Q235钢改性综合实验论文
孙菲
（齐鲁工业大学机械与汽车工程学院[1**********]6）
摘要：在Q235钢的热处理实验中，通过四种不同的淬火条件（水冷淬火、60℃水浴淬火到400℃、60℃水浴淬火到300℃、60℃水浴淬火到200℃）对三种试样进行不同温度（200℃、250℃、300℃）的回火处理。并将热处理后的硬度试样进行磨制、抛光、腐蚀，然后在显微镜中观察每一个试样的金相组织图片；将热处理后的拉伸试样进行拉伸处理，记录每一根试样的延伸率、抗拉强度等；将热处理后的韧性试样进行打击韧性处理，记录每一根试样被打击后吸收的能量。实验显示：通过热处理工艺Q235钢的组织结构发生变化，强度和韧性得到提高；普通水冷淬火后在低温回火时Q235钢的强度、韧性和硬度均高于水浴淬火后在低温回火的强度、韧性和硬度。
关键词：Q235钢的性能；热处理；水浴淬火；强度和韧性
Abstract：
Through four different quenching conditions (waterquenching and 60DEG C water bath quenching to 400DEG C and 60DEG C water bath quenching to 300DEG and 60DEG C water bath quenching to 200DEG C) of three samples of (200DEG C, the temperature of 250DEG, 300DEG C) at different temperature and tempering treatment in Q235steel heat treatment
experiments. And heat treatment the hardness of samples for grinding, polishing, etching, and then observe every specimen microstructure pictures in the microscope. After heat treatment, the tensile process, record each root sample elongation and tensile strength of the; against the toughness of treatment after heat treatment of toughness specimen, the record of each root sample was hit after the absorption of energy. Experiments show that by heat treatment process of Q235steel structure change, the strength and toughness is improved; ordinary water quenched at low temperature tempering of Q235steel strength, toughness and hardness were higher than that of water bath quenching after in low temperature tempering strength, toughness and hardness.
Keywords:properties of Q235steel; heat treatment; water quenching; strength and toughness
目录
1
2引言----------------------------------------------3实验方法------------------------------------------4
2.1
2.2实验试样的制备---------------------------------4热处理工艺的制定-------------------------------4
普通淬火工艺-------------------------------4
水浴淬火工艺-------------------------------42.2.12.2.2
2.3
3组织观察、性能测试-----------------------------5实验结果与分析------------------------------------5
3.1不同淬火、回火的组织特征------------------------5
Q235钢的轧态组织---------------------------5
淬火态的组织-------------------------------6
回火态的组织-------------------------------63.1.13.1.23.1.3
3.2不同淬火方式对性能的影响-----------------------8
硬度的分析---------------------------------8
强度和塑性的分析---------------------------8
冲击韧性的分析-----------------------------93.2.13.2.23.2.3
4
5结论---------------------------------------------10参考文献-----------------------------------------11
1引言
Q235钢是最常见的低碳结构钢，它具有含碳量低，强度、韧性较好、焊接性好、成本低等优点，广泛应用于建筑工程结构中。如材质为Q235钢的中厚板主要应用于建筑工程、大型铁路桥梁的钢板中。在工矿条件中，对其承截能力、承受的动载荷、震动、冲击、耐磨性和耐腐蚀性的要求都很高，在实际工作环境中，钢板由于受到介质的腐蚀、载荷的冲击等，其表面会发生磨损腐蚀现象。因此提高Q235钢材的性能引起了人们的关注。白梅【1】利用激光熔覆技术，在Q235钢表面激光熔覆316L 涂层和316L/Al2O 3复合涂层，以此来增加Q235钢的硬度、
耐磨性和耐腐蚀性能；牛明君【2】利用工艺简单灵活、成本低的氩弧熔覆技术在Q235钢表面熔覆三种铁基碳化物合金层，以此提高Q235钢的实际应用价值；慕
【3】东、江鸿、邵甄胰对Q235钢电镀镍层进行渗硼处理,借助镀镍渗硼层提高Q235
抗高温氧化性能；李小琳【4】以Q235低碳钢为实验材料,通过对纳米颗粒进行预分散的方法向熔体中外加纳米陶瓷颗粒SiC，以此提高Q235钢的强度和硬度；张相军【5】将WC 陶瓷作为注入颗粒,在Q235钢表面制备熔注改性层，以此提高了Q235钢的强度和耐磨性能。
利用热处理的相变强化方式对Q235钢进行强韧化处理，以保证Q235钢的塑性在满足设计要求，冲击韧性显著提高、强度达到45#钢调质后的中等水平。发挥了材料的潜力，达到了节约原材料的目的。
2实验方法
2.1实验试样的制备
Q235钢试样。用于测试硬度的试样为Φ10㎜×15㎜的金相与硬度试样，测试强度的试样为Φ10㎜×150㎜的拉伸试样；测试韧性的试样为55㎜×10㎜×10㎜的标准夏氏V 型缺口冲击试样。试样分组如表1。表1不同热处理时试样的分组情况
B 组：60℃水浴淬火C 组：60℃水浴淬火
到400℃到300℃
B11C11
B12C12B1C1B13C13
B14C14
B21C21
B22C22B2C2B23C23
B24C24
B31C31
B32C32B3C3B33C33
B34C34
B41C41
B42C42B4C4B43C43
B44C44A 组：普通水冷淬火A11A12A1A13A14A21A22A2A23A24A31A32A3A33A34A41A42A4A43A44D 组：60℃水浴淬火到200℃D11D12D1D13D14D21D22D2D23D24D31D32D3D33D34D41D42D4D43D44
进行硬度和韧性测试时A1、B1、C1、D1小组淬火后进行空冷处理；A2、B2、C2、D2小组淬火后进行2个小时的200℃回火处理；A3、B3、C3、D3小组淬火后进行2个小时的250℃回火处理；A4、B4、C4、D4小组淬火后进行2个小时的300℃回火处理。
进行强度测试时A1、B1、C1、D1小组无试样，其它小组与硬度和韧性测试时相同。
2.2热处理工艺的制定
普通淬火工艺2.2.1
A 组Q235钢试样加热到890℃后保温20分钟，紧接着进行水冷淬火，然后A1组冷却至室温后不做处理，A2组进行200℃回火处理，A3组进行250℃回火处理，A4组进行300℃回火处理。其具体工艺如表2。
2.2.2水浴淬火工艺
B 组Q235钢试样加热到890℃后保温20分钟，紧接着进行60℃水浴淬火11
秒到400℃，然后空冷至室温，最后B1组冷却至室温后不做处理，B2组进行200℃回火处理，B3组进行250℃回火处理，B4组进行300℃回火处理。其具体工艺如表2。
C 组Q235钢试样加热到890℃后保温20分钟，紧接着进行60℃水浴淬火12秒到300℃，然后空冷至室温，最后C1组冷却至室温后不做处理，C2组进行200℃回火处理，C3组进行250℃回火处理，C4组进行300℃回火处理。其具体工艺如表2。
D 组Q235钢试样加热到890℃后保温20分钟，紧接着进行60℃水浴淬火14秒到200℃，然后空冷至室温，最后D1组冷却至室温后不做处理，D2组进行200℃回火处理，D3组进行250℃回火处理，D4组进行300℃回火处理。其具体工艺如表2。表2热处理工艺及参数
分组热处理名称工艺参数
200℃回火×2h＋空冷
250×2hA 组普通淬火+回火890℃×20min＋淬火
200℃回火×2h＋空冷60℃水浴淬火到890℃×20min＋60℃B 组250℃回火×2h＋空冷400℃+回火×11s水浴淬火＋空冷300℃回火×2h＋空冷
200℃回火×2h＋空冷60℃水浴淬火到890℃×20min＋60℃C 组250℃回火×2h＋空冷×12s水浴淬火＋空冷300℃+回火300℃回火×2h＋空冷
200℃回火×2h＋空冷60℃水浴淬火到890℃×20min＋60℃D 组250℃回火×2h＋空冷200℃+回火×14s水浴淬火＋空冷300℃回火×2h＋空冷
2.3组织观察、性能测试（硬度、冲击韧性、抗拉强度）将热处理后测试硬度的试样进行打磨、抛光、侵蚀处理，用金相显微镜观察组织，随后用洛氏硬度计进行硬度测试。抗拉强度及冲击韧性分别使用拉伸试验机和冲击试验机进行测试。
3实验结果与分析
3.1不同淬火、回火的组织特征
Q235钢的轧态组织3.1.1
从试样金相图中心区显微组织可以看出，轧态Q235钢的室温组织为粗大的针状或块状铁素体，少量的珠光体沿铁素体晶界呈不均匀分布，有魏氏组织存在。其轧态金相组织如图1所示。
图1Q235钢轧态的金相组织
3.1.2淬火态的组织
A 组试样经过普通水冷淬火，淬火后的组织为板条状马氏体（如图2a）；B组试样经过60℃水浴淬火11秒到400℃，淬火后的组织为板条状马氏体和未转变的奥氏体，冷却至室温的过程中试样发生自回火【6】得到板条状马氏体和针状回火马氏体，由图2b 可知回火马氏体与淬火态马氏体无明显区别；C 组试样60℃水浴淬火12秒到300℃，由图2c 可知淬火后的组织与B 组相同，板条状马氏体变小；D组试样60℃水浴淬火14秒到200℃，有图2d 可知淬火后的组织与B 组相差也不大，板条状马氏体变得更小。
由图2可得，随着水浴淬火温度的降低，板条状马氏体的数量不断增加，这是因为马氏体转变无孕育期，属于无扩散型相变，当奥氏体快冷到Ms 点（马氏体开始转变的临界温度）以下，立即（爆发式）形成，其形成数量与等温时间无关，只随温度的不断降低而增加【7】。
（a）（b）（c）（d）
（a）水冷淬火态；（b）水浴淬火11s；（c）水浴淬火12s；（d）水浴淬火14s
图2Q235钢不同淬火态的金相组织
3.1.3回火态的组织
A 组试样在890℃完全奥氏体化后，进行普通水冷淬火，然后冷却至室温得到板条状马氏体，最后进行不同温度的回火处理，得到的金相组织如图4所示。（a）（b）（c）
（a）200℃回火态；（b）250℃回火态；（c）300℃回火态
图3水冷淬火到室温后在不同温度中的回火态金相组织
B 组试样在890℃完全奥氏体化后，进行60℃水浴淬火11秒到400℃，然后冷却至室温得到板条状马氏体和回火马氏体，最后进行不同温度的回火处理，得到的金相组织如图4所示。
（a）（b）（c）
（a）200℃回火态；（b）250℃回火态；（c）300℃回火态
图460℃水浴淬火11秒到400℃后在不同温度中的回火态金相组织C 组试样在890℃完全奥氏体化后，进行60℃水浴淬火12秒到300℃，然后冷却至室温得到板条状马氏体和回火马氏体，最后进行不同温度的回火处理，得到的金相组织如图5所示。
（a）（b）（c）
（a）200℃回火态；（b）250℃回火态；（c）300℃回火态
图560℃水浴淬火12秒到300℃后在不同温度中的回火态金相组织D 组试样在890℃完全奥氏体化后，进行60℃水浴淬火14秒到200℃，然后冷却至室温得到板条状马氏体和回火马氏体，最后进行不同温度的回火处理，得到的金相组织如图6所示。
（a）（b）（c）
（a）200℃回火态；（b）250℃回火态；（c）300℃回火态
图660℃水浴淬火14秒到200℃后在不同温度中的回火态金相组织
由图3、图4、图5、图6可得，200℃回火时部分马氏体开始分解，碳原子出现较长距离的扩散；250℃回火时马氏体大部分分解完成，形成回火马氏体，并且马氏体间的距离增大；300℃回火时马氏体全部分解完成，全部形成回火马氏体。因此Q235钢经过低温回火后，组织主要为回火马氏体，在形态上与原始马氏体差别不大，基本上保持片状。
对比图3与图4、图5和图6的金相组织可得，经过普通淬火后在回火得到的回火马氏体比经过水浴淬火后在回火得到的回火马氏体数量要多，并且组织更细化。
出现以上情况是因为在200℃-300℃时残余奥氏体开始分解，当钢回火温度超过200℃时,马氏体继续分解，同时，残余奥氏体也开始分解，转变为下贝氏体或回火马氏体,到300℃时,残余奥氏体的分解基本结束【8】。
3.2不同淬火方式对性能的影响
硬度的分析3.2.1
图7不同淬火方式下回火温度对硬度的影响
由图7可得Q235钢的硬度在低温回火阶段随着温度的升高出现先下降后上升的变化规律。并且经过普通水冷淬火的试样的硬度明显高于经过水浴淬火的试样的硬度。这是因为钢材在淬火时由于迅速降温，在形成马氏体的同时，产生大量的位错。回火时残余应力释放，位错发生运动，因此硬度呈下降趋势。随着回火温度的升高，原子能量增加，位错运动速度增大，并在马氏体板条边界产生的大量塞积，位错塞积程度达到最大时，硬度也在此时达到最大【9】。
3.2.2强度及塑性的分析
图8不同淬火方式下回火温度对强度的影响
由图8可得Q235
钢在低温回火阶段，随着温度的升高，经过普通水冷淬火的试样的强度不断下降；经过水浴淬火的试样的强度先升高后下降，在250℃时达到最高。
图9不同淬火方式下回火温度对延伸率的影响
由图9可得Q235钢的塑性随着回火温度的升高，整体出现先升高后降低的趋势，并且经过普通水冷淬火的试样的塑性明显高于经过水浴淬火的试样的塑性。这是因为Q235钢在强韧化处理过程中，伴随有自回火效应。自回火使碳原子向位错或板条边界处偏聚并沉淀部分碳化物，而自回火碳化物又是与基体非共格关系的渗碳体，使马氏体的畸变度下降，同时松弛了部分残余应力【10】。
3.2.3冲击韧性的分析
图10不同淬火方式下回火温度对冲击韧性的影响
由图10可得Q235钢经过普通水冷淬火后在回火的冲击韧性明显高于水浴淬火后在回火的冲击韧性，并且随着回火温度的升高，冲击韧性呈现先升高后下降的趋势。
4结论
①
②Q235钢经过热处理后，强度、韧性和硬度均得到了提升。这主要是因为在热处理过程中产生回火马氏体的原因。普通水冷淬火后在低温回火时Q235钢的强度、韧性和硬度均高于水浴淬火后在低温回火的强度、韧性和硬度。这主要与水浴冷却过程中奥氏体的热稳定化效应导致残余奥氏体的数量增多有关。
齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院
5参考文献
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《综合实验论文》题
学
姓目：号：名：专业班级：指导老师：