金属热处理原理及工艺实验指导书(定稿)-2005

金属热处理原理及工艺实验指导书主编：汤峰刘英中原工学院材料科学与工程教研室2004.6.61目录实验一、钢的热处理实验二、碳钢热处理后显微组织及性能实验三、钢的淬透性及组织分析实验四、钢渗碳后及渗碳淬火后的显微组织分析2实验一钢的热处理一、实验目的1、了解碳钢的普通热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。2、研究冷却条件与钢性能的关系。3、分析淬火及回火温度对钢性能的影响。二、实验原理钢的热处理就是钢在固态下通过加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种操作方法。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，正确地选择加热温度、保温时间和冷却方式，这是热处理质量的保证。1、加热温度（1）退火加热温度亚共析完全退火加热温度是Ac3+(30～50)℃；共析钢和过共析钢的球化退火加热温度是Ac1+(20～30)℃。（2）正火加热温度亚共析钢是Ac3+(30～50)℃；过共析钢是Accm+(30～50)℃。（3）淬火加热温度亚共析钢是Ac3+(30～50)℃；过共析刚是Ac1+(30～50)℃。（4）回火温度钢淬火后要回火。回火分为以下三类：a、低温回火（150℃～250℃）得到的组织为回火马氏体，其目的是降低淬火后的应力，减少钢的脆性。低温回火常用于高碳钢切削刀具、量具和轴承等工件的处理。b、中温回火（350℃～500℃）得到的组织为回火屈氏体。目的是获得高的弹性极限，较好的韧性。主要用于中高碳钢弹簧的热处理。C、高温回火（500℃～650℃）得到的组织为回火索氏体。目的是获得较高的强度、硬度和冲击韧度的综合力学性能。通常把淬火+高温回火称为调质处理。主要用于中碳结构钢要求具有综合力学性能机械零件的热处理。各种钢回火温度与硬度值之间的关系可从有关手册中查阅，也可采用以下经验公式估算回火温度。T（℃）=200+K（60-HRC）式中K-系数，当回火后的硬度值30HRC时，K=11；30HRC时，K=12。HRC-所求的硬度值。2、保温时间为了使奥氏体成分均匀化、工件各部分温度一致，必须在淬火加热温度下保温一定时间。通常将工件升温和保温的时间称为加热时间。热处理的加热时间与工件的尺寸形状、加热设备及装炉量、装炉温度、钢的成分和原始组织等有关，具体的加热时间可从手册中查阅。实际工作中多根据经验估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，碳钢按工作3厚度每1mm需（1～1.5）min；合金钢需2min。在盐浴炉保温时间可缩短（1～20倍）。3、冷却方法退火一般采用随炉冷却。正火多采用空冷。淬火冷却是关键工序，它直接影响钢淬火后的组织和性能。一方面冷却速度要大于临界冷却速度Vk，以保证获得马氏体组织。另一方面，在保证获得马氏体组织的前提下又要尽量减缓冷却速度，以减少内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线，使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定区（650℃～550℃）快冷，而在较低的温度（300℃～100℃）冷却速度尽可能小些。为了保证淬火效果，应合理选用冷却介质（如水、油等）和冷却方法（如双介质淬火、分级淬火等）。三、实验步骤1、按表16-3所列工艺条件进行各种热处理操作。全班分两组，每组一套试样（45钢试样8块、T12试样8块）。炉冷试样由实验室事先处理好。钢号热处理工艺硬度值HRC或HRB换算为HBS或HV加热温度℃冷却方式回火温度℃123平均45860炉冷空冷油冷水冷水冷200水冷400水冷600760水冷T12760炉冷空冷油冷水冷水冷200水冷400水冷6004860水冷2、将同一加热温度的45钢和T12钢试样，分别放入860℃和760℃的炉内加热，保温（15～20）min后，分头进行水冷、油冷或空冷的热处理操作。3、从两种加热温度的水冷试样中各取出三块45钢和T12钢试样，分别放入200℃、400℃、600℃的炉内进行回火，回火保温时间为30min。4、淬火时，试样用钳子夹好，出炉、入水迅速，并不断在水中或油中搅动，以保证热处理质量。5、热处理后的试样用砂纸磨去两端面氧化皮，然后测定硬度（HRB或HRC）。每个试样取三点，取平均值，并将数值填于表内。6、每个同学必须抄下全班实验数据，以便独立分析。四、实验报告1、写出实验的目的及简要的实验原理。2、列出全套硬度数据，并将HRC、HRB值查表换算为HBS、HV值填入表中。3、预计各种热处理后组织，并填入表中。4、分析加热温度、冷却速度对钢性能的影响。5、绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线。6、分析实验中存在的问题。实验二碳钢热处理后显微组织及性能5一、实验目的1.熟悉C曲线的应用，培养应用冷却曲线来分析组织转变的基本能力。2.分析等温转变和连续冷却转变的组织特征及分布、形态。3.观察马氏体组织的形态特征，了解钢中含碳量对淬火后马氏体组织形态的影响规律。时间（秒）图1T8钢过冷奥氏体等温转变曲线二、基本原理6铁碳合金相图只能反映钢在平衡状态下显微组织的变化规律，不能反映钢在不平衡状态下显微组织的变化规律。钢在加热过程中的组织变化规律可根据铁碳合金相图来确定，但在一定冷速冷却过程的组织变化规律必须由C曲线来确定。1．碳钢等温转变后的组织每一种钢都有其特有的C曲线。T8钢的C曲线示于图1。有关C曲线的基本知识同学们看一下课本，此处不再重复。根据过冷奥氏体在不同温度等温转变后的组织特征，可将C曲线划分为珠光体相变（高温）、贝氏体相变（中温）、马氏体相变（低温）等三个区域。（1）珠光体转变区域从A1到550℃温度范围内，奥氏体分解为片状铁素体和片状渗碳体的机械混合物，成为片层状组织。转变温度越低，形成的铁素体和渗碳体越细。按片层的粗细分别称为珠光体、索氏体（细珠光体）和屈氏体（极细珠光体）。对T8钢而言，大致从A1到650℃形成珠光体，650℃～660℃左右为索氏体，600℃～550℃左右为屈氏体。珠光体可在金相显微镜下观察到其片层状组织，而索氏体的片层在高倍金相显微镜下才能分辨，至于屈氏体中的两相则需在电子显微镜下才能清晰地观察到，在一般的金相显微镜下难以分辨，呈黑色团状组织。珠光体、索氏体和屈氏体都是铁素体和渗碳体的片层状混合物，差别仅在于片层粗细不同。片层越细，硬度越高。这三种组织统称为珠光体型组织。（2）贝氏体转变区域从C曲线鼻尖相应的温度至马氏体点的温度范围内，过冷奥氏体发生贝氏体转变。按形态不同，将贝氏体分为上贝氏体与下贝氏体。T8钢的上贝氏体约550℃～350℃温度范围内形成，当转变量不多时，可以在光学显微镜下观察到成束的自晶界向晶内生长的铁素体条，具有羽毛状特征，但看不出条间的渗碳体，在电子显微镜下，可清楚地看到上贝氏体中铁素体与渗碳体两个相。T8钢的下贝氏约在350℃～240℃内形成，典型的下贝氏体是片状铁素体与在其内部沉淀的碳化物的组织，在光学显微镜下，当转变量不多时，由于下贝氏体易受浸蚀，呈黑色针状或竹叶状形态。（3）马氏体转变区域在马氏体转变开始点Ms与马氏体转变终了点Mf之间发生马氏体转变。T8钢的马氏体转变约在240℃～50℃范围内进行。马氏体实质上是含过饱和碳的α-Fe固溶体。2．碳钢连续冷却转变后的组织7在生产实践中，奥氏体大多是在连续冷却中转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线图（又称CCT图）。但由于连续冷却转变曲线的测定比较困难，而目前等温转变曲线的资料又很多，因而常常参考等温转变曲线图来分析过冷奥氏体在连续冷却条件下的相变过程。现以45钢为例加以说明。将45钢加热到880℃并保温一段时间后，分别进行炉冷（退火）、空冷（正火）、油冷和水冷（淬火），其冷却速度分别相当于图2中的V1、V2、V3和V4。时间（秒）图245钢过冷奥氏体等温转变曲线当试样以速度V1冷却（即炉冷）时，当V1线与铁素体析出线相交时，在母相奥氏体晶界处析出铁素体晶核，进而形成铁素体晶粒。当V1线和珠光体转变开始线相交时，铁素体转变终止而珠光体转变开始。继续冷却，剩余的奥氏体转变为珠光体，直至V1线与珠光体转变终了线相交时，珠光体转变结束。最终的转变产物为铁素体+珠光体。当试样以速度V2冷却（空冷）时，铁素体在较低温度下析出。铁素体析出终止后开始珠光体转变。当V2线与珠光体转变终了线相交时，珠光体转变结束。最终的转变产物为铁素体+珠光体。可见，空冷过程中的组织转变过程与炉冷的相同。8但因V2＞V1，因而空冷的组织转变是在较低的温度下进行的。当试样以V3的速度冷却（油冷）时，试样在经过了铁素体转变区、珠光体转变区以及贝氏体转变区后，进入马氏体转变区。由于V3线未与珠光体转变终了线及贝氏体转变终了线相交，因而试样在冷至Ms点时尚有部分过冷奥氏体存在，这部分奥氏体在冷至Ms点后开始转变为马氏体。同时，由于奥氏体是在较低温度下进入珠光体转变区的，因而转变产物为极细珠光体（即屈氏体）。最终的转变产物为：铁素体+屈氏体+贝氏体+马氏体。Vk表示淬火试样得到全部马氏体组织的最小冷却速度，即所谓临界冷却速度。由于V4＞Vk，因而，当试样以速度V4冷却（水冷）时，得到全部马氏体组织。应当指出：利用等温转变图来分析连续冷却时奥氏体的转变过程，只能进行定性的、粗略的估计，因而仅仅具有参考意义。3．不同含碳量的马氏体组织形态钢中的马氏体组织形态一般分为板条状马氏体与片状马氏体。前者在光学显微镜下表现为一束束接近平行的细条状，每束内的板条以小角度晶界分开，束与束之间有较大的位向差。后者在光学显微镜下为竹叶状（片的截面），片与片之间以一定角度相交。大量实验结果证明：钢中含碳量对马氏体组织形态有着决定性的影响。钢中含碳量越高，板条状马氏体越少，片状马氏体越多。一般来说，含碳量小于0.2%的钢淬火后几乎得到100%的板条状马氏体；含碳量在0.2%～0.4%之间，则以板条状马氏体为主（约占80%）；含碳在0.4%～0.8%之间时，得到板条状马氏体+片状马氏体混合组织；含碳量大于1%时，几乎得到100%的片状马氏体组织。三、实验设备及材料1.箱式电阻炉。2.电位差计。3.淬火水池、火钳、金相砂纸。4.秒表、金相显微镜。5.45钢、T12钢试样若干。四、实验内容1.在金相显微镜下观察45钢、T12钢不同热处理工艺下的显微组织。2.画出几种典型的显微组织图9五、实验报告要求1.写出实验目的2.划出几种典型的显微组织图3.分析45钢在不同冷却速度下的组织转变过程。4.分析不同含碳量的钢中马氏体形态的异同点及变化规律。实验三钢的淬透性及组织分析10一、实验目的1．掌握用末端淬火法（简称端淬法）测定钢的淬透性的方法。2．了解实验原理，进一步理解淬透性概念。3．比较45钢和40Cr钢的淬透性。二、概述淬透性是钢材的一种热处理工艺性能，所谓钢的淬透性就是指钢在淬火时能够得到淬硬层深度的能力，通常用淬透性曲线来表示，在试样大小、在冷却条件相同的条件下，钢的淬硬层越深，表明淬透性越好。在机械工业中，钢的淬透性已成为机械设计时合理地选择钢材和生产上正确地制定热处理工艺的主要依据之一。淬透性的判定标准通常规定由钢的表面向里深入到半马氏体区的距离作为硬化层深度，并以这个深度作为衡量淬透性的标准，半马氏体的硬度取决于钢的含碳量。三、末端淬火法简介1．适用范围：末端淬火法主要用于优质结构钢、弹簧钢、轴承钢及合金工具钢的淬透性，但对于淬透性很低或很高的钢都不适用，可参见国标GB227-63。2．测定方法：国标GB225-63规定了端淬试样尺寸及试验原理。试样尺寸为Φ25×100mm的试棒（见图1），试验时将试样按该钢种标准奥氏体化条件加热（注意防止氧化脱碳），工件放入保护套中加热，保护套如图2（其中1为试样、2为钢管、3为钢板、4为焊缝、5为木炭）。保温30～40分钟，然后在5秒钟内迅速放在端淬试验机上，从下端喷水冷却。待试样全部冷却后，从末端开始每隔1.5mm测定一次洛氏硬度值，由此结果可绘制出端淬曲线（见图3）。四、实验内容及设备1．用端淬法测定45钢和40Cr钢的淬透性并进行比较。2．所用设备：箱式电阻炉，自制的端淬试验机，秒表，温度计，砂轮机，洛氏硬度计。五、实验步