绪论

人类的发展史是与金属材料的应用及其发展紧密联系着的，特别是在近代，金属材料在人类文明中更占有特殊重要的位臵。据统计，目前在各种机械设备，车辆，船舶，飞机，水利电力设备，仪器仪表及国防无奇所用材料中，金属材料约占90%以上。没有各种性能符合要求的金属材料，近代文明的出现和发展是根本不可能的。[1]为了使金属材料获得所需要的性能，热处理技术发挥着重要的作用。

1949年建立新中国后，全国人民积极努力的工作，热处理技术已经获得了巨大的进步。新技术，新工艺和新设备不断的被应用于生产中，如可控气氛热处理，真空热处理，，感应热处理，多元共渗，及新的淬火介质大力的推广使用；机械化程度高的热处理作业炉和热处理生产线已经在不少工厂中建立起来；在科研单位，高等学校和工厂试验中已经广泛使用近代化研究手段，如透射电子显微镜，扫描电子显微镜，电子探针，X射线衍射仪和放射性同位素等，使热处理理论得到发展，产品质量和生产率都有很大的提高。[2]许多企业在产品市场竞争中都凭借其所掌握的热处理技术来保证产品质量，赢得胜利。

随着社会的快速发展，各种钢材种类需求量越来越大，要求越来越高，其中以用处最多的45和T10为例， 45钢为优质碳素结构钢，优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。故又称为机械零件用钢，经过热处理后，可以获得良好的力学性能，可以用来制造齿轮，连杆，轴类，套筒等各种零件。它的最大弱点是淬透性比较低，截面尺寸比较大和要求比较高的工件不适合采用，45钢淬火温度一般在Ac3以上30-50的温度范围内，在实际操作中一般是取上限的，偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，并且能提高功效。为了使表面的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。T10作为优质碳素结构钢，广泛用于制造各种刃具，磨具，量具等。适于制造耐磨性要求比较高，切削条件比较差且不受剧烈和突然冲击震动而需要一定的韧性和具备锋利刃口的各种工具，也可用到不受较大冲击的耐磨零件。它作为一种碳素钢，生产成本是比较低的，经过热处理以后硬度甚至能达到60HR以上，但是由于它的耐热性比较差 ，钢的淬透性比较低，所以在淬火加热时不应过热，应该保持细晶粒 。韧性方面还可以，但是热硬性比较低，淬透性仍然不高，淬火变形比较大。

前人对45及T10分别做了大量的研究，从金相组织的观察分析到硬度的测量，对它们在生产生活中最大化运用做出了突出贡献，那么本文通过对这两种钢的进一步比较分析，会不会有新的发现呢？

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1 实验材料及方法 1.1实验方案

对45钢和T10分别各取6个试块样品进行热处理，热处理前分别各取一块45和T10的试样进行原始硬度以及金相组织的观察。然后分别对45和T10试样进行退火，正火，淬火以及低温回火，中温回火，高温回火的热处理，热处理期间要控制好它们的加热温度，加热速度，加热时间以及冷却时间。热处理完毕后采用布什硬度分别对每个试块进行部分，整体测试，再对每个热处理后的试样进行金相组织的观察，通过以上数据对它们进行一个系统性分析比较，从而得出合理的结论。

1.2实验材料及设备

本实验所用材料为45钢和T10钢

45钢为优质碳素结构钢，T10为碳素工具钢，它们所含化学组织如下表1-2：

表1-2 45与T10的化学成分[3] 化学成分/% 牌号 C Si Mn ≤ 45 0.42~0.50 0.17~0.37 0.50~0.80 0.035 0.020 0.025 0.25 0.25 P S Cr Ni Cu T10 0.95~1.04

≤0.35 ≤0.40 0.035 0.035 0.020 0.20 0.30 45钢是强度较高的一种中碳优质钢，因淬透性差，常以正火状态使用，在机械性能要求较高时，采用调质处理。冷变塑性中等，退火和正火的切削加工型比调质的好。用于制造强度要求较高的零件，如齿轮，轴，活塞销等以及受力不是很大的机械加工件，锻件，冲压件等。[4]

T10钢是最常见的一种碳素工具钢，韧度适中，生产成本低，经热处理后硬度能达到60HRC以上。适于制造切削条件较差，耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击震动而需要一定的韧性和极具有锋利刃口的各种工具，如车刀，钻头，丝锥，扩孔刀具等。

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1.3 实验方法

热处理前必须对45和T10的两个重要的临界值Ac1和Ac3进行查询。查询数据如下表1.3：

表1.2热处理临界值[5] 钢号 45 T10 Ac1 724 730 Ac3 780 800 热处理是将金属在固态范围内加热到一定温度下，进行必要的保温，并且以适当的速度冷却至室温，以改变其内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。以下是几种重要的热处理工艺的特点：

退火主要分为完全退火，等温退火，球化退火，扩散退火，再结晶退火及去应力退火等，完全退火是把钢件或者毛胚加热到比Ac3略高20~30度，保温一段时间，使钢中组织完全转变成奥氏体后，缓慢冷却（随炉冷却或埋入沙、石灰中冷却）到500到600度以下出炉，在空气中冷却。[7]通过相变获得珠光体和铁素体组织。

正火的原理和退火相似，唯一不同之处是正火保温一定时间后即空冷，从而得到较细珠光体的一种热处理工艺。由于正火的冷却速度快于退火，因而正火钢的组织较细一些，珠光体分散度大，铁素体的量相对少些，从而强度，硬度比退火要高一些。[8]

淬火是将钢件加热到Ac3或者Ac1以上某一温度保持一定时间，完全奥氏体化后以适当方式快速冷却（保证全部奥氏体不分解），从而获得马氏体或者贝氏体的一种热处理工艺。淬火可以提高钢的强度和硬度，增加耐磨性。

回火是将淬火零件重新加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火分为低温回火，中温回火，高温回火。低温回火（这里以200度为例）：这一温度回火时，马氏体的过饱和度降低，晶格畸变减轻，这种组织我们称为回火马氏体。[6]中温回火（这里以400度为例）：这一阶段碳原子的析出使过饱和的α固溶体变为铁素体，回火马氏体中的渗碳体转变成粒状渗碳体，由铁素体和粒状渗碳体组成的机械混合物，我们称为回火屈氏体。

[7]

在保持一定韧性的条件下提高了弹性和屈服强度，主要用于各种弹簧，锻模，

冲击工具。其金相组织。高温回火（这里以600度为例）：此时固溶体发生回复与再结晶，同时渗碳颗粒不断长大，形成块状铁素体与球状渗碳体的混合组织，称为回火索氏体。[8]得到了强度，塑性，韧性都较好的综合力学性能。 实验步骤如下

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（1） 实验前准备45钢和T10钢各六块（大小相同）。45钢厚度10cm，直径

10cm。T10钢厚度10cm，直径10cm。

（2） 各取一块45和T10试样用砂纸将表面的氧化皮和脱碳层打磨掉，粗磨

一阵后然后再用抛光机最终抛光后，在打磨好的试块表面滴入2至3滴4%的硝酸溶液，停留3至5秒后，在清水中冲洗一下再用吸水纸擦干后拿到金相显微镜下进行观察，用400倍像素保存3到5张金相组织的照片，然后再进行布氏硬度的测试，用25g的测局部两次，用1kg的测整体一次。

（3） 将各试块清晰干净，然后涂上防止裂的涂料，开始对各试块进行热处

理。45钢所需要温度840度，保温30分，由于退火，正火，淬火加热温度以及保温时间一定，可以同时放到热炉内加热。保温后，退火的随炉冷却，正火的进行空冷，淬火的放到冷水内。T10钢和45的区别是加热到770度保温90分钟。

（4） 对退火，正火，淬火后的试块进行打磨，抛光，金相组织的观察以及

硬度的测量

（5） 分别对45和T10进行回火的热处理，对他们经过淬火处理后，分别进

行低温回火，中温回火，高温回火的热处理，温度分别为200度，400度，600度。回火完成后，对回火的试块进行表面打磨，抛光，金相组织的观察以及硬度的测量，记录所得的数据。

2 实验结果与分析

通过对45与T10各个热处理工艺的的硬度测量，得到以下数据：

表2-1 45钢硬度表

类型 退火 正火 淬火 淬火+低温回火 淬火+中温回火 淬火+高温回火 温度 840 840 840 200 400 600 时间（min） 30 30 30 120 120 120 171 195 712 401 308 201 45钢 硬度 181 201 613 378 352 219 189 193 685 389 321 234 平均 180 196 670 389 327 218 4