shè)備與車(chē)間設(shè)計(jì)、科技文獻(xiàn)檢索等課程理論知識(shí); 培養(yǎng)學(xué)生檢索科技文獻(xiàn)的能力；培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。2、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）1、10.9級(jí)螺栓的服役

2、條件和性能要求分析。2、低碳空冷貝氏體鋼的相變?cè)怼⒑辖鸹?、熱加工工藝分析?、設(shè)計(jì)低碳空冷貝氏體鋼的冶煉方法，化學(xué)成分，熱加工工藝參數(shù)等。4、 設(shè)計(jì)出的低碳空冷貝氏體鋼應(yīng)滿足制作國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的10.9F級(jí)螺栓的要求。5、按學(xué)校及材料工程學(xué)院關(guān)于課程設(shè)計(jì)的相關(guān)要求提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。3、主要參考文獻(xiàn)12陸興，劉世程，王德慶.熱處理工程基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 吳承建，陳國(guó)良，強(qiáng)文江.金屬材料學(xué)M.2版.北京：冶金工業(yè)出版社， 唐代明，王小紅，皮錦紅.金屬材料學(xué)M.成都：西南交通大學(xué)出版社， 孫智，倪宏昕，彭竹琴.現(xiàn)代鋼鐵材料及其工程應(yīng)用 M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 馬鳴圖.先進(jìn)

3、汽車(chē)用鋼M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008方鴻生，王家軍，楊志剛，等.貝氏體相變M.北京：科學(xué)出版社，19992007200920144、課程設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃第12天：布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，下發(fā)本任務(wù)書(shū)，零件的服役條件和性能要求分析。第34天：低碳空冷貝氏體鋼設(shè)計(jì)路線的分析、選擇。第57天：低碳空冷貝氏體鋼的冶煉方法，化學(xué)成分，熱加工工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)，提交設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)的提綱或初稿。第810天：修改、完善設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，并提交。指導(dǎo)教師（簽字）日期201年 月 日教研室意見(jiàn):201 年 月 日學(xué)生（簽字）：接受任務(wù)時(shí)間：201年 月 日課程設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師成績(jī)?cè)u(píng)定表題目名稱低碳空冷貝氏體鋼的設(shè)計(jì)評(píng)分項(xiàng)

4、目分 值得 分評(píng)價(jià)內(nèi)涵工作表現(xiàn)20%01學(xué)習(xí)態(tài)度6遵守各壩紀(jì)律，丄作刻苦努力，具有艮好的科學(xué) 工作態(tài)度。02科學(xué)實(shí)踐、調(diào)研7通過(guò)實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)、查閱文獻(xiàn)、深入生產(chǎn)實(shí)踐等渠 道獲取與課程設(shè)計(jì)有關(guān)的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿。能 力 水 平35%04綜合運(yùn)用知識(shí)的能力10能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問(wèn)題， 能正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能對(duì)課題進(jìn)行理論分析， 得出有價(jià)值的結(jié)論。05應(yīng)用文獻(xiàn)的能力5能獨(dú)立查閱相關(guān)文獻(xiàn)和從事其他調(diào)研；能提出并 較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種 信息及獲取新知識(shí)的能力。06設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）能力，方案 的設(shè)計(jì)能力5能正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立進(jìn)行

5、裝置安裝、調(diào)試、 操作等實(shí)驗(yàn)工作，數(shù)據(jù)正確、可靠；研究思路清 晰、完整。07計(jì)算及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力5具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力；能運(yùn)用計(jì)算機(jī) 進(jìn)行資料搜集、加工、處理和輔助設(shè)計(jì)等。08對(duì)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的分析 能力（綜合分析能力、技 術(shù)經(jīng)濟(jì)分析能力）10具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)收集、分析、處理、綜合的能力。45%09插圖（或圖紙）質(zhì)量、篇 幅、設(shè)計(jì)（論文）規(guī)范化 程度5符合本專業(yè)相關(guān)規(guī)范或規(guī)定要求；規(guī)范化符合本 文件第五條要求。10設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）質(zhì)量30綜述簡(jiǎn)練完整，有見(jiàn)解；立論正確，論述充分， 結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)正確，分析處理科學(xué)。11創(chuàng)新10對(duì)前人工作有改進(jìn)或突破，或有獨(dú)特見(jiàn)解。成績(jī)指 導(dǎo) 教 師

6、 評(píng) 語(yǔ)指導(dǎo)教師簽名：年 月曰1 引言空冷貝氏體鋼屬于非調(diào)質(zhì)鋼中的一類。 在生產(chǎn)中可將熱加工成型 工序與熱淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不僅節(jié)約了能 源，簡(jiǎn)化了工藝，提高了生產(chǎn)效率，而且可以避免由于淬火引起的變 形、開(kāi)裂及氧化、 脫碳等熱處理缺陷。空冷貝氏體鋼具有良好的綜合 力學(xué)性能，不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命，應(yīng) 用前景非常廣闊。 本研究在于探索一種新型的具有較好強(qiáng)韌性的低碳 空冷貝氏體鋼。低碳貝氏體鋼是一類高強(qiáng)度、高韌度、多用途的新型 鋼種，社會(huì)的需要、 高韌鋼生產(chǎn)及使用成本的降低以及能確保滿足焊 接等工藝要求是發(fā)展低碳貝氏體鋼的主要?jiǎng)恿Α＝?20 年來(lái)，世界

7、各 國(guó)對(duì) ULCB 鋼已開(kāi)展了大量的有關(guān)成分 -工藝 -組織 -性能的研究工作， 取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 國(guó)內(nèi)近年來(lái)已開(kāi)發(fā)超低碳貝氏體鋼 DB 系 列，現(xiàn)已成功地應(yīng)用于工程機(jī)械等領(lǐng)域。 本設(shè)計(jì)研究的目的是在實(shí)驗(yàn) 室開(kāi)發(fā)研制屈服強(qiáng)度大于600MPa、以貝氏體加少量鐵素體為基體組 織的耐沿海大氣腐蝕超細(xì)復(fù)合組織鋼， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究掌握該鋼的成 分-工藝-組織-性能之間的關(guān)系，為進(jìn)一步工業(yè)性試生產(chǎn)提供依據(jù)。32 10.9 級(jí)螺栓的服役條件和性能要求分析螺栓直接傳遞交變荷載引起的交變內(nèi)力， 其質(zhì)量的優(yōu)劣直接涉及 人民生命財(cái)產(chǎn)安全 ;螺栓的高強(qiáng)度化有利于機(jī)械結(jié)構(gòu)的小型化和緊湊 化。隨著現(xiàn)代建筑業(yè)、大跨

8、度橋梁、重型鋼結(jié)構(gòu)建筑、電力等行業(yè)的 發(fā)展，對(duì) 10.9 級(jí)高強(qiáng)度螺栓鋼的需求量越來(lái)越多，開(kāi)發(fā) 10.9級(jí)高強(qiáng) 度螺栓鋼具有很大的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。因 10.9 級(jí)螺栓主要用在大型機(jī)械、設(shè)備、建筑工程上，功率、 轉(zhuǎn)速較高，工作條件惡劣，工作應(yīng)力較高。因此，要求 10.9 級(jí)螺栓 具有高強(qiáng)度、以便抵抗拉長(zhǎng)、拉斷、滑扣和磨損 ;有較高的塑性和韌 性，以減少對(duì)偏斜、缺口應(yīng)力集中等表面質(zhì)量問(wèn)題的敏感性;在潮濕大氣或腐蝕氣氛環(huán)境下工作的螺栓， 要求具有足夠低的延遲斷裂敏感 性;對(duì)承受交變載荷和沖擊載荷的螺栓，要求有較高的疲勞抗力和多 次沖擊拉伸抗力，以抵抗疲勞、多沖斷裂 ;對(duì)在嚴(yán)寒地區(qū)工作的螺栓

9、， 還要求具有低的韌脆轉(zhuǎn)化溫度。3 低碳空冷貝氏體鋼的熱處理設(shè)計(jì)3.1 低碳空冷貝氏體鋼的相變?cè)?貝氏體分上貝氏體和下貝氏體。 粒狀貝氏體和準(zhǔn)貝氏體為貝氏體 轉(zhuǎn)變的初級(jí)階段；粒狀組織不屬于貝氏體。各類組織均有自己的 C 曲線。貝氏體轉(zhuǎn)變是通過(guò)形核與長(zhǎng)大進(jìn)行的； 轉(zhuǎn)變時(shí)鐵素體是領(lǐng)先相； 轉(zhuǎn)變過(guò)程中有碳原子的擴(kuò)散， 轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力是新舊兩相之間的體積自 由能差。一般認(rèn)為，與馬氏體轉(zhuǎn)變類似，貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)點(diǎn)陣的改組也 是通過(guò)工格切變方式進(jìn)行的。 相變驅(qū)動(dòng)力即體積自由能差必修能夠補(bǔ) 償便面能，彈性應(yīng)變能以及缺陷能等能量消耗的總和， 相變才能發(fā)生。3.2 低碳空冷貝氏體鋼的合金化原理 氏體鋼的合金化實(shí)質(zhì)上

10、主要考慮對(duì)貝氏體鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變C 曲線的影響上。 合金化， 即選擇一定的含碳量及合金元素的種類和 數(shù)量。3.2.1 碳量的選擇加入碳同加入其它合金元素一樣， 能使貝氏體相變溫度降低， 這 樣可提高貝氏體組織的強(qiáng)度。盡管碳是提高硬度和強(qiáng)度最有效的元 素，但考慮到可焊性及韌性，碳量應(yīng)小于 0.2%; 加入碳，其單位元素 引起的Bs降低值與Ms降低之比值并不高，僅0.57,因此，碳使Bs 降低的同時(shí)，Ms降低并不多，這樣材料的應(yīng)力增大，組織中微觀缺 陷增多,性能下降 ; 含碳量提高,盡管使 Bs 下降有好的一面,卻使 Bs 區(qū)右移并使珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)左移,這樣,使材料獲得貝氏體的工藝 性能變差, 即

11、貝氏體淬透性變小, 造成一般高碳貝氏體鋼往往不純貝 氏體組織而混合組織 ; 含碳量提高,殘余奧氏體量增多,對(duì)回火處理 應(yīng)用的材料, 會(huì)由于殘余奧氏體向淬火馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程而增加轉(zhuǎn)變應(yīng) 力,同時(shí)由于這類殘余奧氏體區(qū)域碳含量高, 在冷卻過(guò)程中形成塑性 較差的薄片狀滲碳體,易成為解理斷裂的裂紋源,造成回火脆性。目前的研究實(shí)驗(yàn)工作發(fā)現(xiàn),低碳貝氏體鋼傾向于形成粒狀組織, 而中碳易形成針狀組織,高碳以混合組織居多。綜上所述,對(duì)韌性、 可焊性要求高時(shí),則應(yīng)用低碳貝氏體鋼 ; 而對(duì)韌性及可焊性要求不高 時(shí),可應(yīng)用高碳貝氏體鋼。3.2.2 合金元素的選擇從奧氏體等溫轉(zhuǎn)變C曲線角度主要考慮添加單位重量元素對(duì) Bs

12、下降值與Ms下降值之比值，此比值越大越有利。其中，Mn、Cr、Ni、 Mo、C諸元素，其比值分別為 272、4.11、2.18、3.19及0.57。因此， Mn、 Cr、 Ni、 Mo 是十分有利的貝氏體鋼合金元素,貝氏體鋼合金化 的研究和應(yīng)用主要是以這些元素的添加為發(fā)展線索。錳并無(wú)將奧氏體等溫轉(zhuǎn)變 C 曲線中鐵素體珠光體轉(zhuǎn)變線與貝 氏體轉(zhuǎn)變線分離的作用。錳的加入,易產(chǎn)生顯微成分偏析,形成粒狀 貝氏體類組織,另外,錳增加奧氏體穩(wěn)定性。鉬及硼是將奧氏體等溫轉(zhuǎn)變 C 曲線中鐵素體珠光體轉(zhuǎn)變線與 貝氏體轉(zhuǎn)變線分離開(kāi)的最有效的兩個(gè)合金元素, 圖 1 顯示出硼的這種 影響。另外，即使在400C/s的極高

13、冷速下，加入的鉬并不促進(jìn)奧氏體 的穩(wěn)定化, 也不誘使大量馬氏體生成。 鉬及硼的好處在于分離鐵素體 和貝氏體 C 曲線的同時(shí),并不推遲貝氏體相變,而大大地推遲多邊 形鐵素體的轉(zhuǎn)變。 鉬的加入還能降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度, 提高貝氏體強(qiáng) 度。硅的作用如同鉬, 硅亦是延遲珠光體轉(zhuǎn)變的有效元素, 硅雖使等 溫轉(zhuǎn)變曲線上多邊形鐵素體轉(zhuǎn)變溫度升高,但卻使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變 C曲線的鼻子向右推移，因而提高了貝氏體（馬氏體）的淬透性，在一定 含量范圍內(nèi)，增加了鋼的韌性。轉(zhuǎn) 變 溫 度硼的影響珠比體匸'曲線亞穩(wěn)矣氏體區(qū)域低的5疣障悴透性 高的肛疣憚庫(kù)透性時(shí)鬥圖1硼對(duì)低碳一鉬鋼等溫轉(zhuǎn)變圖影響的示意圖鉻的作用如同鉬，

14、但有兩重性：鉻既能大大地增加貝氏體的淬透 性，又促使亞穩(wěn)奧氏體區(qū)域的形成。鉻的加入不僅促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變， 且使貝氏體形狀變?yōu)橐葬槧顬橹?，并且由于鉻的加入形成更細(xì)小的貝 氏體鐵素體組織而提高了鋼的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和屈強(qiáng)比。鎳的作用同錳一樣，鎳是奧氏體穩(wěn)定元素，主要用來(lái)提高韌性 . 當(dāng)鎳同鉻一起添加時(shí)，更促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，并使材料的微觀結(jié)構(gòu)主要 呈現(xiàn)為貝氏體組織。3.3低碳空冷貝氏體鋼的熱加工工藝分析低碳貝氏體鋼DB590的CCT曲線（圖I）表明，冷卻速率為2C/s 時(shí)開(kāi)始形成貝氏體鐵素體組織，10C /S時(shí)形成大量的貝氏體組織，鐵 素體組織減少。同時(shí)，由于加人了硼元素，貝氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變點(diǎn)Bs降低，且

15、Bs在相當(dāng)大的冷卻速率范圍內(nèi)基本不隨冷卻速率的變化而變 化，維持在600C左右，這樣可以保證在較大的板厚范圍內(nèi)維持組織 的均勻性，保證中厚鋼板在隨后的冷卻過(guò)程中得到基本相似的貝氏體 組織。貝氏體終了轉(zhuǎn)變溫度Bf約為510C, BS50約為550C。試驗(yàn)鋼 種的相變點(diǎn)Ac3、Aci，分別為895C、835Co4低碳空冷貝氏體鋼的開(kāi)發(fā)方案4.1工藝路線為保證低碳貝氏體鋼材的良好的表面質(zhì)量、 綜合力學(xué)性能，確定 工藝路線為：60t轉(zhuǎn)爐冶煉760tLF爐精煉7連鑄機(jī)(150mm< 150mm) T連軋線軋制。4.2學(xué)成分設(shè)計(jì)參考高強(qiáng)度螺栓性能要求，采取如下化學(xué)成分設(shè)計(jì)思路，確定低 碳貝氏體鋼化學(xué)

16、成分。碳:盡可能降低碳含量以改善鋼的冷變形性能，C的目標(biāo)值定為0.33%。硼:硼的作用是彌補(bǔ)因降碳引起的淬透性和強(qiáng)度損失，B的目標(biāo)值定為0.0025%。為保證鋼中的有效硼，在加硼鐵前先加入適量的鋁 進(jìn)行脫氧，再加鈦固定氮，保證低碳貝氏體鋼具有較好的淬透性。5鉻:加入一定含量的鉻，以提高鋼的強(qiáng)度和淬透性， Cr 的目標(biāo)值 定為 0.15%。磷、硫 :降低磷、硫的含量可改善鋼的冷鐓性能和耐延遲斷裂性能，磷、硫含量分別內(nèi)控 P< 0.020% S< 0.015%釩:鋼中微量的 V 可細(xì)化晶粒、改善鋼的塑性和回火穩(wěn)定性、減 少淬火開(kāi)裂等傾向， 但 V 高將增加合金成本， V 的目標(biāo)值定為

17、0.08%。4.3 非金屬夾雜物控制 由于非金屬夾雜物對(duì)材料的塑性、韌性和疲勞性能有不利影響， 對(duì)低碳貝氏體鋼非金屬夾雜物控制，重點(diǎn)采取如下技術(shù)措施 :(1) 轉(zhuǎn)爐高拉碳，控制出鋼下渣量。(2) 出鋼過(guò)程采用鋼芯鋁預(yù)脫氧，并加入石灰、螢石和多功能調(diào) 渣劑渣洗，為 LF 爐工序精煉創(chuàng)造條件。(3) LF 工序采用碳化硅擴(kuò)散脫氧，造高堿度渣精煉，保白渣精煉 時(shí)間和軟吹氬時(shí)間，促進(jìn)鋼中非金屬夾雜物的上浮。(4) 連鑄采用全程保護(hù)澆注技術(shù)，結(jié)晶器液面自動(dòng)控制，液面波 動(dòng)控制在 ±5mm 以內(nèi)。4.4 表面質(zhì)量控制(1) 采用中碳方坯保護(hù)渣、低過(guò)熱度澆注和結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù) 生產(chǎn)表面無(wú)缺陷的連

18、鑄坯。(2) 針對(duì)低碳貝氏體表面要求嚴(yán)格的情況，連鑄坯入爐前加強(qiáng)表 面檢查。(3) 鋼坯出爐后采用高壓水除鱗， 清除鋼坯表面的氧化鐵皮 ;軋槽、 導(dǎo)衛(wèi)等工裝加強(qiáng)檢查，防止鋼材存在折疊、劃傷、結(jié)疤等缺陷造成鍛 打開(kāi)裂。(4) 為避免脫碳嚴(yán)重，減少用戶冷拔后的修磨量，鑄坯加熱工藝為:預(yù)熱段溫度W85(E,加熱段溫度9901140C，均熱段溫度1070 1180C，生產(chǎn)中加熱時(shí)間控制在11.4h。5 結(jié)語(yǔ)(1)低碳貝氏體實(shí)驗(yàn)鋼的強(qiáng)度級(jí)別較高，屈服強(qiáng)度平均值為為940MPa,抗拉強(qiáng)度平均值為864MPa;但是伸長(zhǎng)率和沖擊功指標(biāo)較低， 伸長(zhǎng)率平均值為 17%。(2)低碳貝氏體鋼的形態(tài)主要可分為粒狀貝氏 休和板條貝氏體, 鋼板的軋態(tài)組織主要由粒狀貝氏體、 板條貝氏體及 部分準(zhǔn)多邊形鐵素體組成 ;粒狀貝氏體和板條貝氏體單從金相組織上 有時(shí)難以區(qū)分,借助掃描組織分析才能清楚確定。(3)粒狀貝氏體和板條貝氏體只有在兩個(gè)極端的溫度下才有明顯 的差異,而處于中間過(guò)渡溫度時(shí)很難截然分開(kāi), 因此從工程檢驗(yàn)的實(shí) 際出發(fā),不必區(qū)分兩類貝氏體。9124.3閻振棨,張萬(wàn)顯,任海鵬10.9級(jí)螺栓用非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)