钢的热处理工艺的设计经验公式.doc

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1、 钢的热处理工艺设计经历公式参考文献：黄春峰.钢的力学性能与热处理工艺经历公式J. 金属热处理.1998，4：12-171钢的热处理1.1正火加热时间加热时间t=KD 1式中t为加热时间(s);D使工件有效厚度mm；K是加热时间系数s/mm。K值的经历数据见表1。表1 K值的经历数据加热设备加热温度(碳素钢K/(s/mm)(合金钢)K/(s/mm)箱式炉80095050606070盐浴炉800950152520301.2 正火加热温度根据钢的相变临界点选择正火加热温度低碳钢：T=Ac3+100150 2中碳钢：T=Ac3+50100 3高碳钢：T=ACm+3050 4亚共析钢：T=Ac3+30

2、80 5共析钢与过共析钢：T=ACm+305061.3淬火加热时间为了估算方便起见，计算淬火加热时间多采用以下经历公式：t=a K D (不经预热) 7t=(a+b) K D(经一次预热) 8t=(a+b+c) K D(经二次预热) 9式中t加热时间min；a 到达淬火温度的加热系数min/mm；b 到达预热温度的加热系数min/mm；c 到达二次预热温度的加热系数min/mm；K装炉修正系数；D-工件的有效厚度mm。在一般的加热条件下，采用箱式炉进展加热时，碳素钢与合金钢a多采用11.5min/mm；b为1.52min/mm高速钢与合金钢一次预热a=0.50.3；b=2.53.6；二次预热a

3、=0.50.3；b=1.52.5；c=0.81.1，假设在箱式炉中进展快速加热时，当炉温较淬火加热温度高出100150时，系数a约为1.520秒/毫米，系数b不用另加。假设用盐浴加热，那么所需时间，应较箱式炉中加热时间少五分之一经预热至三分之一不经预热左右。工件装炉修正系数K的经历值如表2：表2 工件装炉修正系数K工件装炉方式修正系数t030111.11.0t030111.32.0t030111.51.3t030111.71.01.4淬火加热温度按常规工艺,亚共析钢的淬火加热温度为Ac33050； 10共析和过共析钢为Ac13050； 11合金钢的淬火加热温度常选用Ac1或Ac350100 1

4、21.5回火加热时间对于中温或高温回火的工件，回火时间是指均匀透烧所用的时间，可按以下经历公式计算：t=aD+b 13式中t回火保温时间min；D工件有效尺寸；mm；a加热系数min/mm；b附加时间，一般为1020分钟。盐浴的加热系数为0.50.8min/mm；铅浴的加热系数为0.30.5min/mm；井式回火电炉RJJ系列回火电炉加热系数为1.01.5min/mm；箱式电炉加热系数为22.5mim/mm。1.6回火加热温度钢的回火定量关系式很早就有人研究，其经历公式为：钢的回火温度的估算,T=200+k(60-x) 14式中: x 回火后硬度值,HRC；k待定系数,对于45钢,x30,k

5、=11；x30,k=12。 大量试验说明，当钢的回火参数P一定时，回火所到达的工艺效果硬度值或力学性能一样。因此，按传统经历式确定回火参数仅在标准态(回火1h)时方可使用，实际生产应用受到限制.为了解决上述问题，将有关因素均定量表达，文献中导出如下回火公式：(1)在20040O围：HV=640-(T-20)1.05+(lgt-1.28)366+( T-200)(lgt-1.28)0.036 15(2)在400600围:HV=17.2103/T-(1gt一1.28)29.4-(T-400)(Igt-1.28)0.023 16式中T-回火温度t-回火时间，min比照可以看出影响回火效果的主要因素是

6、T和t能较好,较真实地反映出实际工艺参数的影响，定量地表达了不同温度区间回火硬度的变化特征。2 钢的热处理相变点与再结晶温度的计算2.1AC1和AC3温度的经历公式AC1和AC3 分别表示在加热过程中组织开场转变为奥氏体和全部转变为奥氏体时的温度，它们对钢的热处理工艺的制定以与新材料和新工艺的设计都具有重要意义。因此，对AC1和AC3的预测具有较大的理论和应用价值。Andrews搜集了英，德，法，美等国家的资料通过对大量试验数据进展回归分析，获得了根据钢的化学成分计算AC1和AC3温度的经历公式：AC3()=910 - 203C1/ 2- 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31

7、.5Mo +13.1W (17)AC1()=723 10.7Mn 13.9Ni + 29Si + 16.9Cr + 290As + 6.38W (18)式中的元素符号代表其含量 (质量分数，wt%，下同) ，适用钢的成分围为：0.6C, 4.9Mn, 5Cr , 5Ni , 5.4Mo。公式(1)(2)表达了钢的AC1和AC3与化学成分之间的关系，其优点是形式简明、直观，便于应用。2.2钢奥氏体化后冷却时,奥氏体开场转变为马氏体的温度MsMs=550-350C-40Mn-35V-20Cr-17Ni-Cu-10Mo-5W+15Co+30Al+0Si19)Ms=561-474C-33Mn-17Cr

8、-17Ni-21Mo(20)式(19),(20)适用于中低碳钢。Ms=539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo(21)式(21)适用于0.11%C0.60%,0.04%Mn 4.8%,0.11%Si 1.89% ,0Ni5.04%,0Cr4.61% ,0Mo5.4%。注意 ,上述 Ms点的计算公式主要用于亚共析钢;对于过共析钢,由于淬火加热温度对奥氏体的成分影响较大,故根据钢的成分来计算Ms点是没有意义的。Ms=41.7(14.6-Cr)+0.6(6.9-Ni)+33(1.33-Mn)+28(0.47-S)+1677(0.068-C-Ni)-17.8 (22)式(

9、22)适用于SUS类不锈钢(日本)。2.3 奥氏体转变为马氏体(M)的终了温度Mf()Mf点根据不同的马氏体转变量的计算公式: Mf=(100%M)=Ms-(21515) (23) Mf=(90%M)=Ms-(10312) (24) Mf=(50%M)=Ms-(479) (25)Mf=(10%M)=Ms-(103) (26)2.4贝氏体组织开场转变的温Bs() Bs=830-270C-90Mn-37Ni-70Cr-83Mo(27)2.5 钢的再结晶温度TR(K)TR=0.4Tm (28)式中: Tm钢的熔点温度,K。3 钢在空气炉中加热时间(考虑节能)的计算3.1按工件形状确定加热时间t(mi

10、n) t = kiw (29)式中:ki形状系数,k圆柱=1/61/9,k板=1/31/6,k薄壁管=(/D1/ 4) = 1/21/4 ;w形状特征尺寸,直径、板厚或壁厚,mm。3.2按实际装炉量确定加热时间t(min) t=(0.60.8)Gw (30)式中:Gw装炉工件总重量,kg。式(30)适用于45kW箱式电炉加热。4 钢的临界冷却速度的计算4.1钢在油中淬火时心部得到马氏体的临界冷却速度M(/h)logM=9.81-4.62C+1.10Mn+0.54Ni+0.50Cr+0.60Mo+0.00183PA(31)式中: PA奥氏体化参数(加热时间加热温度,此处加热时间为1h)。4.2钢

11、在油中淬火时心部得到贝氏体的临界冷却速度B(/h)logB=10.17-3.80C+1.07Mn+0.70Ni+0.57Cr+1.58Mo+0.0032PA (32)4.3钢在油中淬火时心部得到珠光体-铁素体混合物的临界冷却速度PF(/h) logPF=6.36-0.43C+0.49Mn+0.78Ni+0.26Cr+0.38Mo+0.0019PA (33)4.4钢在油中淬火时心部得到50%马氏体+50%贝氏体的临界冷却速度 50MB(/h)log50MB=8.50-4.13C+0.86Mn+0.57Ni+0.41Cr+0.94Mo+0.0012PA(34)式(31)(34)适用条件:C0.50

12、%,Mn1.75%,Ni3.0%,Cr2.25% ,Mo1.0% ,Mn+Ni+Cr+Mo5.0%。5钢的淬火冷却时间的计算5.1钢预冷淬火时空气预冷时间ty(s) ty=12+(34)D (35)式中:D淬火工件危险截面厚度,mm。5.2钢Ms 点上分级冷却时间tf(s) tf=30+5D 366 钢的淬火硬度的计算6.1 钢终端淬火试验时,距试样顶端440 mm围各点硬度H440(HRC) H440=88C 1/2-0.0135E2C1/2+19Cr1/2+6.3Ni 1/2+16Mn 1/2+35Mo 1/2+5Si 1/2-0.82G-20E 1/2+2.11E-2 (37)式中: E

13、到顶端距离,mm;G奥氏体晶粒度。6.2钢的最高淬火硬度,即淬火钢获得90%马氏体时的硬度Hh(HRC) Hh=30+50C(38)6.3钢的临界淬火硬度,即淬火钢获得50%马氏体时的硬度Hl(HRC) Hl=24+40C(39)6.4 钢淬火组织为马氏体时的硬度HVM HVM=127+949C+27Si+11Mn+8Ni+16Cr+21logM (40)6.5钢淬火组织为贝氏体时的硬度HVB HVB=-323+185C+330Si+153Mn+65Ni+144Cr+191Mo+logB(89+54C-55Si-22Mn- 10Ni-20Cr-33Mo) (41)6.6钢淬火组织为珠光体- 铁

14、素体的硬度HVPFHVPF=42+223C+53Si+30Mn+13Ni+7Cr+19Mo+logPF(10-19Si+4Ni+8Cr+130V)(42)式(40)(42)适用条件同式(31)(33)。7钢回火后硬度的计算7.1钢淬火组织为马氏体时的回火硬度HVM HVM=-74-434C-368Si+15Mn+37Ni+17Cr-335Mo-2235V+(103/PB)(260+616C+321Si-21Mn-35Ni-11Cr+352Mo-2345V) (43)式中:PB回火参数(回火温度回火时间,此处加热时间为1h)。7.2钢淬火组织为贝氏体时的回火硬度HVB HVB=262+162C-

15、349Si-64Mn-6Ni-186Cr-485Mo-857+(103/PB)(-149+43C+336Si+79Mn+16Ni+196Cr+498Mo+1094V) (44)式(42) , (43) 适用条件:C0.83% ,Mn2.0%,Si1.0%,Cr2.0%,Mo1.0%,Ni3.0%,V0.5%,Mn+Ni+Cr+Mo5.0%。7.3钢回火后硬度回归方程HRC=75.5-0.094T+0.66CM(45)式中: T回火温度, ;CM钢的含碳量或碳当量,%;CM=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+Ni+Cu/15 (46)7.4 45钢回火后硬度回归方程HV=640-(T-200

16、)1.05-(logt-1.28)36.6 +(T-200)(logt- 1.28)0.0036(47)20T400HV=17.2104/T-(logt-1.28)29.4 -(T-400)(logt-1.28)0.014(48)400T600式中: t回火时间,min。8钢的回火温度的估算(适用于碳素钢)T=200+k(60-x) (49)式中: x回火后硬度值,HRC;k待定系数,对于45钢,x30,k=11;x30,k=12。9钢的力学性能的换算9.1切削性能M=0.087HBt0.8D1.8 50T=0.195HBt0.8D1.8+0.0022HBD2 51M是扭矩，T是轴向推力，t是

17、进给量，D为钻头直径，HB是布氏硬度。9.2 抗拉强度b(9.8MPa)与布氏硬度HB(1.1)普通碳钢与合金钢b1/3HB3.2HRC=2.1HS 52(1.2)铸铁 b=(.0300.40)HB (53)(1.3)灰口铸铁 b=1/6(HB-40) (54)9.3屈服极限sMPa与抗拉强度bMPa(1.1) 退火状态结构钢 s=0.550.65b (55)(1.2) 调质状态结构钢 b (56)9.4对称弯曲疲劳极限-1MPa与抗拉强度bMPa(1.1)碳钢奥金格公式 -1=(0.490.13)b，b1200MPa (58)(1.3)铸铁莫尔公式-1=0.35b+2.0 (59)9.5对称

18、拉压疲劳极限-1pMPa与对称弯曲疲劳极限-1MPa(1.1)普通钢-1p=0.85-1 (60)(1.2)铸铁 -1p=0.65-1 (61)9.6剪切强度bMPa与抗拉强度bMPa(1.1)退火钢与碳钢b=0.500.60b，b400 (67)(1.2)RH=290(HB-30),HB400 (68)9.9 钢的硬度换算(1.1)HRCHS-15 (69)(1.2)HVHB,HB450 (70)(1.3)HS1/10HB+12 (71)(1.4)HB10HC,HB=200600 (72)10由钢的化学成分估算力学性能10.1求屈服比屈服极限s/抗拉强度b(1)油夜淬火调质s/b()s/b=

19、55+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V (73)式中，金属元素重量百分数适用围：Si1.8，Mn1.1，Cr1.8，Mo0.5，Ni5，V0.25。材料适用直径在150200mmm。(2)空气淬火调质钢s/b()s/b=48+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V (74)10.2 求抗拉强度b9.8MPa (1)调质钢b=100C-100(C-0.40)/3+100Si/10+100Mo/4+30Mn+6Ni+2W+60V (75)适用C0.9，Si1.8，Mn1.1，Cr1.8，Ni5，V2。(2)普通正火与退火钢b=20+100CM(76)(3)热轧钢b=27+

20、56CM(77)(4)锻钢b=27+50CM (78)(5)铸铁b=27+48CM(79)式中，CM-钢的碳当量。CM=1+0.5(C-0.20)C+0.15Si+0.125+0.25(C+0.20)Mn+1.25-0.5(C-0.20)P+0.20Cr+0.10Ni (80)(6)压延状态与正火高力钢b=3.5(61CM+24.3) (81)CM=C+1/5Mn+1/7Si+1/7Cu+1/2Mo+1/9Cr+1/2V+1/20Ni (82)11由钢的显微组织估算力学性能11.1 空冷a-Fe的力学性能(1)抗拉强度b=300MPa (83)(2)延伸率=40 (84)(3)布氏硬度HB=9

21、0 (85)11.2 亚共析钢退火状态的力学性能(1)抗拉强度(MPa)b=300(a-Fe)+1000(P)=300(1-C/0.83)+1000(C/0.83) (86)式中，a-Fe，P-分别表示亚共析钢中的a-Fe，P组织体积百分数。(2)延伸率()=40(1-C/0.83)+15(C/0.83) (87)(3)布氏硬度HB=90(1-C/0.83)+280(C/0.83) (88)11.3 空冷珠光体(0.83C)的力学性能(1)抗拉强度b=1000MPa (89)(2)延伸率=15 (90)(3)布氏硬度HB=280 (91)表4 Bs点的经历公式Table 4 Empirical

22、 equation of Bs研究者年份Bs Steven101956Bodnar111989Zhao121992Zhao132000轧制过程中，需在未结晶温度之上发生一定程度的变形，再经过适当的驰豫或者热处理，再进展第二阶段的变形。钢的未再结晶温度的计算公式为7：参考文献1 翁宇庆. 超细晶钢理论与技术进展 J. 钢铁, 2005, 40(3):1-8.2 翁宇庆. 超细晶钢钢的组织细化理论与控制技术 M., 2003.3 Hodgson P D, Hickson M R and Gibbs R K. Ultrafine ferrite in low carbon steelJ. Scrip

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