《热处理工艺学》实验指导书

《热处理工艺学》实验指导书《热处理工艺学》实验指导书1实验一钢的淬透性（2课时）一、实验目的1．熟悉用顶端淬火法测定钢的淬透性；2．确定实验用钢的临界淬透直径；3．比较碳钢与合金钢的淬透性。二、实验原理淬透性是指钢在一定的冷却条件下淬火时获得马氏体组织的能力，通常用淬透性曲线图来表示。淬透性大小是钢的一种重要技术性能，它是设计机械零件的一项重要数据，因此几乎大部分钢种均要进行淬透性的测定。测定钢的淬透性方法很多，有顶端淬火法、断口检验法、U曲线法、临界直径法及计算法等。目前国内外广泛应用的是顶端淬火法。顶端淬火法比较简便，适用范围较广，通常用于结构钢淬透性的测定，也可用于弹簧钢、轴承钢及合金工具钢等。我国国家标准中规定的两个淬透性检验方法为：GB227-63碳素工具钢淬透性试验法，GB225-63结构钢顶端淬透性试验法。本次实验课只做顶端淬透性试验。顶端淬透性试验法：顶端淬透性试验法是将一圆柱形标准试样加热到淬火温度，然后在试样的一个端面喷水淬火，故称为顶端淬火法。喷水端冷却速度最大，随着距喷水端距离的增加，冷却速度逐渐减小。由于冷却速度不同，试样的不同部位转变为不同的组织。不同的组织反映出性能上的差异；测出沿试样长度方向硬度值的变化，根据硬度值绘成的曲线即为淬透性曲线。具体试验方法如下：1．试样——标准试样尺寸为直径25mm，长度100mm的圆柱形试样；2．加热——加热是在温度均匀的电炉中进行，40钢加热温度830-850℃，40Cr钢加热温度840-860℃。保温时间30~50分钟。为保持试样表面不发生脱碳及氧化，试样通常是装进保护盒子内再放入加热炉中进行加热的，试样周围填充铁屑及木炭，末端处可铺放少量的石墨粉。按保护盒的大小应适当增长保温时间，以保证试样本身仍能有足够的保温时间。3．顶端淬火——淬火是在特制的淬火器上进行的。喷水口的内径为12.5mm，试样末端与喷水口的距离为12.5mm。淬火前将喷水柱的自由高度调节到65±10mm，调整后，用玻璃板将喷水柱盖住，如试样架上有水应檫干；准备好后将试样由炉中取出放入淬火支架上，立即抽掉玻璃板开始往试样喷水淬火。试样从炉中取出到开始喷水这段时间不得超过5秒。整个喷水过程试样处于静止的空气中，注意不要有水溅到试样侧面，喷水时间为10~12分钟，然后将试样取出放入水中冷却。4．磨制试样——淬火后的试样在圆柱表面相对180°的两个侧面各磨出一个平面（磨掉约0.2~0.5mm深度），两个平面相互平行。注意磨制过程要求水冷以防止发生回火现象。5．硬度测定——用洛氏硬度计沿磨面的中心线测量硬度值，由距末端1.5mm处测起，每隔1.5mm测一点。当硬度值下降趋于平稳时，可每隔3mm测一次，直到硬度值不再下降为止。6．绘图——将两个面上测得的硬度值取平均值，画在纵坐标为硬度（HRC）横坐标为距末端距离的图中。这种图称为末端淬火硬度曲线图，常简称为淬透性曲线。由于一个钢种不同炉次冶炼在化学成分、晶粒大小等方面都不会完全相同，因此硬度值也会有点波动，故一种牌号的钢淬透性曲线呈带状。根据国家标准GB225-63规定，表示钢的淬透性数值的方法是用dHRCJ来表示，J表示末端淬透性试验，d表示距试样末端的距离，而HRC是指d处所测得的硬度值。例如某钢种的淬透性值542J，即表示此钢种末端淬火试样距末端5mm处的硬度值为HRC42。《热处理工艺学》实验指导书2我国各种钢的淬透性曲线均已测出，使用时可查阅有关手册（淬透性手册、热处理手册、合金钢手册及机械工程手册有关部分等）。三、实验器材与设备设备——箱式电阻炉、顶端淬火器、洛氏硬度计、台式砂轮机。器材——铁钳、铁盒、手套、钢笔尺。试样——40、40Cr钢顶端淬火试样。四、实验组织1．全班分组，分别测定40、40Cr其中一种钢的淬透性。2．汇集本大组的实验数据，绘制两个钢种的顶端淬火硬度曲线即淬透性曲线。3．负责淬火操作的同学事先要进行操作演练，试样转移时间不超过5秒。4．测硬度前，在试样侧面上先涂上粉笔，在用铅笔、直尺画刻度线。5．负责测硬度的同学，在上硬度计操作之前，先听硬度计操作要领的讲课。五、实验报告要求1．写出实验目的。2．列出二个钢种的硬度实验数据纪录表。3．根据实验所得的硬度数据，用坐标纸绘制出试验用钢的淬透性曲线。4．依据绘制的淬透性曲线，并借助教材中的有关曲线图，估计出实验用钢在水中及油中淬火时的临界直径。实验二普通钢的热处理（4课时）2.1实验目的1．了解钢普通热处理(退火、正火、淬火、回火)的操作方法。分析钢在热处理时含碳量、加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对钢热处理后组织与性能的影响。2、了解金属材料的硬度试验方法。2.2实验概述热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变金属材料的性能，其中包括使用性能及工艺性能。热处理之所以能使金属材料的性能发生显著变化，主要是由于金属材料的内部组织结构可以发生一系列的变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使金属材料得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。钢的热处理工艺过程是:将钢加热到一定的温度，经一段时间的保温，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。1．钢的热处理（1）钢的退火钢的退火通常是把钢加热到临界温度AC1或AC3线以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解，从而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢(如40、45钢)经退火后消除了残余应力，组织稳定，硬度较低(HB180～220)有利于下一步进行切削加工。图2-1是以45钢为例的退火工艺曲线：《热处理工艺学》实验指导书3(a)普通退火工艺曲线(b)二段式退火工艺曲线图2-145钢的退火工艺曲线保温时间的经验公式：τ=KD(2-1)(单位为min,式中,K为加热系数,一般K=1.5∽2.0mm/min,若装炉量大，则可延长保温时间；D为工件有效厚度,单位为mm)。操作步骤如下：入炉→保温→出炉→炉冷退火硬度要求：45，≤197HB；T8，≤180HB。（2）钢的正火钢的正火通常是把钢加热到临界温度AC3或ACCM线以上，保温一段时间，然后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。对于低碳钢来说，正火后提高硬度，可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作好组织准备。图2-2是以45钢为例的正火工艺曲线：图2-245钢的普通正火工艺曲线保温时间的经验公式参见式（2-1）。操作步骤如下：入炉→保温→出炉→空冷正火硬度分析：45，≤241HB；T8，241-302HB。(3)钢的淬火钢的淬火通常是把钢加热到临界温度AC1或AC3线以上，保温一段时间，然后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷＞V临)，以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。图2-3是以45钢为例的淬火工艺曲线：(a)普通淬火工艺曲线(b)等温淬火工艺曲线图2-345钢的淬火工艺曲线保温时间的经验公式参见式（2-1）。《热处理工艺学》实验指导书4操作步骤如下：入炉→保温→出炉→油冷（或水冷）淬火硬度分析如表（2-1）所示。表（2-1）淬火硬度分析材料淬火温度洛氏硬度（HRA）4545840约为57T878062~63(4)钢的回火钢的回火通常是把淬火钢重新加热至AC1线以下的一定温度，经过适当时间的保温后，冷却到室温的一种热处理工艺。由于钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工则往往会出现龟裂，甚至开裂。一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化从而失去精度。因此，淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得各种不同的性能。图2-4是以45钢为例的回火工艺曲线。图2-445钢的回火工艺曲线保温时间的经验公式参见式（2-1）。操作步骤如下：入炉→保温→出炉→水冷（或空冷）。回火硬度分析：①650℃回火硬度值如表（2-2）所示。表（2-2）650℃回火硬度值材料回火温度性能45650℃≤300HBT8650℃23-25HRC②淬火后系列回火温度对应硬度值如表（2-3）所示。表（2-3）淬火后系列回火温度对应硬度值2.碳钢的普通热处理工艺(1)加热温度碳钢普通热处理的加热温度，原则上取加热到临界温度AC1或AC3线以上30～50℃。但生产中应根据工件实际情况作适当调整。热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大、氧化、脱碳、变形、开裂等倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求。(2)加热时间热处理的加热时间(包括升温与保温时间)与钢的成分、原始组织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等许多因素有关。因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。在实验室中，一般按照经验公式加以估算。回火的保温时间，要保证工件热透并使组织充分转变。组织转变时间一般不大于0.5h，但热透时间则随回火温度、工件有效厚度、装炉量及加热方式而异。生产中，材料45T8150℃64HRC200℃50-55HRC60HRC320℃45-50HRC48HRC360℃40-45HRC420℃35-40HRC42HRC480℃30-35HRC36HRC550℃25-30HRC31HRC600℃20-25HRC27HRC《热处理工艺学》实验指导书5一般为1～3h。由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为30min。(3)冷却方法①退火冷却方式：钢退火时，一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷。②正火冷却方式：钢正火时，一般采用在空气中冷却。③淬火冷却方式：钢淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内(650～550℃)的冷却速度应大于临界冷却速度，从而保证工件不转变为珠光体型组织；而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低，从而降低淬火内应力，减少工件变形与开裂。因此，淬火时，除了要选用合适的淬火冷却介质外，还应改进淬火方法。对形状简单的工件，常采用简易的单液淬火法，如碳钢用水或盐水液作冷却介质，合金钢常用油作冷却介质。④回火冷却方式：碳钢回火时，一般采用在空气中冷却。3.碳钢含碳量对淬火后硬度的影响在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。低碳钢淬火后，硬度一般在40HRC左右；中碳钢淬火后，硬度可达50～62HRC；高碳钢淬火后，硬度高达62～65HRC。4.不同的回火温度对碳钢硬度的影响淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化，这必然会使其机械性能发生相应的变化。淬火钢的回火，实质上是一个软化过程，性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性提高。2.3实验设备及材料(1)实验用的箱式电阻加热炉(附测温控温装置)。(2)洛氏硬度计。(3)冷却剂：水；10号机油(使用温度约20℃)。(4)实验试样：45钢(7块)；T8钢(3块)；2.4实验内容与步骤学生分3个小组，按组领取实验试样，并打上钢号，以免混淆。(1)一组学生将4块45钢试样加热到820～840℃，保温15min然后分别进行空冷、油冷、水冷和炉冷（随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷）。其后，分别测定它们的硬度，并做好记录。（2）一组学生将3块45钢试样加热到820～840℃，保温15min后水冷，然后再分别放入200℃、400℃、600℃的电炉中回火30分钟。回火后一般可采用空冷。其后，分别测定回火后试样的硬度，并做好记录。（3）一组学生将3块T8钢试样加热到770℃，保温15min后水冷，然后再分别放入200℃、400℃、600℃的电炉中回火30分钟。回火后一般可采用空冷。其后，分别测定回火后试样的硬度，并做好记录。2.5注意事项(1)学生在实验中要有所分工，各负其责。(2)淬火冷却时，试样要用夹钳夹紧，动作要迅速，并要在冷却介质中不断搅动。夹钳不要夹在测定硬度的表面上，以免影响硬度值。(3)测定硬度前必须用砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。对每个试样应在不同部位测定3次硬度，