搜索
实验七碳钢的热处理及硬度测定以及金相分析实验项目名称：碳钢的热处理及硬度测定、金相分析实验项目性质：综合实验所属课程名称：金属材料与热处理实验计划学时：4一、实验目的（1）熟悉碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。（2）了解含碳量、加热温度、冷却速度等因素与碳钢热处理后性能的关系。（3）分析淬火及回火温度对钢性能的影响。（4）学会洛氏硬度计的使用。（5）学会采用不同的热处理工艺，将会得到不同的组织结构，从而使钢的性能发生变化。二、实验内容和要求热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，热处理的主要目的是改善钢材性能，提高工件使用寿命。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织发生了质的变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。Fe-FeC相图和C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。1、加热温度（1）退火加热温度：完全退火加热温度，适用于亚共析钢，Ac3+（30~50℃）；球化退火加热温度，适用于共析钢和过共析钢，Ac1+（30~50℃）。（2）正火加热温度：对亚共析钢是Ac3+（30~50℃）；过共析钢是Accm+（30~50℃），也就是加热到单相奥氏体区。退火和正火的加热温度范围见图2-1所示。（3）淬火加热温度：对亚共析钢是Ac3+（30~50℃）；对共析钢和过共析钢是Ac1+（30~50℃），见图2-2。钢的临界温度Ac1、Ac3及Accm，在热处理手册或合金钢手册中均可查到。再经计算可求出钢的热处理温度。也可以利用铁碳相图决定A1、A3及Acm点的温度再加上10~20℃即近似Ac1、Ac3及Accm，然后再计算热处理温度。表2-1是各种碳钢的临界温度。图2-2淬火加热温度范围表2-1各种碳钢的临界温度类别钢号临界点温度（℃）淬火温度Ac1Ac3或ACcmAR1AR3碳素结构钢20735855680835860~88030732813677835850~87040724790680760840~86045724682682751840~86050725690690750770~800图2-1退火与正火的加热温度60725695695743860~880碳素工具钢T7730770700-780~800T8730-700-780~800T10730800700-760~800T12730820700-760~800T13730830700-760~800（4）回火温度：钢淬火后必须要回火。回火温度决定于最终所要求的组织和性能。按加热温度，回火可分为低温、中温及高温回火三类。低温回火在150~250℃进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60，常用于切削刀具和量具；中温回火是在350~500℃进行回火，硬度约为HRC35~45，主要用于各类弹簧热处理；高温回火是在500~~650℃进行，所得组织为回火索氏体，硬度为HRC25~35，用于结构零件的热处理；高于650℃的回火为珠光体，硬度较低。例如，45钢的回火温度经验公式如下T=200+K（60-X）式中K——系数，当回火后要求的硬度值大于HRC30时，K=11；当硬度值小于HRC30时，K=12；X——所要求的硬度值（HRC）。2、加热时间热处理加热时间与许多因素有关，例如工件的尺寸、形状、使用的加热设备、装炉量、钢的种类；热处理类型、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。上述因素都要综合考虑，具体参考数据可查有关手册。3、冷却方法热处理的冷却方法至关重要，控制不同的冷却速度（即采用不同的冷却方式），可得到不同的组织，从而有不同的性能。（1）退火一般采用随炉冷却，冷到500℃左右，可以出炉空冷，不必在炉中冷到室温。（2）正火多采用在空气中冷却，大件常进行吹风冷却。（3）淬火采用急冷方式，即冷却速度应超过钢的临界冷却速度，以保证得到马氏体组织，另一方面冷却速度应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了调和上述矛盾，可以采用适当的冷却剂和冷却方式。常用的淬火方法有双液淬火、分级淬火、单液淬火、等温淬火等。常用的淬火介质有清洁的自来水、浓度为5~10%的NaCl水溶液、矿物油等。三、实验主要仪器设备和材料1、箱式电炉及控温仪表；2.水银温度计；3.洛氏硬度机；4.抛光机；5.金相显微镜；6.冷却剂：水、油；7．试样：20钢、45钢、T12钢。四、实验方法、步骤及测试结果1．淬火部分的内容及具体操作步骤（1）根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表3-2（2）加热前先将全部试样测定硬度，一律用洛氏硬度测定。（3）根据试样钢号，按照Fe-Fe3C相图确定淬火加热温度和保温时间（可按1分钟/每毫米直径计算）。（4）各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸磨平，以测出硬度值（HRC）填入表2-2。表2-2淬火实验组别淬火加热温度（℃）冷却方式20钢45钢T12钢处理前硬度处理后硬度处理前硬度处理后硬度处理前硬度处理后硬度11000水冷2750水冷3860空冷4860油冷5860水冷注：1~4组各种钢号一块，5组除20、T12钢各一块外，45钢取五块，以供回火用。2．回火部分的内容及具体步骤：（1）根据回火温度不同，分五个小组进行，见表3-3。各小组将已经正常淬火并测定过硬度的45钢试样分别放入指定温度的炉内加热，保温30分钟，然后取出空冷。（2）有砂纸磨光表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值。（3）将测定的硬度值分别填入表2-3中。表2-3回火实验组别135回火温度200℃400℃600℃回火前HRC回火后HRC3．洛氏硬度计测量方法：（1）选择合适的压头及载荷。（2）根据试件大小和形状选择载物台。（3）试件上下两面磨平，然后置于载物台上。（4）加预载荷，按顺时针方向转动升降机构的手轮，将试样与压头接触，并观察读数百分表上小针移动至小红点上为止。（5）调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点，如测HRC、HRA硬度时，把长针与表盘上的黑字G处对准；测量HRB时，使长针与表盘上红字B对准。（6）加主载荷。平稳地扳动加载手柄，手柄自动长高至停止位置（时间为5~7秒），并停留10秒。（7）卸除主载荷。扳回加载手柄至原来位置。（8）读数。表上长针指示的数字为硬度的读数。HRC、HRA读黑数字；HRB读红数字。（9）下降载物台，取出试样。（10）用同样方法在试件的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试件的硬度值。4．各试样金相组织观察。观察和并绘画各碳钢不同热处理条件下的显微组织特征；5．注意事项（1）本实验加热和用的都为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。（2）往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。（3）试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。（4）试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。（5）淬火时水温应保持20~30℃左右，水温过高要及时换水。（6）淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。（7）试件的准备：试件表面应磨平、且无氧化皮和油污等；试件形状应能保证试验面与压头轴线相垂直，测试过程应无滑动。（8）压痕间距或压痕与试件边缘HRA2.5mm；HRC2.5mm；HRB4mm。不同的洛氏硬度有不同的适用范围，应按附录表2选择压头及载荷。这是因为超出规定的测量范围时，硬度计的精确度及灵敏度均较差，以致结果的准确性较差。例如HRB102，HRC18等的写法是不准确的，是不宜使用的。五、实验报告要求：1．实验报告要求内容包括实验目的，实验内容和要求、实验主要仪器设备和材料、实验方法、步骤及结果测试。2．绘画各种碳钢不同热处理条件的组织特征。3．分析实验中存在的问题。六、思考题1．结合本次实验，分析加热温度与冷却速度对钢性能的影响。2．结合本次实验，分析含碳量对钢性能的影响。3．结合本次实验，绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。