实验五 碳钢热处理及性能分析
清华大学金工教研室
一、实验目的
1．了解热处理的基本操作过程。
2．了解热处理后碳钢的性能特点。
3．了解硬度计的正确使用。
二、实验内容
1．对45钢试件进行正火、淬火（水淬和油淬）、回火（低温和高温回火）等
项热处理操作。
2．测定45钢试件退火、正火、淬火和不同温度下回火后的硬度值。
三、实验设备及使用
SRJX—4—9箱式电阻炉3台，洛氏硬度计4台。
硬度的测量
硬度是金属材料力学性能的主要指标之一，常用的测量方法是压入法，包括
布氏、洛氏、维氏硬度等。硬度测量设备简单、操作方便，并可近似反映材料的
其它力学性能，所以硬度测量成为工业中不可缺少的力学性能试验方法之一。本
试验采用最广泛的洛氏硬度测量法。
1．洛氏硬度的测量原理
洛氏硬度的测量原理是用金钢石圆锥体或硬钢球做压头，在一定负荷作用下
压入试样表面，以有面的压痕深度来表示材料的硬度，如图5-1所示。
负荷分两次加，先加预负荷P1，后加主负荷P2，总负荷为P=P1+P2。图5-1
中：
0-0 压头没接触试样的位置。
1-1 压头施加预负荷P1后压入试样的位置，压痕深夜为h0。此时压头和试
样接触良好，做为测量的起点。
2-2 压头施加总负荷P后压入的位置，试样表面的变形包括塑性变形和弹性
变形。
3-3 卸除主负荷P2后，试样由于弹性变形的恢复而使压头略提高后的位置，
压痕深度为h1。此时由于主负荷作用压头实际压入的深度h=h1-h0（mm），用来
图5-1 洛氏硬度试验原理图
表示被测材料的硬度。
为适应数值越大硬度越高的习惯，引入一常数K，并规定压入深度每0.002mm
为一个洛氏硬度单位。则洛氏硬度公式为：
对HRA和HRC，K=0.2mm;对HRB，K=0.26mm。HR值为一个无名数。
在一种硬度计上可采用不同的压头和总负荷，组成几种不同的洛氏硬度标
尺，如HRA，HRB，HRC等，以测定从软到硬的不同金属材料的硬度，其试验
规范见下表：
标尺符号 压头 总负荷 （kgf） 表盘上刻度颜色 常用硬度值范围 应用举例
HRA 金钢石圆锥体 60 黑色 70-85
硬质合金、表面淬火
钢等
HRB 161钢球 100 红色 26-100
退火钢、正火钢、钢合
金等
HRC 金钢石圆锥体 150 黑色 20-57 淬火钢、调质钢等
各种洛氏硬度值不能直接进行比较，可用实验测定的换算表，换算成维氏硬
度（HV）相对比较。
2．洛氏硬度计的构造简图见图5-2。
图5-2 洛氏硬度计构造简图
洛氏硬度的测量过程如下：
①试样去除氧化皮并磨平擦净后放在工作台上，顺时针动手轮，使工作台上
升至度样与压头接触为止。
②加预负荷。继续上升工作台，直到表盘上短针由黑点位置转至红点位置。
③调零点。使表盘上长针对准B—C刻度线。
④加主负荷。加荷手柄板至加荷位置，并停留10s。
⑤卸主负荷、读数。加荷手柄板回到卸荷位置，读出硬度值。然后下降载物
合，取下试样。
四、钢的热处理简介
钢的热处理是通过钢在固态下的加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织，
0.002
hKHR
从而获得所要求性能的一种工艺方法。加热温度、保温时间和冷却方式是热处理
的三个基本环节，正确选择三者的参数是保证热处理成功的关键。本实验用试样
的材料为45钢；其热处理规范如下：
1．加热温度
退火、正火、淬火的加热温度均为820-840℃。
回火加热温度：低温回火为180-200℃，中温回火为380-400℃，高温回火为
540-560℃。
2．保温时间
根据试样的厚度来确定。在空气介质中加热时，碳钢的保温时间一般按试样
厚度每毫米需1∽1.5分钟估算，合金钢按每毫米需2分钟估处。
3．冷却方式7
退火一般随炉冷却。正火在空气中冷却。淬火时，要根据材料等情况来选用不同
的淬火介质，碳钢常采用水中冷却，合金钢常采用油中冷却。
五、实验步骤
1．将4块45钢试件放入箱式电阻炉中，加热到820∽840℃后保温规定时间
（根据试件厚度确定）。
2．将试件取出，一块放在空气中冷却，一块放入油中淬火，二块放入水中淬
火（退火试件随炉冷却，因时间较长，已提前做好）。并在洛氏硬度计上测量其硬
度值，填入纪录表格。每块试样测量三次，以其平均值作为测量结果。各被测点
间的距离不能小于2mm。
3．再将二块水淬试件分别加热至180℃和530℃，保温规定时间后取出空冷。
并再测量其洛氏硬度值，填入纪录表格。
思 考 题
1．同是一种钢（如45钢），经不同热处理之后，其力学性能为什么不一样？
影响钢材性能的因素有哪些？
2．退火和正火用在什么场合？
3．淬火+低温回火用在什么场合？淬火+高温回火用在什么场合？
碳钢热处理及性能分析实验报告
班级 学号 姓名
一、实验目的
二、实验内容及结果
试
样编号 热处理
名称
热处理规范 硬度测定值
换算的
HV值
加热温度℃ 冷却方式 标尺 1 2 3 平均
1 退火 820~840 炉冷 HRB
2 正火 HRB
3 淬火（油淬） HRC
4
淬火（水淬） HRC
低温回火 180~200 HRC
5
淬火（水淬） 820~840 HRC
高温回火 540~560 HRC
三、实验结果分析
（分析实验结果，可以从中得出什么结论，如比较不同冷却方式和不同回火温度对硬
度的影响等）