低碳空冷貝氏體設計

1、XXX學院學生課程設計（論文）題 目：低碳空冷貝氏體鋼的設計學生姓名： XX 學 號：XXXXXXXX 所在院（系）:材料工程學院業(yè)：材料科學與工程級:教師:職稱：教授2015年12月21日攀枝花學院教務處制攀枝花學院本科學生課程設計任務書低碳空冷貝氏體鋼的設計1課程設計的目的使學生融會貫通機械設計基礎、金屬熱處理、金屬力學性能、冶金概論、金屬材料成 型工藝及設備、金屬材料學、金屬熱處理設備與車間設計、科技文獻檢索等課程理論知識; 培養(yǎng)學生檢索科技文獻的能力；培養(yǎng)學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力。2、課程設計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）1、10.9級螺栓的服役

2、條件和性能要求分析。2、低碳空冷貝氏體鋼的相變原理、合金化原理、熱加工工藝分析。3、設計低碳空冷貝氏體鋼的冶煉方法，化學成分，熱加工工藝參數(shù)等。4、 設計出的低碳空冷貝氏體鋼應滿足制作國家標準中規(guī)定的10.9F級螺栓的要求。5、按學校及材料工程學院關于課程設計的相關要求提交設計說明書。3、主要參考文獻12陸興，劉世程，王德慶.熱處理工程基礎M.北京：機械工業(yè)出版社， 吳承建，陳國良，強文江.金屬材料學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M.成都：西南交通大學出版社， 孫智，倪宏昕，彭竹琴.現(xiàn)代鋼鐵材料及其工程應用 M.北京：機械工業(yè)出版社，2007 馬鳴圖.先進

3、汽車用鋼M.北京：化學工業(yè)出版社，2008方鴻生，王家軍，楊志剛，等.貝氏體相變M.北京：科學出版社，19992007200920144、課程設計工作進度計劃第12天：布置課程設計任務，下發(fā)本任務書，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計路線的分析、選擇。第57天：低碳空冷貝氏體鋼的冶煉方法，化學成分，熱加工工藝參數(shù)的設計，提交設計 說明書的提綱或初稿。第810天：修改、完善設計說明書，并提交。指導教師（簽字）日期201年 月 日教研室意見:201 年 月 日學生（簽字）：接受任務時間：201年 月 日課程設計（論文）指導教師成績評定表題目名稱低碳空冷貝氏體鋼的設計評分項

4、目分 值得 分評價內(nèi)涵工作表現(xiàn)20%01學習態(tài)度6遵守各壩紀律，丄作刻苦努力，具有艮好的科學 工作態(tài)度。02科學實踐、調(diào)研7通過實驗、試驗、查閱文獻、深入生產(chǎn)實踐等渠 道獲取與課程設計有關的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規(guī)定的任務，工作量飽滿。能 力 水 平35%04綜合運用知識的能力10能運用所學知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實際問題， 能正確處理實驗數(shù)據(jù)，能對課題進行理論分析， 得出有價值的結論。05應用文獻的能力5能獨立查閱相關文獻和從事其他調(diào)研；能提出并 較好地論述課題的實施方案；有收集、加工各種 信息及獲取新知識的能力。06設計（實驗）能力，方案 的設計能力5能正確設計實驗方案，獨立進行

5、裝置安裝、調(diào)試、 操作等實驗工作，數(shù)據(jù)正確、可靠；研究思路清 晰、完整。07計算及計算機應用能力5具有較強的數(shù)據(jù)運算與處理能力；能運用計算機 進行資料搜集、加工、處理和輔助設計等。08對計算或?qū)嶒灲Y果的分析 能力（綜合分析能力、技 術經(jīng)濟分析能力）10具有較強的數(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、設計（論文）規(guī)范化 程度5符合本專業(yè)相關規(guī)范或規(guī)定要求；規(guī)范化符合本 文件第五條要求。10設計說明書（論文）質(zhì)量30綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分， 結論嚴謹合理；實驗正確，分析處理科學。11創(chuàng)新10對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。成績指 導 教 師

6、 評 語指導教師簽名：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 力學性能，不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且延長了產(chǎn)品的使用壽命，應 用前景非常廣闊。 本研究在于探索一種新型的具有較好強韌性的低碳 空冷貝氏體鋼。低碳貝氏體鋼是一類高強度、高韌度、多用途的新型 鋼種，社會的需要、 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動力。近 20 年來，世界

7、各 國對 ULCB 鋼已開展了大量的有關成分 -工藝 -組織 -性能的研究工作， 取得了許多實質(zhì)性的進展。 國內(nèi)近年來已開發(fā)超低碳貝氏體鋼 DB 系 列，現(xiàn)已成功地應用于工程機械等領域。 本設計研究的目的是在實驗 室開發(fā)研制屈服強度大于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復合組織鋼， 并通過實驗研究掌握該鋼的成 分-工藝-組織-性能之間的關系，為進一步工業(yè)性試生產(chǎn)提供依據(jù)。32 10.9 級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 人民生命財產(chǎn)安全 ;螺栓的高強度化有利于機械結構的小型化和緊湊 化。隨著現(xiàn)代建筑業(yè)、大跨

8、度橋梁、重型鋼結構建筑、電力等行業(yè)的 發(fā)展，對 10.9 級高強度螺栓鋼的需求量越來越多，開發(fā) 10.9級高強 度螺栓鋼具有很大的使用價值和廣闊的應用前景。因 10.9 級螺栓主要用在大型機械、設備、建筑工程上，功率、 轉(zhuǎn)速較高，工作條件惡劣，工作應力較高。因此，要求 10.9 級螺栓 具有高強度、以便抵抗拉長、拉斷、滑扣和磨損 ;有較高的塑性和韌 性，以減少對偏斜、缺口應力集中等表面質(zhì)量問題的敏感性;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 ;對在嚴寒地區(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計3.1 低碳空冷貝氏體鋼的相變原理 貝氏體分上貝氏體和下貝氏體。 粒狀貝氏體和準貝氏體為貝氏體 轉(zhuǎn)變的初級階段；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)變是通過形核與長大進行的； 轉(zhuǎn)變時鐵素體是領先相； 轉(zhuǎn)變過程中有碳原子的擴散， 轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力是新舊兩相之間的體積自 由能差。一般認為，與馬氏體轉(zhuǎn)變類似，貝氏體轉(zhuǎn)變時點陣的改組也 是通過工格切變方式進行的。 相變驅(qū)動力即體積自由能差必修能夠補 償便面能，彈性應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 氏體鋼的合金化實質(zhì)上

10、主要考慮對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度。盡管碳是提高硬度和強度最有效的元 素，但考慮到可焊性及韌性，碳量應小于 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，Ms降低并不多，這樣材料的應力增大，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,對回火處理 應用的材料, 會由于殘余奧氏體向淬火馬氏體轉(zhuǎn)變過程而增加轉(zhuǎn)變應 力,同時由于這類殘余奧氏體區(qū)域碳含量高, 在冷卻過程中形成塑性 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。目前的研究實驗工作發(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,對韌性、 可焊性要求高時,則應用低碳貝氏體鋼 ; 而對韌性及可焊性要求不高 時,可應用高碳貝氏體鋼。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 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 的研究和應用主要是以這些元素的添加為發(fā)展線索。錳并無將奧氏體等溫轉(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)變線分離開的最有效的兩個合金元素, 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,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 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 高的肛疣憚庫透性時鬥圖1硼對低碳一鉬鋼等溫轉(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小的貝 氏體鐵素體組織而提高了鋼的屈服強度、抗張強度和屈強比。鎳的作用同錳一樣，鎳是奧氏體穩(wěn)定元素，主要用來提高韌性 . 當鎳同鉻一起添加時，更促進貝氏體轉(zhuǎn)變，并使材料的微觀結構主要 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 時開始形成貝氏體鐵素體組織，10C /S時形成大量的貝氏體組織，鐵 素體組織減少。同時，由于加人了硼元素，貝氏體開始轉(zhuǎn)變點Bs降低，且

15、Bs在相當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。試驗鋼 種的相變點Ac3、Aci，分別為895C、835Co4低碳空冷貝氏體鋼的開發(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、 綜合力學性能，確定 工藝路線為：60t轉(zhuǎn)爐冶煉760tLF爐精煉7連鑄機(150mm< 150mm) T連軋線軋制。4.2學成分設計參考高強度螺栓性能要求，采取如下化學成分設計思路，確定低 碳貝氏體鋼化學

16、成分。碳:盡可能降低碳含量以改善鋼的冷變形性能，C的目標值定為0.33%。硼:硼的作用是彌補因降碳引起的淬透性和強度損失，B的目標值定為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，以提高鋼的強度和淬透性， Cr 的目標值 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 可細化晶粒、改善鋼的塑性和回火穩(wěn)定性、減 少淬火開裂等傾向， 但 V 高將增加合金成本， V 的目標值定為

17、0.08%。4.3 非金屬夾雜物控制 由于非金屬夾雜物對材料的塑性、韌性和疲勞性能有不利影響， 對低碳貝氏體鋼非金屬夾雜物控制，重點采取如下技術措施 :(1) 轉(zhuǎn)爐高拉碳，控制出鋼下渣量。(2) 出鋼過程采用鋼芯鋁預脫氧，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 工序采用碳化硅擴散脫氧，造高堿度渣精煉，保白渣精煉 時間和軟吹氬時間，促進鋼中非金屬夾雜物的上浮。(4) 連鑄采用全程保護澆注技術，結晶器液面自動控制，液面波 動控制在 ±5mm 以內(nèi)。4.4 表面質(zhì)量控制(1) 采用中碳方坯保護渣、低過熱度澆注和結晶器電磁攪拌技術 生產(chǎn)表面無缺陷的連

18、鑄坯。(2) 針對低碳貝氏體表面要求嚴格的情況，連鑄坯入爐前加強表 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、 導衛(wèi)等工裝加強檢查，防止鋼材存在折疊、劃傷、結疤等缺陷造成鍛 打開裂。(4) 為避免脫碳嚴重，減少用戶冷拔后的修磨量，鑄坯加熱工藝為:預熱段溫度W85(E,加熱段溫度9901140C，均熱段溫度1070 1180C，生產(chǎn)中加熱時間控制在11.4h。5 結語(1)低碳貝氏體實驗鋼的強度級別較高，屈服強度平均值為為940MPa,抗拉強度平均值為864MPa;但是伸長率和沖擊功指標較低， 伸長率平均值為 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極端的溫度下才有明顯 的差異,而處于中間過渡溫度時很難截然分開, 因此從工程檢驗的實 際出發(fā),不必區(qū)分兩類貝氏體。9124.3閻振棨,張萬顯,任海鵬10.9級螺栓用非調(diào)質(zhì)鋼強