上海应用技术学院 材料科学与工程学院 毕业论文 学 生 姓 名： 刘阳 班级 / 学号： 091012C1/091012119 专 业： 材料科学与工程 （材料制备与加工方向） 设 计 题 目： 高碳钢不同热处理相结构和尺寸变化 指 导 教 师： 刘克家 职 称： 教 授 2013 年 6 月 12 日 上海上海应应用技用技术术学院学院毕业设计毕业设计（ （论论文）任文）任务书务书 题目：高碳钢不同热处理相结构和密度的变化 学生姓名：刘阳 学号：0910121119 专业：材料制备与加工 任务起至日期： 2013 年 2 月 25 日至 年 6 月 18 日 共 16 周 、 课题的任务内容： 查阅有关文献，了解课题内容，写出开题报告 实验测试：实验设计，材料准备，材料相结构的测试，材料密度的精确测量 数据整理分析 写出论文 二、原始条件及数据： 现有条件，记录数据 三、设计的技术要求（论文的研究要求）： 给出此方法研究和具体结果，以及分析 四、毕业设计（论文）应完成的具体工作： 查阅有关文献，了解课题内容 实验测试 数据整理分析 写出论文 软硬件名称、内容及主要的技术指标（可按以下类型选择）： 计算机软件Microsoft Word，Microsoft Excel 图纸 电路板 机电装置 新材料制剂 结构模型 其他 五、查阅文献要求及主要的参考文献： 材料相结构的的测量、分析测试方法 材料密度的精确测量 学习查阅有关文献，10 篇及以上 六、进度安排：（设计或论文各阶段的要求，时间安排）： 第 1-2 周，查阅有关文献，了解课题内容 第 3-12 周，实验设计，材料准备，测试，分析 下学期第 13-14 周，数据整理分析 下学期第 14-16 周，写出论文，答辩 指导教师： 刘克家 13 年 2 月 26 日 审核意见： 教研室主任： 年 月 日 高碳钢在不同热处理相结构和密度的变化高碳钢在不同热处理相结构和密度的变化 摘要：热处理的本质是相变，而分析热处理相变的一般方法有XRD分析、热膨胀分析、金 相分析、硬度分析、磁性分析等，但是每种方法均有各自的侧重点，且XRD与热膨胀分析 都需要大型、昂贵的仪器设备，操作也复杂。高碳钢热处理过程中存在尺寸变化，于是本 文致力于提出一种新的、简单的方法，即二次称重法，通过分析高碳钢不同热处理密度变 化、尺寸变化分析相变。对于质量分数1%的高碳钢而言，理论上奥氏体区淬火得到的马氏 体转变为铁素体将引起试样3%的体积变化，1%的尺寸变化，而精度为1mg的电子天平能 测量0.1%的微小变化。通过二次称重法分析了GCr15、9Cr18Mo、T9这三种高碳钢不同热 处理密度变化，分析出高碳钢中马氏体转变为铁素体试样密度增大，体积收缩、尺寸减小。 为了排除其他相（残余奥氏体、碳化物）的干扰，对GCr15与9Cr18Mo做了XRD定性分析， 忽略碳化物的存在，找出一种只含马氏体的试样做热膨胀实验，分析出马氏体转变为铁素 体引起的尺寸变化，并与二次称重法测量结果比较，从而验证了二次称重法分析高碳钢中 马氏体转变为铁素体尺寸变化的准确性。 关键词： 热处理；高碳钢；尺寸变化；密度变化；二次称重法 Phase Structure and Density Change of High-carbon Steel with Different Heat Treatment Abstract： ：Heat treatment is the nature of the phase transition，and general methods to analyze phase transition in heat treatment are XRD analysis, thermal expansion analysis, metallographic analysis, hardness analysis, magnetic analysis, and so on. But each method has its own focus, and XRD analysis and thermal expansion analysis require large, expensive equipments, the operation is complicated. There is dimensional change in heat treating process of High carbon steel, so this paper dedicated a new, simple method that is a secondary weighing method which analyses different density and dimensional change of high-carbon steel with different heat treatment to analyze the phase transition. For the high-carbon steel with Mass fraction of 1%, theoretically, phase transition during martensite changing into ferrite will cause volume change of 3%, dimensional change of 1%, and now, electronic balance with the accuracy of 1mg can measure slight change of 0.1%. by the secondary weighing method, this paper analyzed density of GCr15, 9Cr18Mo, T9 three kinds of high carbon steel with different heat treatment, it concluded that transformation of martensite changing into ferrite in high carbon sample caused density increasing, volumetric shrinkage, size reducing. In order to rule out other phase (austenite, carbides) interference, this paper did XRD qualitative analysis on 9Cr18Mo and GCr15, and found a sample only containing martensite to do thermal expansion experiments. It analyzed dimensional changes during transformation of martensitic changing into ferrite, and the result was compared with that by the secondary weighing method, it verified accuracy of the secondary weighing method analyzing the dimensional changes during transformation of martensite changing into ferrite in high-carbon steel. Key Words: Heat treatment；High-carbon steel；Dimensional change；Density change；Secondary weighing method 目目 录录 1绪论绪论1 1.1钢铁材料 1 1.2高碳钢发展概况 2 1.3高碳钢的热处理技术 3 1.3.1奥氏体化 .3 1.3.2退火和正火 .4 1.3.3淬火与回火 .5 1.4高碳钢热处理相变分析 7 1.4.1高碳钢热处理相变分析手段 .7 1.5高碳钢热处理尺寸变化 11 1.6本文的立意及主要内容 12 1.6.1本文的立意 .12 1.6.2本文的主要内容 .13 2实验实验部分部分14 2.1实验原料 14 2.2二次称重实验 15 2.2.1原理 .15 2.2.2试验 .16 2.3XRD 相结构分析.18 2.4热膨胀分析相结构与尺寸变化 18 2.4.1试样制备 .18 2.4.2试验 .19 3结结果与果与讨论讨论20 3.1二次称重数据与分析 20 3.2XRD 图谱及分析.22 3.3热膨胀数据与分析 25 3.4小结 31 4结论结论32 致致 谢谢 .33 参考文献参考文献 .34 高碳钢不同热处理相结构和密度的变化 1 1 绪论 1.1 钢铁材料 人类的发展史是与金属材料及发展紧密联系着的，特别是在近代，金属材料在人类文 明中占有特殊重要的地位，其中钢铁材料是最重要的基础材料，也是其它工业发展的基础。 在经历了代用材料的强烈冲击后，人们通过对各种材料的比较，认识到在目前钢铁材料仍 然是量大面广的材料。在可预见的未来，还没有任何一种材料能够全面取代钢铁材料，钢 铁材料仍将是人类社会占据主导地位的最重要的结构材料，是人类社会和经济发展的物 质基础。与其他材料相比，钢铁材料具有以下显著特点：（1）良好的综合力学性能。钢铁材 料组织性能调幅范围非常宽，目前钢铁材料的强度范围在几百至几千兆帕内，并且具有良 好的塑性和韧性，可以很容易地将其加工成任意形状，满足各领域的需求，是机械系统的 首选材料。 （2）质量稳定，价格低廉。钢铁材料是相对比较成熟的材料，人类对钢铁材料的 研究与利用已有 1500 多年的历史。在钢铁材料设计、生产管理以及组织性能控制等方面 积累了丰富的经验。钢铁材料的产量目前仅次于水泥，且质量稳定，价格低廉。 （3）资源丰 富。钢铁材料的最大特点是资源丰富，其分布遍及世界各地，在地壳中含有约 4.2%(质量 分数)的铁，为人类社会可持续发展奠定了基础。 （4）回收率高。钢铁材料的回收率可达到 90%以上。回收材料的使用不单单是钢铁资源的循环使用问题，使用回收材料还可以降低 Co 的产生，有利于环境保护。 由于钢铁材料在今后相当长的时间内仍是最重要的结构材料，并且其性能大有潜力 可挖，因此，钢铁材料不仅关系到国家的经济发展，同时也起到了维护国家安全的重要作 用。钢铁材料应用几乎涉及人类社会各个领域，高层建筑、深层地下和海洋设施、大跨度 重载桥梁、轻型节能汽车、高速船舶、石油开采和长距离油气输送管线、大型储存容器、工 高碳钢不同热处理相结构和密度的变化 2 程机械、精密仪器、航空航天、高速铁路、能源设施等国民经济的各个领域都需要综合性 能优异、使用寿命长以及成本低的钢铁材料。此外，人类社会的发展对钢铁材料的生产、 加工、使用和回收等环节提出了节约能源、节约资源、满足可持续发展战略的要求，因此 在保持钢铁材料低成本和易回收等特点的基础上，提高钢铁材料的强度和寿命，开发新一 代钢铁材料引起了世界各国的高度重视。 碳钢是最常用的普通钢铁材料，冶炼方便、加工容易、价格低廉，而且在多数情况下 能满足使用要求，所以应用十分普遍。按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳 钢。高碳钢由于具有高的硬度、强度、耐磨性和较好的导热性能，且价格便宜，因此在工具、 刃具、模具、弹簧和重轨等生产领域得到广泛的应用。