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+ （30~50C）；
球化退火加热温度，适用于共析钢和过共析钢，Ac i+ (30~50C)
(2)正火加热温度：对亚共析钢是AC3+ (30~50C)；过共析钢是Ac cm+
(30~50C),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。

图2-1退火与正火的加热温度
(3)淬火加热温度：对亚共析钢是AC3+ (30~50°C)；对共析钢和过共析钢是Ac i+ (30~50C),见图2-2。

钢的临界温度Ac i、AC3及AC cm，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A i、A3及Ac m点的温度再加上10~20C即近似Ac i、AC3及Ac cm，然后再计算热处理温度。

表
是各种碳钢的临界温度。

1200- A A cm
1100
1000L
900
:沌/
度800 A 3 2
-\ /A+ Fe C3 口
F+ A■V' + AW "“nr _r — -
7001
■/ 1
A 1
60011
一・1
00.8 1.6 2.4
W(C)%
图2-2 淬火加热温度范围
(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
150~250C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350~500C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~~650C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650E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)
2-1
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500C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NaCI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。

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
3 •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20~30C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HRA>2.5mm; HRC>2.5mm； HRB>4mm。

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。