材料成分和热处理工艺对钢的组织与性能的影响
预习报告
姓名：崔立莹
班级：材科1202
学号：41230179
2015年11月
材料成分和热处理工艺对钢的组织与性能的影响
一、实验目的
1. 了解热处理设备和几种热处理工艺的实际操作。
2. 了解材料成分、热处理工艺、组织和性能之间的关系。
3. 培养学生综合运用所学热处理理论知识和实验技术独立分析和解决实际问题的能力。
二、实验材料与设备
1. 45（Ф15mm）、40CrNi（Ф13mm）和T8（Ф16mm）钢试样
2. 箱式加热炉
3. 硬度计
4. 金相显微镜以及数码照相系统
5. 磨光机及金相砂纸
6. 抛光机及抛光液
7. 浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等
三、实验内容及要求
本实验采用的钢材有40、40CrNi和T8三种，对于每一种钢材，要求得到如下组织：
全班分三组，每组选一种钢材，每人选一种组织进行以下实验：
1. 根据所选钢种和组织，综合运用所学的热处理知识，制定合理的（或能得到
所要求显微组织的）热处理工艺；
2. 按照制定的热处理工艺对钢进行热处理；
3. 测定热处理后钢材的性能(硬度、T8钢可作拉伸和冲击实验)；
4. 制备金相试样，观察组织并记录(照相)；
5. 总结并讨论实验结果。
本实验要求：
1. 每位同学均要首先根据实验总学时和实验要求制定实验方案（包括实验时间的具体安排）。
注意本综合性实验为团队性实验，每位同学均无法单独完成，制定方案和时间安排时要与其他同学协调好；
2．在每个同学根据所选钢种和组织制定相应热处理工艺的基础上，以组为单位讨论并协调热处理方案；
3. 按照方案进行热处理、性能测定、组织观察与记录；
4. 以组为单位分析和总结实验结果，然后再以班为单位分析和总结实验结果。
四、实验准备内容
1、箱式电阻炉
箱式电阻炉主要由炉体和控制箱两大部分组成。
炉体由炉架和炉壳、炉衬、炉门、电热元件以及炉门提升机构等组成，电热元件多布置在两侧墙和炉底。
[1]图1中给出了炉体结构示意图，控制箱在炉体一侧。
图1 箱式电阻炉炉体示意图
1-底座;2-观察孔;3-炉门;4一热电偶;5-炉壳; 6-电热元件;7--耐火材料;8-保温材料;9-炉架箱式电阻炉一般工作在自然气氛条件下，多为内加热工作方式，采用耐火材料和保温材料做炉衬。
用于对工件进行正火、退火、淬火等热处理及其他加热用
途。
按照加热温度的不同一般分为三种类型，温度高于1000℃称为高温箱式电阻炉，温度在600一1000℃之间称为中温箱式电阻炉，温度低于600℃称为低温箱式电阻炉，以满足不同热处理温度的需要。
[2]
2、实验材料的成分及临界温度点
本实验涉及45、40CrNi以及T8三种钢材，下面对此三种钢材的性能进行归纳至下表1中。
表1 三种钢的化学成分以及临界温度点[3]
钢种45 40CrNi T8
化学成分（质量分数）（%）
C 0.42~0.50 0.37~0.44 0.75～0.84 Si 0.17~0.37 0.17~0.37 ≤0.35 Mn 0.50~0.80 0.50~0.80 ≤0.40
P ≤0.035--- ≤0.035 S ≤0.035 --- ≤0.030 Ni ≤0.25 1.00~1.40 ---
Cr ≤0.25 0.45~0.75 ---
临界温度/℃
Ac1 725 707 725
Ac3 770 750 730
Ar1
（Accm）
690 660 690
Ar3
（Arcm）
720 701 727 Ms 330 340 230
3、保温时间的确定
淬火保温时间是指工件装炉后温度升到淬火加热温度后所需保持的时间，目的是使整个工件淬透，获得所需成分的细奥氏体晶粒；加热时间指工件装炉后到取出所用时间，包括加热时间和保温时间两部分。
由于工件形状、加热氛围不同，
常常采用经验公式确定加热时间，具体加热计算的经验公式见表2。
表2 加热计算的经验公式[4]
加热时间的经验计算式t = α·K·D
t —加热时间（min）
α —加热系数（min / mm）
D —工件的有效厚度或直径（mm）①K—装炉条件修正系数，通常取1~1.5
钢材
加热系数α / min·mm-1
空气电阻炉盐浴炉
碳钢0.9~1.1 25~30
合金钢 1.3~1.6 50~60
①当高度（h）/壁厚（δ）≤1.5时，以h计；当h / δ≥1.5时，以1.5δ计；当h / δ＞7时，以实心圆柱计；空心内圆锥体以外径0.8d计。
回火保温时间的确定：
A、成批工件在井式回火炉中回火保温时间应大于2h，低温回火保温时间应大于3h；
B、硝盐炉回火保温时间应大于45min；
C、快速回火时间的确定应根据工艺试验定；
D、回火炉油炉回火时间大于1.5h。
4、材料热处理后的力学性能
材料经不同的热处理工艺后，力学性能会有所差异。
表3 三种钢正火后的力学性能[5]
钢号正火温度/℃
力学性能HBW
≤σb / MPa σs / MPa δ(%)ψ(%)a K / J·cm-2
45 820~840 670~720 340 15~18 45~50 50 170~240 40CrNi 870 890 600 19.7 57 54 262 T8 760~780 --- --- --- --- --- ---
表4 三种钢退火后的力学性能[6]
钢号退火温度/℃
力学性能HBW
≤σb / MPa σs / MPa δ(%) ψ(%) a K / J·cm-2
45 820~840 532 280 32 49 60 160~200 40CrNi 815 690 425 24.5 51 46 197
T8 740~760 - - - - - 187
表5 三种钢淬火及回火后的硬度[7]
钢号淬火不同温度回火后的硬度HRC 温度/℃硬度HRC 150℃200℃300℃400℃500℃600℃45 840 58~59 58 55 50 41 33 22 40CrNi 840 ＞53 53 50 47 42 33 26 T8 800 62~64 - 58.8 56.8 45 36.9 25.5
5、热处理工艺
45号钢回火马氏体的热处理工艺：
①回火马氏体的定义及组织特征
回火是把淬火钢件加热到低于A1的某一温度，保温一段时间，然后以适当的方式冷却至室温的一种热处理工艺。
在150℃~250℃回火时，片状马氏体将分解成含碳过饱和的α固溶体和与之共格的ε碳化物的两相组织，成为回火马氏体，目的是在保持高强度、高硬度的前提下，降低钢的淬火内应力，减小其脆性。
由于ε碳化物的弥散析出，使得回火马氏体比淬火马氏体易于腐蚀，因而回火马氏体在光学显微镜下呈现暗黑色片状组织。
[8]
②45号钢回火马氏体热处理方案
45号钢件先淬火，再进行回火得回火马氏体。
已知45钢件为碳钢，且钢件尺寸Ф15mm，则取α=1.0 min·mm-1，K=1.3，D=15 mm，淬火时在空气电阻炉中加热时间为t = α·K·D =1.0×1.3×15 =19.5 min。
回火后的保温时间为τ =40 min 具体工艺参数如下表6所示：
表6 45号钢回火马氏体工艺参数
工艺加热温度/℃介质保温时间/min
淬火840 水19.5
回火200 空气40
实验中的具体操作步骤如下：
1、预热箱式电阻炉，使箱内温度稳定至840℃。
2、将45号钢试样放入其中19.5min后取出，迅速投入到水中，冷却至20~40℃后取出空冷。
3、将箱式电阻炉温度调至200℃，放入其中40min后取中后空冷。
4、利用硬度计测出三组试样硬度。
5、磨样，并用4%硝酸酒精处理试样，最后利用金相显微镜观察组织形貌，并用数码照相系统进行拍照。
参考文献
[1]中国机械工程协会热处理学会.热处理手册[M].北京:机械工业出版社,2007:165.
[2]箱式电阻炉百度百科[EB/OL]./link?url=LLsKdz67XHH3fgCMP FMYs7xCCLzelowmUCiLureYHn8IHKa1fMsIc8HL3Um3SnGAkB2z9X5LNuZ5ZCUCNL 2gm.
[3][4][5][6][7]樊东黎,徐跃明,佟晓辉.热处理技术数据手册[M].北京:机械工业出版社,200 6:101~307.
[8]吴成建,陈国良,强文江.金属材料学[M].北京:冶金工业出版社,2012:68~69.。