1、設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)論文題目： 緊固件熱處理工藝設(shè)計(jì) 作者： 楊鵬 毛婷婷 2011年11月緊固件熱處理工藝設(shè)計(jì)摘要緊固件是指：將兩個(gè)或兩個(gè)以上的零件緊固連接成為一個(gè)整體是所采用的一類機(jī)械的總稱。主要包括螺栓、螺柱、螺釘、螺母、墊片、銷，而本實(shí)驗(yàn)以螺栓為研究工件。螺栓在工作中承受載荷情況：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面處斷裂、螺紋部分?jǐn)嗔岩约奥輻U和孔壁中的弱者被壓潰，故螺栓所要求材料的性能是：應(yīng)有足夠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度以及適當(dāng)?shù)挠捕龋员ＷC在正常工作情況下不遭到破壞。應(yīng)有良好的塑性和可切屑加工性能，以便于進(jìn)行冷鐓和切屑加工。45鋼為高強(qiáng)度中碳鋼，其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高

2、、塑性和韌性尚好、切屑性能優(yōu)良，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后獲得較好的綜合機(jī)械性能，無(wú)回火脆性，但焊接性不好，淬透性較低，誰(shuí)催是具有形成裂紋傾向。45鋼機(jī)械性能：b = 610 N/mm², s = 360 N/mm², 疲勞極限中，彎曲-1=250340N/mm² ，抗拉= 190250 N/mm²，45鋼在滿足螺栓所需的力學(xué)性能的條件下，且具有較低的成本，故選45鋼為螺栓的原材料。為了使原材料達(dá)到最終的目的，要對(duì)原材料進(jìn)行一套完整的熱處理工藝。預(yù)備熱處理，為了改善切屑加工性以及改善鍛軋等造成的晶粒粗大及帶狀組織，調(diào)質(zhì)鋼在切削加工前需進(jìn)行預(yù)備熱處理。最終熱處理，為了獲

3、得高塑性、高韌性和高強(qiáng)度，用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理可獲得回火索氏體組織，提高中碳鋼的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)處理：淬火，加熱溫度840，保溫時(shí)間20Min，油蘸，淬火后45鋼的硬度達(dá)到HRC55，并觀察了金相顯微組織?；鼗?，加熱溫度600,保溫100Min，空冷，回火后45鋼的硬度為HRC28，并觀察了金相顯微組織。關(guān)鍵詞：螺栓；抗拉強(qiáng)度；屈服強(qiáng)度；淬火；回火；調(diào)質(zhì)處理；硬度1 緒論1.1 課題背景緊固件是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械基礎(chǔ)件，需求量很大，在各種機(jī)械、設(shè)備、車輛、船舶、鐵路、橋梁、建筑、結(jié)構(gòu)、工具、儀器、儀表和用品等上面，都可以看到各式各樣的緊固件。它的特點(diǎn)是品種規(guī)格繁多，性能用途各異，而且標(biāo)準(zhǔn)化、系

4、列化、通用化的程度也極高。因此也有人把已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的一類緊固件稱為標(biāo)準(zhǔn)緊固件，或簡(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)件。主要包括螺栓、螺柱、螺釘、螺母、墊片、銷。螺栓是由頭部和螺桿（帶有外螺紋的圓柱體）兩部分組成的一類緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個(gè)帶有通孔的零件。 這種連接形式稱螺栓連接。如把螺母從螺栓上旋下，又可以使這兩個(gè)零件分開，故螺栓連接是屬于可拆卸連接。從原材料看：高強(qiáng)度螺栓采用高強(qiáng)度材料制造。高強(qiáng)螺栓的螺桿、螺帽和墊圈都由高強(qiáng)鋼材制作，常用 45號(hào)鋼、40硼鋼、20錳鈦硼鋼。普通螺栓常用Q235鋼制造。 從強(qiáng)度等級(jí)上看：高強(qiáng)螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，其中10.9級(jí)居多。

5、普通螺栓強(qiáng)度等級(jí)要低，一般為4.4級(jí)、4.8級(jí)、5.6級(jí)和8.8級(jí)。從受力特點(diǎn)來(lái)看：高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)拉力和靠摩擦力傳遞外力。普通螺栓連接靠栓桿抗剪和孔壁承壓來(lái)傳遞剪力，擰緊螺帽時(shí)產(chǎn)生預(yù)拉力很小，其影響可以忽略不計(jì)，而高強(qiáng)螺栓除了其材料強(qiáng)度很高之外，還給螺栓施加很大預(yù)拉力，使連接構(gòu)件間產(chǎn)生擠壓力，從而使垂直于螺桿方向有很大摩擦力，而且預(yù)拉力、抗滑移系數(shù)和鋼材種類都直接影響高強(qiáng)螺栓的承載力。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型.兩者計(jì)算方法不同。高強(qiáng)螺栓最小規(guī)格M12，常用M16-M30，超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用。1.2 課題內(nèi)容螺栓作為重要的緊固件之一，在工作中承受載荷情況：受到拉伸力

6、和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面處斷裂、螺紋部分?jǐn)嗔岩约奥輻U和孔壁中的弱者被壓潰。本實(shí)驗(yàn)以此為針對(duì)性問(wèn)題做一下幾方面的研究。（1） 材料選擇。45號(hào)鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼含碳（C）量是0.420.50%，Si含量為0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量<=0.25%，Ni含量<=0.30%。， Cu含量<=0.25%。（2） 熱處理工藝設(shè)計(jì)。主要從材料的性能和金相組織出發(fā)最終確定一種顯著提高性能的熱處理方法。淬火：840 回火：600 抗拉強(qiáng)度：不小于600Mpa 屈服強(qiáng)度：不小于355Mpa 伸長(zhǎng)率：16% 收縮率：40%。（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

7、。根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)分析本次試驗(yàn)材料選擇、熱處理工藝設(shè)計(jì)是否能滿足螺栓要求的力學(xué)性能。2 實(shí)驗(yàn)方案及方法實(shí)驗(yàn)方案包括螺栓材料的選擇、熱處理工藝的設(shè)計(jì)、試樣性能測(cè)試、金相組織分析等。2.1 材料選擇螺栓作為重要緊固件之一，應(yīng)用于航天、汽車、鐵路、機(jī)械等行業(yè)，在生產(chǎn)實(shí)際中起著不可代替的位置，是不可缺少的重要零件。螺栓在工作中承受載荷情況：受到拉伸力和剪切力的符合作用。其失效形式有：螺栓在剪切面處斷裂、螺紋部分?jǐn)嗔岩约奥輻U和孔壁中的弱者被壓潰，故螺栓所要求材料的性能是：應(yīng)有足夠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度以及適當(dāng)?shù)挠捕?，以保證在正常工作情況下不遭到破壞。應(yīng)有良好的塑性和可切屑加工性能，以便于進(jìn)行冷鐓和

8、切屑加工。45號(hào)鋼,是GB中的叫法,JIS中稱為:S45C,ASTM中稱為1045,080M46,DIN稱為:C45 。國(guó)內(nèi)常叫45號(hào)鋼，也有叫“油鋼”。45號(hào)鋼化學(xué)成分為含碳（C）量是0.420.50%，Si含量為0.170.37%，Mn含量0.500.80%，Cr含量<=0.25%，Ni含量<=0.30%。， Cu含量<=0.25%。45鋼是高強(qiáng)度中碳鋼，其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高、塑性和韌性尚好、切屑性能優(yōu)良，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后獲得較好的綜合機(jī)械性能，無(wú)回火脆性，但焊接性不好，淬透性較低，水淬是具有形成裂紋傾向。2.2 熱處理工藝設(shè)計(jì)根據(jù)螺栓在服役時(shí)承受的載荷的情況，螺栓會(huì)受到拉伸力和

9、剪切力的共同作用，所以要求螺栓在經(jīng)過(guò)熱處理后要具有足夠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度以及適當(dāng)?shù)挠捕?，以保證在正常工作情況下不遭到破壞，結(jié)合本次試驗(yàn)的選材是45鋼，故具體的熱處理工藝是調(diào)質(zhì)熱處理工藝（淬火+高溫回火）。2.2.1 淬火工藝所謂淬火就是將鋼加熱到 Ac3（亞共析鋼）或Ac1 (過(guò)共析鋼)以上3050，保溫后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中，以獲得馬氏體組織。碳鋼經(jīng)淬火后的組織由馬氏體及一定數(shù)量的殘余奧氏體所組成。為了正確地進(jìn)行鋼的淬火，必須考慮下列三個(gè)重要因素：淬火加熱的溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。（1） 選定正確的加熱溫度是保證淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。淬火時(shí)的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，

10、可根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定。對(duì)亞共析鋼，其加熱溫度為Ac33050，若加熱溫度不足（低于Ac3），則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體而造成強(qiáng)度及硬度的降低。對(duì)過(guò)共析鋼，加熱溫度為 Ac13050，淬火后可得到細(xì)小的馬氏體與粒狀滲碳體。后者的存在可提高鋼的硬度和耐磨性。（2） 淬火加熱時(shí)間是將試樣加熱到淬火溫度所需的時(shí)間及在淬火溫度停留保溫所需時(shí)間的總和。加熱時(shí)間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所需的加熱介質(zhì)及加熱方法等因素有關(guān)，一般可按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，碳鋼在電爐中加熱時(shí)間的計(jì)算如下表所示 （3） 冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它直接影響到鋼淬火后的組織和性能。冷卻時(shí)應(yīng)使冷卻速度大于臨界冷卻速度，以保證獲得馬氏體

11、組織；在這個(gè)前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減少鋼中的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂。為此，可根據(jù)C曲線圖，使淬火工作在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650550）進(jìn)行快冷（即與C曲線的“鼻尖”相切），而在較低溫度（300100）時(shí)冷卻速度則盡可能小些。為了保證淬火效果,應(yīng)選用合適的冷卻方法（如雙液淬火、分級(jí)淬火等)。不同的冷卻介質(zhì)在不同的溫度范圍內(nèi)的冷卻速度有所差別。各種冷卻介質(zhì)的特性見表所示。 Fe-Fe3C相圖冷卻介質(zhì) 在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度（/秒） 650550 300200 18的水60027050的水10027010NaCl水溶液（18）110030010NaoH水溶液（18）1200300

12、10NaoH水溶液（18）800270蒸餾水（50）250200硝酸鹽（200）35010菜籽油（50）20035礦務(wù)機(jī)油（50）15030變壓器油（50）12025C曲線圖幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力加 熱溫度() 工 件 形 狀 圓 柱 形 方 形 板 形 保 溫 時(shí) 間 分鐘/每毫米直徑分鐘/每毫米厚度分鐘/每毫米厚度7001.52.238001.01.529000.81.21.61000 0.4 0.6 0.8 碳鋼在箱式電爐中保溫時(shí)間的確定45鋼的含碳量是0.420.50%，亞共析鋼：0.0218%w(C)%0.77%，故45鋼屬于亞共析鋼。對(duì)亞共析鋼，其加熱溫度為Ac33050，若加

13、熱溫度不足（低于Ac3），則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體而造成強(qiáng)度及硬度的降低。所以本次試驗(yàn)選擇淬火溫度為840。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)選定的材料（圓柱體）直徑8毫米，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)選定該淬火的保溫時(shí)間為10分鐘，淬火后要得到一定的硬度、馬氏體組織再結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)故選用水淬。2.2.2 回火工藝回火是將淬火后的鋼，在AC1以下加熱、保溫后冷卻下來(lái)的熱處理工藝。也就是將淬火鋼加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以下，保溫1到2小時(shí)后冷卻的工藝?；鼗鹜桥c淬火相伴，并且是熱處理的最后一道工序。經(jīng)過(guò)回火，鋼的組織趨于穩(wěn)定，淬火鋼的脆性降低，韌性與塑性提高，消除或者減少淬火應(yīng)力，穩(wěn)定鋼的形狀與尺寸，防止淬火零件變形和開裂，高溫回火還可以

14、改善切削加工性能?；鼗鹩腥N分別是低溫回火、中溫回火、高溫回火，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所要的結(jié)果不同而采用的回火放是不同。（1) 低溫回火。工件在250以下進(jìn)行的回火。目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應(yīng)力和脆性 回火后得到回火馬氏體，指淬火馬氏體低溫回火時(shí)得到的組織。 力學(xué)性能：5864HRC，高的硬度和耐磨性。 應(yīng)用范圍：刃具、量具、模具、滾動(dòng)軸承、滲碳及表面淬火的零件等。中溫回火。工件在250500 之間進(jìn)行的回火。目的是得到較高的彈性和屈服點(diǎn)，適當(dāng)?shù)捻g性?；鼗鸷蟮玫交鼗鹜惺象w，指馬氏體回火時(shí)形成的鐵素體基體內(nèi)分布著極其細(xì)小球狀碳化物（或滲碳體）的復(fù)相組織。力學(xué)性能：3550HRC，較高

15、的彈性極限、屈服點(diǎn)和一定的韌性。應(yīng)用范圍：彈簧、鍛模、沖擊工具等。（2) 高溫回火。工件在500以上進(jìn)行的回火。目的是得到強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能?；鼗鸷蟮玫交鼗鹚魇象w，指馬氏體回火時(shí)形成的鐵素體基體內(nèi)分布著細(xì)小球狀碳化物（包括滲碳體）的復(fù)相組織。力學(xué)性能：200350HBS，較好的綜合力學(xué)性能。 應(yīng)用范圍：廣泛用于各種較重要的受力結(jié)構(gòu)件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類零件等。 工件淬火并高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)不僅作最終熱處理，也可作一些精密零件或感應(yīng)淬火件預(yù)先熱處理。該實(shí)驗(yàn)是要獲得有足夠的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、好的塑性以及適當(dāng)?shù)挠捕?，所以選用高溫回火，回火溫度5

16、80，回火時(shí)間100分鐘，空冷。2.3 試樣性能測(cè)定和拍攝金相顯微組織 分別在選定原材料后、淬火后、回火后測(cè)定硬度和拍攝金相顯微組織并做好記錄，以便分析實(shí)驗(yàn)方案存在的問(wèn)題，在測(cè)定硬度時(shí)要打掉材料表面的氧化皮，以減少誤差，腐蝕液是4%硝酸酒精，腐蝕5秒，時(shí)間不能太長(zhǎng)與太短，以免造成金相組織不清晰。3 結(jié)果與討論本次試驗(yàn)的目的是選定某種材料生產(chǎn)螺栓，在經(jīng)過(guò)一套合適的熱處理工藝，使螺栓滿足一定的性能要求。3.1 硬度測(cè)試結(jié)果45鋼不淬火時(shí)硬度（HRC）為：13.8、14.4、15.3、14.5,其平均硬度值為：HRC14.545鋼淬火后硬度（HRC）為：51.3、52、54.5、53.6、54.7，

17、其平均硬度值為：HRC53.2245鋼回火后硬度（HRC）為：26.8、29、27.5、28.3、27.6,其平均硬度值為：HRC27.843.2 金相顯微組織分析試樣（45鋼）金相顯微組織如下：圖 3.2.1 45鋼的常溫金相顯微組織 100×45鋼的常溫金相顯微組織如上圖所示，腐蝕液4%硝酸酒精，白色的為滲碳體，滲碳體是鐵和碳形成的金屬化合物，不易受硝酸酒精溶液的腐蝕，在顯微鏡下呈白亮色。黑色的為鐵素體。圖 3.2.2 45鋼的淬火金相顯微組織 100×45鋼的淬火金相顯微組織如圖所示，腐蝕液為4%的硝酸酒精，其金相顯微組織是針狀淬火馬氏體，針狀大小中等。淬火后硬度為H

18、RC53.22離標(biāo)準(zhǔn)的HRC55以上相差一點(diǎn)，其原意是金相組織中有塊未溶鐵素體。圖 3.2.3 45鋼的回火金相顯微組織 100×45鋼的回火金相顯微組織如圖所示，腐蝕液為4%的硝酸酒精，基體組織為保持位向分布的回火索氏體。綜合以上金相顯微組織結(jié)合硬度值分析：45鋼調(diào)質(zhì)處理后得到過(guò)飽和的固溶體即淬火馬氏體。它的強(qiáng)度及硬度很高，而韌性及塑性明顯下降。為了消除淬火時(shí)的內(nèi)應(yīng)力和組織應(yīng)力，淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火處理，當(dāng)回火溫度達(dá)到600時(shí)，馬氏體則發(fā)生分解，析出極細(xì)的滲碳體顆粒，從而使基體分解為索氏體組織，此時(shí)試樣的強(qiáng)度和硬度有所下降，而塑性和韌性顯著提高。因此，可獲得良好的綜合力學(xué)性能，以適

19、應(yīng)制造要求強(qiáng)度較高，塑性及韌性也好的機(jī)械零件。4 結(jié)論同步于金屬材料技術(shù)的革新，本文以緊固件的熱處理工藝為課題作了一系列 的研究與分析，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)，常溫、淬火、回火的金相顯微組織的分析，試樣性能的測(cè)試，以及試驗(yàn)過(guò)程中一些問(wèn)題的處理，最終完成了本次課題的研究，得到了一下的結(jié)論：1、該試驗(yàn)以45鋼作為試樣進(jìn)行了一系列的研究，充分發(fā)揮了45鋼作為一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼的特點(diǎn)。2、45鋼經(jīng)過(guò)淬火硬度達(dá)到HRC53.22，淬火（加熱840、保溫10分鐘、水淬）金相顯微組織為針狀淬火馬氏體，針狀大小中等，淬火硬度低的原因是加熱溫度不夠或冷卻速度慢。3、45鋼經(jīng)過(guò)回火硬度達(dá)到HRC27.84,回火（加熱600、保溫100分鐘、空冷）金相顯微基體組織為保持位向分布的回火索氏體，回火后試樣的強(qiáng)度和硬度有所下降，而塑性和韌性顯著提高。本次試驗(yàn)結(jié)果表明達(dá)到了試樣所要的基本性能，取得了一定的成果，但是課題的研究過(guò)程中有些部分還需進(jìn)一步改進(jìn)和深