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长安大学材料综合实验（下）实验名称：20号钢热处理组织和硬度综合实验一.实验目的（1）了解并掌握20号钢的热处理工艺、。（2）掌握20号钢正火的步骤、规范以及硬度的变化。（3）学会观察20号钢正火后的显微组织结构，分析其性能变化的原因。（4）学会解决实验过程中的问题，探索最佳20号钢热处理工艺。二.简述4种基本热处理工艺（退火、正火、淬火及回火）方法及钢热处理后的显微组织特征金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火：将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却（冷却速度最慢），目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火：将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火：将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶长安大学材料综合实验（下）液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。回火：为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710C的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。三.简述洛氏硬度测定的基本原理及应用范围洛式硬度（HR-）是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59或3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，有HRA,HRB,HRC三种硬度。HRA:是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。HRB:是采用100kg载荷和直径1.59mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。另外：（1）HRC含意是洛式硬度C标尺，（2）HRC和HB在生产中的应用都很广泛长安大学材料综合实验(下)(3)HRC适用范围HRC20――67,相当于HB225――650若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。布式硬度上限值HB650,不能高于此值。(4)洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥，试验载荷为一确定值，中国标准是150公斤力。布氏硬度计之压头为淬硬钢球(HBS)或硬质合金球(HBW)，试验载荷随球直径不同而不同，从3000到31.25公斤力。(5)洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，须测数点求平均值，适用成品和薄片，归于无损检测一类。布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。(6)洛式硬度的硬度值是一无名数，没有单位。(因此习惯称洛式硬度为多少度是不正确的)布式硬度的硬度值有单位，且和抗拉强度有一定的近似关系。(7)洛式硬度直接在表盘上显示、也可以数字显示，操作方便，快捷直观，适用于大量生产中。布式硬度需要用显微镜测量压痕直径，然后查表或计算，操作较繁琐。(8)在一定条件下，HB与HRC可以查表互换。其心算公式可大概记为：1HRC〜1/10HB。四.实验仪器名称、型号以及实验材料(1)两个20号钢圆柱试样(2)防水砂纸若干长安大学材料综合实验(下)(3)抛光机一台(4)金相显微镜一台(5)洛氏硬度试验机(6)箱式电阻炉五.20号钢材料简介材料名称：优质碳素结构钢牌号：20钢标准：GB/T699-1988特性及适用范围：强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。伸长率85(%)25断面收缩率®(%):55化学成份：碳C:0.17〜0.24锰Mn:0.35〜0.65磷P:0.035镍Ni:0.25力学性能：抗拉强度屈服强度硅Si:0.17〜0.37硫S:0.035铬Cr:0.25铜Cu:0.25ob(MPa):410(42)os(MPa)245(25)长安大学材料综合实验(下)硬度：未热处理，156HB试样尺寸：试样尺寸d209mm六.实验内容工件规格：d209mm具体工艺流程：910C,到温入炉，保温时间30min，空冷欲得组织：以分散度较高的的铁素体为基体+片状珠光体。预期效果：取得较为显著的硬度提高以及较好的综合性能。实验步骤：(1)对切样进行粗磨(2)在布氏硬度机上测量其中一个切样的表面硬度(3)第一次记录硬度大小，采集三次数据。(4)预热炉温至920C(5)将两个切样放入保温炉中，保温时间30min(6)空冷至室温(7)再进行粗磨去除氧化铁皮(8)精磨获得抛光表面(9)将其中一个表面次光滑的切样进行二次硬度测试，采集三次数据(10)将剩下的切样进行侵蚀，采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀抛光表面，当切样抛光面呈灰色就立即用清水清除残酸，插上酒精棉,用吹风机吹干(11)在先问经商观察，并在不同倍数的条件下摄像七.实验结果长安大学材料综合实验(下)1、组织照片20钢920C正火200倍4%的硝酸酒精溶由正火后的金相显微组织可以发现，正火处理后，20号钢样品的组织整体上细小均匀，在铁素体基体上分布着大量细小的片状珠光体，但有部分粗大组织，这是由于正火温度过高、保温时间过长、冷却过慢或原始组织很粗大造成正火后组织粗大。组织中先共析铁素体较少，珠光体数量较多，珠光体片间距较小。而且正火后组织中出现铁素体或渗碳体近似平行，呈羽毛状或三角形，其间存在着珠光体的魏氏组织。魏氏组织容易出现在过热钢中，因此，奥氏体晶粒越粗大，越容易出现魏氏组织。钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织，慢冷则不易出现。这魏氏组织的出现导致硬度一定程度的下降。2、硬度实验结果长安大学材料综合实验(下)表1材料在正火状态下的显微组织及洛氏硬度材料热处理工艺洛氏硬度测试顶角120°的金刚石圆锥体载荷Pkg:150载荷停留时间s:10第1点第2点第3点平均硬度值HRC压痕直径d(mm)硬度值HRC压痕直径d(mm)硬度值HRC压痕直径d(mm)硬度值HRC20钢正火4.5817.24.6216.94.6017.017.020钢正火4.3019・74.2320.24.2620.020.0测量前后对照的数据显示20钢的硬度提高了17.3%。由于采用了高于100左右的加热温度，增大了奥氏体的稳定性，而且以空冷的形式，增大了过冷速度，可能在组织上出现较细的片状珠光体，且分散度较高的铁素体。由于片状珠光体的表面能较大，片间距较小，对基体的切割作用较强，碳化物在力学上硬度远高于基体，所以综合这几点，推动了切样的表面硬度性能的提高。八.实验总结在亚共析钢或过共析钢中，由高温以较快的速度冷却时，先共析的铁素体或渗碳体从奥氏体晶界上沿着奥氏体的一定晶面向晶内生长，呈针状析出。在光学显微镜下可以观察到从奥氏体晶界上生长出长安大学材料综合实验（下）来的铁素体或渗碳体近似平行，呈羽毛状或二角形，其间存在着珠光体的组织。这种组织称为魏氏组织。实际生产中遇到的魏氏组织大多是铁素体魏氏组织•魏氏组织常伴随着奥氏体晶粒粗大而出现，因此,使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。魏氏组织容易出现在过热钢中，因此，奥氏体晶粒越粗大，越容易出现魏氏组织。钢由高温较快地冷却下来往往容易出现魏氏组织，慢冷则不易出现。钢中的魏氏组织一般可通过细化晶粒的正火、退火以及锻造等方法加以消除，程度严重的可采用二次正火方法加以消除。