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金属材料热处理实验一、目的和要求●了解热处理的特点和应用。●了解热处理的分类，常用热处理的名称等。●了解钢的热处理工艺（正火、退火、淬火、回火）和作用。●了解温度和冷却速度对钢组织结构和机械性能的影响及各钢种热处理状况。对工件经热处理后的组织进行观察。对工件经热处理后的硬度进行测定。1、热处理实验所用试样；2、加热用箱式电阻炉以及控温仪表；3、捆绑试样的铁丝、夹持试样的铁钳；4、冷却剂：冷水、机油;5、切割机（或者锯刀）、砂轮机、锉刀、预磨机、抛光机、洛氏和布氏硬度试验机；二、仪器、设备和材料常用热处理炉三、实验方法和步骤①将各种材料的试样进行钢印编号，记录下不同材料的编号；②查阅热处理手册确定不同材料的临界转变点从而设定试样奥氏体化的加热温度;③再根据材料的CCT曲线设计不同冷却方式；④选用多组试样进行热处理实验;⑤对热处理后的试样用砂纸磨去两端面氧化皮，然后测定硬度。每个试样测三点，取平均值；⑥在金相显微镜下观察各组试样的金相组织，描绘其组织特征。四、操作过程1、认识熟悉热处理设备和工件。2、Φ14mm*15mm的45钢若干小块试样，进行淬火处理。把试样放在电阻炉中进行加热到750℃、840℃、930℃三种温度，保温30分钟。关闭电源，温度表调零，取出水中急冷，观察试样淬火部位呈何颜色，制样后观察其低倍金相组织。淬火材料Φ14mm*15mm的45钢淬火温度750℃、840℃、930℃保温时间30分钟冷却方式水中急冷、油冷检验①观察试样淬火部位呈何颜色②组织观察五、安全注意事项★穿戴好防护用品。★操作前应该熟悉零件的工艺要求以及热处理设备使用方法，严格按工艺规程操作。★用电阻炉加热时，工件进出炉应先切断电源，然后取送工件，以防触电。★经热处理出炉的工件，不要用手触摸，以防烫伤。★禁止其他人员接近电炉和工件。★在热处理时候，参加工件热处理的同学不允许脱离岗位，并且时时做记录，内容包括：零件名称、材料、热处理前性能、热处理目的、热处理设备名称与型号、加热温度、保温时间、冷却方式、工件热处理后性能有和不同。六、实验报告要求1.实验目的、内容、实验所用仪器等；2.画出热处理工艺曲线，标出各工艺后的硬度值；3.描绘热处理后的各种组织的几何形貌特征。4.叙述珠光体、铁素体、奥氏体等组织的特征。5.讨论不同材料的组织与其热处理工艺之间的关系。七、实验原理1、热处理的概念2、热处理的目的将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。（1）改变工件的内部组织；（2）改善钢的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求；（3）可以消除铸造、锻造、焊接等热加工工艺过程中所造成的多种缺陷；热处理的定义:时间温度临界温度热加保温冷却•热处理与其它加工方法特点：它只改变金属材料的组织和性能，而不以改变其形状和尺寸为目的。•热处理的作用日趋重要：因为现代机器制造对金属材料的性能不断提出更高的要求，如果完全依赖原材料的原始性能来满足这些要求，常常是不经济的，甚至是不可能的。热处理可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性，同时，还可改善毛坯或原材料切削性能，使之易于加工。热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。•热处理在机械制造业中的应用日益广泛。•在机床制造中要进行热处理的零件占60％～70％；•在汽车、拖拉机制造中占70％～80％；•在各类工具(刃具、模具、量具等)和滚动轴承制造中，100％的需要进行热处理。热处理的工艺方法工艺特点热处理工艺的依据铁碳合金状态图大多数热处理是要将钢加热到临界温度以上，使原有组织转变为均匀的奥氏体后，再以不同的冷却方式转变成不同的组织，并获得所需要的性能。钢的淬火2、目的：为了获得马氏体，提高钢的强度、硬度等机械性能，是强化钢材常用的手段，与回火配合获得所需要的性能。1、概念：将钢加热到AC3或AC1以上30℃－50℃，保温后以大于Vk的速度冷却得到马氏体的热处理工艺。一、钢的淬火3、淬火温度的选择(1)碳钢a、亚共析钢：淬火温度为AC3＋30－50℃；预备热处理组织为退火或正火组织。亚共析钢淬火组织：≤0.5%时为M;0.5%时为M+A‘。在Ac1~Ac3之间的加热淬火称亚温淬火；亚温淬火组织为F+M，强硬度低，但塑韧性好。b、共析钢淬火温度为AC1＋30－50℃。淬火组织为M+A’。c、过共析钢淬火温度：AC1＋30－50℃；温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高，淬火后马氏体晶粒粗大、A‘量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织：M+Fe3C颗粒+A’。（预备组织为P球）（2）合金钢由于多数合金元素（Mn、P除外）对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。亚共析合金钢淬火温度为Ac3+50~100.共析钢、过共析合金钢淬火温度为Ac1+50~100.淬火加热温度和淬火后组织M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%最终组织淬火温(℃)钢种l）水•水是目前应用最广泛的淬火冷却介质，水在300～200℃范围内的冷却速度也很大，常使淬火钢件变形开裂。常用作碳钢的淬火。•含5％～10％的盐（NaCl）水溶液。在650～550℃时的冷却能力比水提高近一倍。因此，用食盐水溶液淬火的钢件，容易得到高而均匀的硬度和光洁的表面。但是，食盐水溶液在300～200℃范围内的冷却能力仍然很大，仍有可能使淬火钢件产生变形和开裂。常用于形状简单的低、中碳钢工件的淬火。4、淬火冷却介质2）油各种矿物油，也是一种应用很广泛的淬火介质，油在300～2000C温度范围内，冷却速度远小于水，但油在650～550℃温度范围内的冷却速度却比水小很多，因此，生产上用油作淬火介质，只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火，不适用于碳钢的淬火。3）盐浴主要用于贝氏体等温淬火，马氏体分级淬火。其特点是沸点高、冷却能力介于水与油之间，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。理想淬火冷却速度时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf理想冷却速度：慢—快—慢5、常用淬火方法1、单液淬火法：工件在一种介质中连续冷却到室温的操作方法。如水淬，油淬。2、双液淬火法：在Ms以上，在冷却能力较强的介质中冷却，接近Ms时转入冷却能力较弱的介质中冷却，如水淬油冷法，以防在马氏体相变时开裂。3、分级淬火法热浴淬火法，使工件先在稍高于Ms（150℃－260℃）的硝盐或碱浴中冷却，减小表面和心部温差后，再取出在空气中冷却。减小钢的内应力，变形，适用于小件，复杂件。组织：获得马氏体和残余奥氏体。4、等温淬火法将钢件淬入稍高于MS温度的硝盐浴或碱浴中，保温足够时间，使其发生下贝氏体转变，随后在空气中冷却。组织：获得下贝氏体。5、冷处理冷处理：将淬火冷至室温的零件继续深冷至Mf以下的致冷剂中，保持一段时间，使残余奥氏体充分转变成马氏体的操作方法。目的：为了减少钢中的残余奥氏体以获得最大数量的马氏体，防止工件在保存或使用中发生组织转变。（1）贝氏体组织贝氏体是在等温淬火条件下得到的淬火组织，根据转变温度的不同，贝氏体分为两种类型：在500~350之间的转变产物为上贝氏体；在350~Ms之间的转变产物为下贝氏体。钢的淬火组织：主要是马氏体或贝氏体，少量残余奥氏体及未溶的第二相上贝氏体是由成簇的平行排列的板条状铁素体和沿其边界分布的细条状渗碳体所组成，其形态就像羽毛，所以又称之为羽毛状贝氏体。上贝氏体组织下贝氏体是铁素体呈针片状并互成一定角度，在铁素体的针片上分布着碳化物短针，在光学显微镜下下贝氏体呈黑色针片状组织。下贝氏体组织（2）马氏体组织马氏体是将奥氏体快速冷却（冷却速度大于临界冷却速度）到Ms点以下温度得到的转变产物，常见的马氏体组织主要由两种典型形态：板条状马氏体和片状马氏体。板条状马氏体是一种低碳马氏体（Wc《0.2%），显微组织的主要特征是由许多平行排列的板条状组织成排地群集在一起，称这为马氏体群或马氏体领域。在每个奥氏体晶粒中，可以有好几个不同取向的马氏体群板条状马氏体的显微组织如图。20钢的板条状马氏体组织片状马氏体是一种高碳马氏体（Wc》0.6%），显微组织的主要特征是互成一定角度的针状或竹叶状组织，如果金相磨面巧合与马氏体片平行相切，还可以看到片状形态。如图所示。T12钢的片状马氏体组织典型淬火组织观察20钢水淬紫黄色半条马氏体580X图5低碳钢淬火组织200X图6T8钢下贝氏体（针状）500X45钢水淬板条马氏体+针状马氏体580X45钢不完全淬火铁素体浅蓝色、马氏体米黄色、珠光体棕色580XT12钢高温淬火马氏体+残余奥氏体（黄色）580XT8等温淬火组织420X35CrMo钢淬火210X20Cr2Nii4钢淬火210X30CrMnSi钢等温淬火420XGCr15钢等温淬火105X