论文总字数：29298字

摘 要

高速钢具有高耐磨性、高硬度和良好的红硬性等一系列优异的性能，广泛应用于制造各种切削工具。但是其塑性较低而冷加工难度大，拉拔过程中容易发生断裂，因此为保证拉拔过程的顺利进行，加工的同时需对高速钢进行退火处理以消除加工而产生的硬化。目前，主要采用重结晶退火工艺来提高高速钢的性能，通过升温到奥氏体化温度区间并进行适当时间的保温，从而减少或消除残余内应力、降低高速钢硬度，但过高的重结晶退火温度，使得生产成本上升，并可能产生组织粗化。本文将以M42高速钢为试验对象，对M42高速钢采用相变点温度以下的再结晶退火，比较其与重结晶退火的差异，同时研究退火加热温度、冷却速度和保温时间对再结晶退火的M42高速钢性能的影响，并对产生影响的原因进行分析。通过对扫描组织、电子背散射衍射花样和拉伸曲线等数据进行分析，得出了以下主要结论：

随着再结晶退火温度的升高，M42高速钢的塑性呈现出先增加后降低的趋势。当退火加热温度为780-800℃范围内时，M42高速钢的塑性最好。当退火加热温度为780℃时，M42高速钢的强度和硬度最高。此时组织中析出的碳化物数量较多且均匀分布在基体上，铁素体晶粒尺寸变得细小，晶粒数量上升。与重结晶退火的M42高速钢比较，再结晶退火组织晶粒度细化，塑性更加优良，但晶粒尺寸均匀性降低。

随着冷却速度的加快，二次碳化物析出数量逐渐增加，M42高速钢的强度和硬度上升，塑性变化不大。而保温时间的延长会使得高速钢的强度和硬度先上升后下降，但塑性变化不大。保温时间增加，析出的二次碳化物数量逐渐减少，碳化物尺寸变大。保温时间10min的高速钢组织中，二次碳化物析出数量显著减少，从而导致抗拉强度和硬度下降。

综合对比发现，M42高速钢最优的再结晶退火工艺为温度780℃、时间5min、冷却方式采用空冷。

关键词：M42高速钢；再结晶退火；热处理工艺；力学性能

Abstract

High speed steel is widely used in cutting steel for its good wear resistance, high hardness and excellent red-hardness. However, it is easily broken while drawing due to its low plasticity and its cold working is difficult. So the machining process need to be annealed to eliminate the hardening phenomenon in order to ensure the drawing progress going smoothly. At present, M42 high speed steel tend to use austenitizing annealing. By insulating at the austenitizing temperature range for the appropriate time, we will reduce or eliminate residual internal stress, so that achieve purposes of which reducing the hardness of M42 high-speed steel. However, in this paper, as the experimental object, the M42 high speed steel will be annealed by recrystallization annealing, compared with the advantages and disadvantages of austenitizing annealing. this paper mainly study on the effects on the plasticity of M42 high speed steel, and analyze the causes of impact. Important concludes are as following by SEM and EBSD:

The plasticity of M42 high speed steel increases and then decreases with the annealing temperature increase near the recrystallization temperature. And M42 high speed steel has the best plasticity range 780℃ to 800℃. When the annealing temperature is 780℃, M42 high-speed steel has the highest strength and hardness. At this time, the number of secondary carbides precipitated in high-speed steel is more and the distribution is more uniform, and the grain size is small while the number is large.Compared with the M42 high speed steel with austenitizing annealing, the grain size is reduced and the plasticity is more excellent.

With the accelerated cooling rate, the amount of secondary carbide precipitation gradually increased. strength and hardness of M42 high-speed steel rise while change of plasticity is not obvious. With the increase of annealing time, the strength and hardness of high speed steel show the trend that increasing first and then decreasing while the plasticity increase gradually. The longer the annealing time, the smaller the amount of secondary carbides precipitated and the larger the size of the carbides. The amount of secondary carbides precipitated in the high speed steel with heating for 10 minutes was significantly reduced, which explains that the strength and hardness of the steel will decrease as the annealing time increases.

KEY WORDS：M42 high speed steel, recrystallization annealing, process of heat treatment, mechanical properties

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 高速钢概述 1

1.1.1 高速钢的发展历史 1

1.1.2 高速钢的研究现状与未来展望 1

1.2 高速钢的成分、组织和性能 2

1.2.1 高速钢的成分 2

1.2.2 高速钢的组织 3

1.2.3 高速钢的性能 4

1.3 高速钢的相变和热处理 4

1.3.1 高速钢的相变 4

1.3.2 高速钢的热处理 4

1.4 本文的研究意义和内容 6

1.4.1 研究意义 6

1.4.2 研究内容 6

第二章 实验研究路线及方法 8

2.1 研究路线 8

2.2 实验材料及样品制备 9

2.3 研究方法 9

2.3.1 M42高速钢的性能分析 9

2.3.2 M42高速钢的显微组织分析 10

第三章 退火温度对M42高速钢组织和性能的影响 11

3.1重结晶退火工艺与再结晶退火工艺的性能和组织比较 11

3.2退火温度对M42高速钢性能的影响 13

3.3 退火温度对M42高速钢组织的影响 15

3.3.1 SEM显微组织 15

3.3.2 晶粒尺寸 18

3.4微观组织对力学性能进行影响的解释 19

3.5本章小结 20

第四章 保温时间对M42高速钢组织和性能的影响 22

4.1 保温时间对M42高速钢性能的影响 22

4.2 保温时间对M42高速钢组织的影响 23

4.2.1 SEM显微组织 23

4.2.2 晶粒尺寸5.4本章小结 26

4.3微观组织对力学性能进行影响的解释 26

4.4本章小结 27

第五章 冷却速度对M42高速钢组织和性能的影响 28

5.1 冷却速度对M42高速钢性能的影响 28

5.2 冷却速度对M42高速钢组织的影响 29

5.3微观组织对力学性能进行影响的解释 31

5.4本章小结 32

第六章 结论 33

参考文献（Reference） 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1 高速钢概述

1.1.1高速钢的发展历史

从高速钢被人类发现以来，其已经使用100余年；因其淬火时即使在空气中冷却也能硬化也被称作峰钢，是莱氏体钢的一种^[1]。通过特殊热处理的高速钢可以具有极高的硬度、很好的耐磨性以及极优秀的红硬性等性能^[2]，所以，高速钢是刀具材料中使用最广泛的，并在模具、钻、锯刀片等设备制造方面应用广泛。C、W、V、Mo和Co等是高速钢的常用元素，由于形成碳化物的能力不同，不同元素的合金化作用不同。实际上，正是因为这些碳化物的存在，从而使高速钢获得了极高的硬度以及优良的耐磨性。但是高速钢的这些性质都非常依赖于碳化物的大小、类型、形状、分布和含量^[3-8]。因此，详细调查和评估对于这类高速形成碳化物的钢是极其重要的。

高速钢自19世纪初期由英国科学家Robert Mushet所发现的自硬钢（典型成分是 W7%、C2%、Mn2.5%）以来已经超过百年。通过在高速钢中添加不同的合金元素从而改善钢材的使用性能的研究已相对成熟；例如在高速钢中添加适量的V可以显著提升钢材的切削速度，添加适量的Co可以显著提升钢材的热硬性等^[9]；到了20世纪中期，由平衡碳原理的提出与应用，使得钢材的硬度得到进一步提高，成为了硬度高达HRC70的超硬钢。同时由于高速钢的生产方式的升级，诞生了粉末冶金法，人们逐渐开始利用电渣重熔技术来生产大截面材高速钢，这些都使得高速钢所制造的冷作模具越来越多。粉末冶金法生产高速钢的新钢种热处理硬度更是高达HRC70~72^[10]，也因此，综合性能优良的低合金高速钢再次受到人们的关注并得到极大的发展，在应用方面替代了一部分通用钢，极其有效地节约了合金资源。

1.1.2 高速钢的研究现状及未来展望

高速钢诞生以来，由于其具有高硬度、高热硬性以及高耐磨性等性能而受到人们广泛关注，并得以在工具制造业和机床大量应用，因而对高速钢的认识是有很多资料和经验可循，通过不断地改进高速钢的质量、数量、规格和钢种，使高速钢的应用变得更为广泛。如今，高速钢主要展现的发展趋势如下：

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