实验二钢的热处理综合实验
一、实验目的
1. 全面熟悉钢的热处理综合实验过程；
2. 掌握常用材料热处理工艺规范的制定；
3. 了解热处理的操作方法；
4．研究热处理对钢的性能的影响；
5．认识碳钢经各种热处理后的显微组织，.进一步了解碳钢经热处理后，在组织和性能上有什么改变。

二、实验设备和材料
设备：箱式电炉和控温仪表、洛氏硬度机、台式金相显散镜、预磨机、抛光机
材料：45、T10 钢样、45 钢、T10、T12、20 钢热处理过试样一套、各号金相砂纸、金刚石研磨膏、水、油。

三、实验内容
⑴制定出材料的热处理工艺规范。

⑵分组进行热处理操作。

⑶测定热处理后样品的硬度值。

⑷金相显微试样的制备。

⑸观察各种热处理后的显微组组织，绘出组织示意图。

⑹将测得的硬度值与应得到的显微组织一起填入实验报告。

四、概述
(一)设计、制定热处理工艺规范
钢的热处理是通过加热、保温和冷却三个步骤来改变其内部组织，而获得所需性能的一种热加工工艺，它的基本过程包括：将钢加热到选定温度，在该温度下保持一段时间，然后用选定的速度冷却。

1．加热温度的选择
⑴淬火加热温度
根据 Fe—Fe3C 相图来确定:对亚共析钢，合适的淬火加热温度为AC +30~ 50℃，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。

如果加热温度不足(低于AC )．则淬
火组织中将出现铁素体，造成淬火后硬度不足。

对过共析钢和共析钢，合适的淬火加热温度为ACl+30—50℃。

淬火后的组织为隐晶马氏体与粒状二次渗碳体，组织中的粒状二次渗碳体可以明显提高钢的硬度和耐磨性。

过高的淬火加热温度(高于ACCM)，会使淬火后得到粗大马氏体和较多的残余奥氏体组织．使材料的耐磨性下降，脆性增加，这是因为共析钢含碳量高，加热到ACCM 以上时，碳化物全部溶解，使奥氏体晶粒易于长大，淬火后的马氏体粗大。

同时，奥氏体内的含碳量越高，则淬火后的马试体量越少，残余奥氏体量越多。

⑵回火温度
将淬火后的钢重新加热到AC1 一下某个温度，在该温度下保温一定时间，然后在空气或油中冷却，这一操作过程叫回火。

回火的目的地是消除淬火时产生的能应力，降低钢的脆性，提高钢的韧性。

按加热温度不同，回火可分为三类。

见图3-4。

图1-2 回火种类示意图图1-3在共析钢C曲线上估计
连续冷却
速度的影响图中：
a－低温回火。

主要用于高碳钢和高碳合金钢，回火后保持高硬度和高耐磨性，内应力和脆性降低。

回火后的组织为回火马氏体，硬度约为 HRC58~64。

一般用于切削工具量具滚动轴承及渗碳和氰化。

b －中温回火。

主要用于 0.5~0.7 ﹪C 的碳钢和合金钢，回火后内应力基本消除，有一定的韧性和较高的弹性于屈服强度。

回火后的组织为回火屈氏体，硬度约为 HRc35~45.一般用于各种弹簧及热锻模。

c－高温回火。

主要用于0.3~0.5 ﹪C 的碳钢和合金钢，回火后既有较高
的强度、硬度，又有较好的塑性和韧性。

回火后的组织为回火索氏体。

硬度约为HRc20~35。

一般用于轴、螺栓等重要零件。

⑶钢的退火和正火温度
对于不重要的工件，退火、正火可作为最终热处理。

对于重要的工件，退火、正火是中间热处理，用来消除或改善铸、锻、焊过程中的造成的缺陷，为下一道工序作组织准备。

表 1－1 各种不同成分碳钢的临界温度（部分）
钢的退火是将钢加热到Ac1 或Ac3 ，以上保温后随炉冷却。

钢的正火是将钢加热到Ac3 或Accm 以上30—50℃保温后空冷。

正火的冷却速度比退火大。

正火得到的组织比退得到的组织细，强度、硬度也较高。

2 ．保温时间的确定
为了使钢件内外各部分温度均匀一致，并完成组织转变，必须在加热温度下保温一定时间。

图1-4 正火和各种退火的加热温度范围对于碳钢件，放进预先已加热至选定加热温度的炉内加热。

如果是火焰炉、电炉，所需保温时间大经为 1分钟/毫米（直径或厚度），合金钢应相对延长一点。

回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考虑。

低温回火时，为了稳定组织、消除内应力，使零件在使用过程中性能与尺寸稳定，回火时间要长一些，一般不少于 1.5～2小时。

高温回火时可不宜过长，过长会使钢过分软化，对有的钢种甚至造成严重的回火脆性，一般为 1 小时左右。

3．冷却速度的选择
冷却是决定钢的最终组织与性能的重要工艺参数，同一种碳钢在不同冷却速度下冷却，会得到不同的转变产物。

常采用的冷却介质有炉冷、空冷、风冷、油冷、水冷、等温盐浴冷却等。

钢热处理后的质量检查
工件热处理后的质量检查都是通过硬度检验来实现的，因为硬度既不损坏试样，又可通过查表或公式换算出强度或其它机械性能值
对于较软的钢(如退火、正火)，可用洛氏硬度计测出HRB 值。

HRB的测量范围：25～100。

对于较硬的钢(如淬火、调质)，可用洛氏硬度计测出HRC值。

HRC的测量范围：20～57。

无论HRC还是HRB都可通过查表，换算成HB值，以便进行硬度比较。

钢经热处理后的基本组织概述
索氏体：是片状渗碳体与铁索体的层片相间的机械混告物，层片分布的较珠光体细密高倍显微镜下才能分辨出来，是由奥氏体过冷直接得到的。

回火索氏体：淬火钢在高温回火后得到的组织．具体的金相特征为铁素体的基体上分布着细的颗粒状渗碳体。

这些小粒状碳化物分布得很均匀，所以它的综合机械性能好、碳钢经热处理后可得到这种回火索氏体组织，其铁素体己成等轴状，已没有针状形态。

屈氏体；也是珠光体类型的组织，是渗碳体和铁素体层片相间的机械混合物，但它的层片比索氏体还细密。

在一般光学显微镜下无法分辨，只有在电子显微镜
下才能分辨出其中的层片，是由奥氏体过冷直接得到。

回火屈氏体：淬火钢经中温回火后得到的组织，其金相特征是；原来的条状或片状马氏体的形态还未完全破坏，第二相渗碳体析出在其上，这些渗碳体颗粒很细小，以致在光学显微镜下难以分辨。

马氏体：它是碳在a－Fe 中过饱和固溶体。

马氏体形态按含碳高低分两种，即板条马氏体和片状马氏体。

板条马氏体：低碳钢或低碳合金钢淬火后得到组织为板条马氏体组织，其金相组织特征是：大小差不多的细马氏体条定同平行排列成束状，在束与束之间位相差较大，在一个原始奥氏体晶粒内可形成几个位向不同的马氏体领域(束)，韧性较好。

片状马氏体：在含碳较高的钢中经淬火后得到马氏体呈片状(也叫针状、透镜状、竹叶状)，在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使后形成的马氏片大小受到限制，所以片状马氏体的大小尺寸不一，其间还残留奥氏体。

回火马氏体：马氏体经低温回火后，得到的组织为回火马氏体组织。

它仍保持原有片状马氏体的形态，但由于在低温下回火，有极小的碳化物析出，所以回火马氏体易受侵蚀，在金相显微镜下观察比淬火马氏体稍暗一些。

贝氏体：贝氏体分三种金相形态：上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。

上贝氏体：亦称针状贝氏体，其组织特征是：条状铁素体大致平行排列，渗碳体分布于铁素体条间。

下贝氏体：亦称针状贝氏体，其组织特征是；针状铁素体内有碳化物沉淀，碳化物的位向与铁素体长轴约为 55~60°，针状呈黑色，易腐蚀，与回火马氏体相似。

粒状贝氏体：其组织是由铁素体和铁素体所包围的小岛状所组成，岛状组织刚形成时为高碳奥氏体，其后转变的三种情况是：分解为铁素体和碳化物；发生马氏体转变；仍保持富碳奥氏体。

四、实验步骤及注意事项
⑴实验前认真阅读实验指导书。

⑵制定好的热处理工艺规范要经教师检查无误后方可进行热处理操作。

⑶当炉温达到设计温度后(或从控温仪表上读出)，将工件装入炉内，保温时要注意控温仪表是否正常，发现问题及时报告教师。

⑷淬火冷却时，应迅速地将试样放入水或油中，并不停地搅动试样，注意不要将试样露出液面。

⑸淬火后的试样用砂布磨掉氧化皮，然后测定硬度疽，同时将本次实验的全部硬度值记在实验报告上。

(6) 需要回火的工件在淬火后要进行回火操作。

⑺完成全部热处理操作后，对各种热处理后的试样进行制备。

⑻观察、分析热处理后的显微组织，在认识各组织组成物的基础上，根据显微镜中组织的特点，画出热处理后显微组织示意图。

⑼严格区分索氏体和回火索氏体组织、马氏体与回火马氏体组织。

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