《热处理实验》报告实验名称金属材料热处理实验学院高等工程师学院专业班级材E152姓名魏学源学号415181202018年6月1日目录一、实验目的 (3)二、实验工艺及原理 (3)1.金属热处理 (3)2.热处理方法及目的 (3)3.热处理后的组织 (4)4.硬度测量原理 (6)三、实验仪器与设备 (6)四、实验步骤及具体操作： (6)1.试样热处理 (6)2.硬度测量 (7)3.显微组织观察 (7)五、实验结果与分析 (8)实验一：45号钢860°C保温30min水淬，400°C回火40分钟空冷显微组织分析 (8)实验二：不同试样不同热处理后组织和性能 (9)1.热处理工艺对试样影响 (10)1.1淬火温度对试样影响 (10)1.2冷却速度对试样的影响 (11)1.3回火工艺对试样影响 (12)2.合金元素对试样影响 (15)2.1合金元素对热处理方法的影响 (15)2.2合金元素对淬硬性的影响 (17)六、结论 (17)七、参考文献 (18)一、实验目的（1）熟悉基本热处理（淬火、回火）的工艺方法；（2）了解基本的金相分析方法（磨样、抛光、观察金相显微镜）；（3）练习使用洛氏硬度计；（4）熟悉和了解不同组织所对应的微观形貌；（5）分析热处理钢种（含碳量，合金成分）以及热处理工艺（热处理加热温度，冷却速度）的对比对材料组织、性能的影响。

二、实验工艺及原理1.金属热处理金属热处理就是在固相状态下，通过温度的变化，即加热—>保温—>冷却的方式，使原有的组织发生固态相变，从而改变原有的相组成以及组织结构等，从而使我们获得所要求性能的一种工艺操作，从而可以充分发挥金属材料的潜力。

常用的热处理手段有：退火，正火，淬火，回火，以及表面处理和形变处理。

2.热处理方法及目的2.1淬火淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。

也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

2.2回火将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度Ac1（加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度）的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。

或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。

一般用于减小或消除淬火钢件中的内应力，或者降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。

淬火后的工件应及时回火，通过淬火和回火的相配合，才可以获得所需的力学性能。

2.3正火将工件加热到适当温度（Ac3或ACcm以上30～50℃）（见钢铁显微组织），保温后在空气中冷却的金属热处理工艺。

主要作用是去除材料的内应力、降低材料的硬度，提高塑性，为接下来加工作准备。

3.热处理后的组织1.淬火组织板条状马氏体（位错马氏体）：低、中碳钢（0.6%以下），低碳合金钢中可以形成该组织，是许多定向平行排列、取向略有差异的板条组成马氏体束，一些接近平行的马氏体束再组成马氏体块的结构，亚结构有大量的位错。

板条马氏体有较低的硬度和较好的韧性。

针状马氏体（孪晶马氏体）：高碳钢（一般需要1%以上，针状马氏体才单独存在）、高碳合金钢可以形成该组织，在显微镜下，针与针之间成一定的角度。

最先形成的马氏体较为粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体加以分割，使以后形成的马氏体片的大小受到限制，因此针状马氏体的大小不一。

同时马氏体一般有一条中脊线，并在马氏体周围有残留奥氏体。

针状马氏体有较高的硬度和比较差的韧性。

残余奥氏体：大约是含碳量大于0.5%的奥氏体淬火时被保留到室温不转变的亚稳的过冷奥氏体，它不易受硝酸酒精的侵蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，没有固定的形态。

3.2回火组织回火马氏体：是低温回火（150-250度）组织。

它保留了原马氏体形态特征。

针状马氏体回火析出了极细的碳化物，容易受到侵蚀，在显微镜下呈黑色针状。

低温回火后马氏体针变黑，而残余奥氏体不变仍呈白亮色。

低温回火后可以消除淬火钢的内应力，增加韧性，同时仍能保证钢的高硬度。

回火屈氏体：是中温回火（350-500度）组织。

回火屈氏体是铁素体与粒状渗碳体组成的极细混合物。

铁素体基本上保持了原马氏体形态，第二相渗碳体则析出在其中，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨。

中温回火后有很好的弹性和一定的韧性。

回火索氏体：是高温回火（500-650度）组织。

回火索氏体是铁素体与较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。

碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶，呈等轴晶粒状。

经充分回火的索氏体已经没有针状的形态。

在大于500倍的光镜下，可以看到渗碳体微粒。

回火索氏体具有较好的综合性能。

4.硬度测量原理硬度测量主要应用洛氏硬度计，包括三个过程，加载—>读数—>卸载，并舍弃第一组数据，然后选择试样二个不同的位置测量二组数据，取其平均值为试样的硬度值以提高测量结果的准确性。

因为第一次打硬度由于氧化铁皮和试验机适应程度问题，第一次实验数据应该舍弃，而且试验中由于洛氏硬度计自身和人为操作具有误差等原因，需要测两组数据求其平均值。

三、实验仪器与设备45号钢、40CrNi、T8圆柱钢试样，高温电阻炉，手磨砂纸，水磨机，抛光机，4%的硝酸酒精溶液，洛氏硬度计，金相显微镜等。

四、实验步骤及具体操作1.试样热处理（1）淬火操作：开启高温炉，将试样放在高温炉内，予以加热，加热时间定为30min。

加热完毕后，试样由炉中取出淬火，动作要迅速，以免试样温度有所下降，影响淬火质量，同时要将试样放在液体的中层，并不断搅动使样品能够淬透。

此外，往炉中放、取试样时必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水，开关炉门要迅速，打开炉门时间不得过长。

（2）回火操作：另选高温炉，将淬火后的试样放在高温炉内，予以回火加热，加热时间定为40min。

待加热完毕后，取出试样，放在实验室的台子上对其进行空冷，等到冷却到是室温时，就可以进行下面实验了。

注意，不可用手摸，要测试试样的温度，可将手靠近，感觉它的辐射热量。

（3）正火操作：开启高温炉，将试样放在高温炉内，予以加热，加热时间定为30min。

加热完毕后，试样由炉中取出，放在耐火砖上空冷，等到冷却到是室温时，就可以进行下面实验了。

注意，不可用手摸，要测试试样的温度，可将手靠近，感觉它的辐射热量。

2.硬度测量（1）砂纸打磨：将回火后的钢样进行打磨，选择一个底面作轻微的打磨，用一道次砂纸去掉氧化皮，磨平即可，另一个底面作为要观察的一面，需要打磨两道次砂纸，保持被侧面平整。

（2）硬度测量：将光亮的一面向上，平置于载物台上；预加载荷，按顺时针方向转动手轮，将试样与压头接触，此时观察到显示面板上有一个指示的箭头，继续旋转，直到显示已满为止，此时等待几秒钟后就会显示硬度值；卸载后，用同样的方法在试样的不同位置上再测二个数据，取平均值。

3.显微组织观察（1）粗磨：打完硬度后，用不同的等级的砂纸逐一打磨，每次打磨要顺着一个方向，当把上一次的痕迹打磨消除后，再换90度方向进行下一个方向的打磨，直到打磨到1000等级的砂纸便可以结束。

（2）精磨：利用实验室的打磨机进行粗磨划痕的消除。

在打磨机上打磨时要注意，每次都要使试样表面的划痕沿着半径方向，和砂纸打磨一样，下一次的要覆盖上一次的打磨痕迹。

（3）抛光：试样在金相样品抛光机上细抛，抛光的时间以肉眼看不到划痕，光亮如镜面就可以停止了。

（4）侵蚀：用棉花球蘸取硝酸液，轻轻擦拭试样表面，等到试样表面变成白灰色时，立即用大量水冲洗，然后用蘸取酒精的棉花球擦拭表面，用滤纸擦拭干净，然后将滤纸放在指定位置。

（5）观察，利用500倍的光学显微镜进行观察，并拍照留图。

五、实验结果与分析实验一：45号钢860°C保温30min水淬，400°C回火40分钟空冷显微组织分析45号钢860°C保温30min水淬，400°C回火40分钟空冷显微组织如图1。

图1 .45号钢860°C水淬并400°C回火空冷显微组织由图1可以看出，45号钢860°C保温30min水淬，然后400°C回火40分钟空冷金相组织为屈氏体和铁素体。

由于回火温度较低，C的扩散速度较低，所以形成的屈氏体片层间距小，即使在高倍显微镜下也无法分辨出片层来。

由于钢种是亚共析钢，所以除了形成索氏体组织之外，还会形成铁素体组织。

45号钢860°C保温30min水淬，然后400°C回火40分钟空冷的硬度为42.2HRC，随着回火温度升高，扩散速度不断增高，固溶在铁素体中的C原子不断扩散析出，致使点阵畸变减小，位错运动摩擦阻力减小，硬度降低。

实验二：不同试样不同热处理后组织和性能在本次试验中，不同试样不同热处理后的洛氏硬度汇总于下表1：表1.实验数据汇总表1.热处理工艺对试样影响1.1淬火温度对试样影响1.1.1淬火温度对试样硬度影响根据表1，以45号钢为例，可得45号钢不同淬火温度下的硬度值如图1所示：图1.试样的硬度随淬火温度的变化由图1可以看出，随着淬火温度的升高，试样硬度先变大后变小。

1.1.2淬火温度对试样组织影响图2. 45号钢在770°C、860°C、1000°C水淬显微组织如图2所示，45号钢在770°C保温30min水淬显微组织为淬火马氏体、过冷奥氏体和铁素体，在860°C保温30min水淬显微组织为细小的淬火马氏体和部分残余奥氏体，在1000°C保温30min水淬显微组织为粗大的淬火马氏体和部分残余奥氏体。

对于45钢而言，它的淬火加热温度应在Ac3以上30～50℃，故淬火温度选860℃可得细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。

若在Ac3以上过高温度如1000℃加热，会使奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体粗大，脆性增大，硬度下降。

若在Ac1～Ac3之间的两相区加热，如770℃加热淬火，高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体，造成硬度不足，力学性能下降。

1.2冷却速度对试样的影响1.2.1冷却速度对试样硬度的影响在本次试验中，水淬、油淬和正火工艺的冷却速度不同，并且冷却速度水淬>油淬>正火，控制钢的材质和温度相同，采用不同的冷却速度，得到钢的硬度如下表2所示。

表2.不同钢种不同冷却速度下试样的硬度由表2可知，无论是45号钢还是T8钢，硬度值大小都是水淬>油淬>正火，这也就意味着，冷却速度越大，钢的硬度越大。