金属热处理原理及工艺实验指导书定稿Word文件下载.docx

1、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（500650）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

2、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，碳钢按工作厚度每 1mm需（11.5）min；合金钢需2min。在盐浴炉保温时间可缩短（120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

3、据 C 曲线，使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定区（650550）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45 860 炉冷空冷油冷水冷水冷 200400600 760 T12 油冷 400 2、将同一加热温度的45钢和T12钢试样

4、，分别放入860 和 760 的炉内加热，保温（1520）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

5、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1 T8钢过冷奥氏体等温转变曲线二、基本原理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

6、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

7、光体，650660左右为索氏体，600550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550350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

8、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350240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24050范围内进行。马氏体实质上是含过饱和碳的-Fe固溶体。2碳钢连续冷却转变后的组织在生产实践中，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

9、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。图2 45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

10、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。可见，空冷过程中的组织转变过程与炉冷的相同。但因V2V1，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

11、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V4Vk，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

12、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五、实验报告要求1

13、.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

14、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25100mm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3040分钟，然后在5秒钟内迅速放在端淬试验机上，

15、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、实验步骤及安排：1将全班同学分成若干小组，每小组34人。2每小组同学取两根试样45和40Cr钢试样各一根。将试样放入钢管与钢板焊成的保护圆筒内，圆筒内底部辅以少量的木炭或生铁屑，然后将试样垂直放入，以防止加热时试样末端氧化脱碳（见图2）3将热处理炉升温至试样的淬火加热温度（两试样的奥氏体化温度均为840860），然后将装好试样的圆筒放

16、入炉内加热，保温3040分钟。4调整端淬试验机，调节水管阀门，使向上喷出的水柱自由高度为655mm，然后将水管阀门关上。另外，需测定端淬试验水槽中水温，应为1030之间。5试样加热好后，迅速移至已调整好的端淬试验机支架上，打开闸水阀门进行喷水冷却。须注意的是，试样自炉内的保护圆筒中取出到喷水开始的时间间隔不得超过5秒钟，喷水冷却时间约10分钟。6淬火冷却后，将试样圆柱表面在砂轮机上磨出45mm宽，约60mm长的小平面（见图4）。以便测定硬度，须注意的是在磨制过程中要使试样不断冷却，以防试样表面回火影响数据的准确性。7在磨好的小平面上涂上划线水，然后用划针沿轴线画一条中心线并每隔1.5mm画上一

17、个刻度。在此线上从末端开始，每隔1.5mm测定一定硬度值，当硬度值下降趋于缓慢时，每隔3mm测定一次硬度值。（注意：在一个试样上至少要在两个小平面上打硬度，然后取对应点的平均硬度值作为实验值）8试验完毕后，整理好所用设备，工具等，关闭水、电源，清扫试验场地。六、实验报告要求1实验目的2实验内容及简述操作过程：3实验用材料及设备型号等情况说明4实验数据处理：（1）画表格测得的硬度值填入表格内：45距水冷端距离（mm）1.54.567.59121518硬度（HRC）40Cr（2）根据实验数据画出端淬曲线七、实验结果分析（1）分析本组实验所做两种材料淬透性的大小，并求出L临值。（2）讨论影响实验结果

18、的因素（炉温、水温、自由水柱高度、出炉到喷水时间等）。（3）粗略估计本实验所做两种材料的淬硬性。（4）观察水冷端金相组织的变化。（5）实验体会、遗留问题、建议等。实验四 钢渗碳后及渗碳淬火后的显微组织分析一、 实验目的1熟悉渗碳及最终热处理后的显微组织特征，以及它们和性能的关系。2掌握渗碳层深度的测定方法。3了解渗碳件常见缺陷的组织特征，形成原因及防止方法。二、 基本原理及方法许多构件（如齿轮、齿轮轴、活塞销等）的工作条件都要求其表面具有较高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，而心部则要求有一定的强度和足够的韧性。低碳钢或低碳合金钢经渗碳和适当的热处理后，可以满足上述要求。因而渗碳是目前机械制造工业

19、中应用最广泛的一种化学热处理方法。1渗碳的基本过程及工艺渗碳是在增碳的活性介质中，将低碳钢或低碳合金钢加热到高温（一般900950），使活性碳原子进入钢的表面，以获得高含碳层的工艺方法。由于碳在奥氏体中的溶解度远大于在铁素体中的溶解度（约相差80倍）且高温扩散速度快，所以一般渗碳是在奥氏体状态下进行。在一定温度下渗碳时，增碳的活性介质首先进行化学分解，析出活性的碳原子。然后，这些活性碳原子吸附在钢件表面；同时，与钢中金属原子产生键合而进入表层并形成间隙固溶体，造成表面碳浓度增大。由于表面和心部存在浓度梯度且表面碳势高，所以发生碳原子的间隙扩散，形成一定厚度的扩散层（即渗层），这就是渗碳的一般过

20、程。2渗碳后的热处理渗碳只能改变渗碳件表面的化学成分，而表面的最终强化则必须经过适当的热处理。根据构件材料和性能要求不同，渗碳后可采用不同热处理工艺方法（图1）。（1）直接淬火对本质细晶粒钢和渗碳层含碳量不高于0.8%（如20CrMnTi钢、20MnB钢、25MnTiB钢）的渗碳件，渗碳后取出淬火，或者随炉降温或出炉予冷到高于Ar1和Ar3温度（760850），然后淬火的方法为直接淬火。淬火后在150200回火23小时（图1）。经回火后的组织表层为片状回火马氏体+残余奥氏体+部分渗碳体。而心部组织因钢的淬透性而异。对于普通低碳钢如15、20钢，心部组织由铁素体和珠光体组成。而对诸如20CrMn

21、Ti等低碳合金钢，心部都由回火低碳马氏体及铁素体组成。（2）一次淬火将本质细晶粒钢和渗碳层含碳量高于0.8%的零件渗碳后空冷或淬火，然后重新加热进行淬火的方法称之为一次淬火。淬火温度的选择要兼顾表面和心部的要求。对于合金渗碳钢，可选稍高于心部AC3的温度（820860）加热，使心部铁素体全部转变为奥氏体，且晶粒细化，淬火后心部强度较高。对碳素钢，选择AC1AC3之间的780810为淬火加热温度，渗层由于再次重结晶而消除了粗大马氏体及网状渗碳体，心部也稍有细化。淬火后表层为较细小高碳马氏体+粒状碳化物，心部为低碳马氏体+少量残余奥氏体。（3）两次淬火将本质粗晶粒钢和渗碳层含碳量高于0.8%的渗碳

22、件缓冷至室温再进行两次淬火（图1）。渗碳后的第一次淬火主要是为了使心部的亚共析原始组织可得到一次重结晶的机会，细化组织，同时可消除表面可能存在的网状渗碳体，故其加热温度选择高于AC3的温度，第二次淬火为细化表层组织。两次淬火工艺较复杂，易出现淬火缺陷，生产周期又长，除使用性能要求很高的渗碳件，基本不采用此工艺。图1 渗碳后常用热处理方法3渗碳及渗碳淬火后的金相组织渗碳时，渗层中碳浓度由表面向里逐渐降低，即形成各种含碳量的奥氏体，直到钢材原始含碳量。低碳钢或低碳合金钢经渗碳后，在缓慢冷却的条件下，渗碳层中将发生与碳浓度相对应的各种平衡组织转变，得到的组织为表层珠光体和少量渗碳体（即过共析层）珠光

23、体（即共析层）珠光体加铁素体（亚共析层或过渡层）心部原始组织。淬火后的组织由表及里为：马氏体+少量渗碳体+残余奥氏体马氏体+残余奥氏体马氏体（心部）低碳马氏体。为了反映出渗碳后的组织及成分变化区域大小（渗碳件最终性能与此密切相关），引入渗碳层深度这个参数，其数值可由许多方法测得，用它作为衡量渗碳效果的尺度。常用的两种标准为：合金渗碳钢一般从表面测量到出现原始组织为渗碳层深度，而碳钢和低碳合金钢一般从表面测量到过渡层一半作为渗碳层深度。以上述标准为据，进行显微组织的测量。4常见的缺陷组织（1）过剩渗碳一般零件特别是工作在交变载荷下的零件，渗碳层浓度应控制在0.81.1%C范围内。但是，渗碳剂浓度

24、（活性）太高或保温时间过长（特别是固体渗碳），渗碳后表面碳浓度可远超过1.1%，导致渗碳层中出现大量断续网状渗碳体，浓度梯度增大，残余奥氏体量增多，造成硬化层变脆，疲劳强度下降，甚至淬裂与渗碳层剥离现象也会发生。（2）渗碳层中大量残余奥氏体渗碳和淬火温度过高，奥氏体中碳及合金元素含量过高，渗碳淬火后渗碳层中将出现粗大马氏体和大量残余奥氏体，以至钢的硬度、强度、耐磨性、弯曲疲劳寿命降低，甚至出现表面麻点。为此需要高温回火后重新加热淬火或冷处理来消除。（3）心部大块游离铁素体渗碳温度高而淬火或保温时间不够，淬火后心部组织为低碳马氏体基本附加大块游离铁素体，大块游离铁素体的存在降低了心部强度并加速疲

25、劳裂纹发展。（4）表面脱碳渗碳后期渗碳剂浓度与活性大幅度降低；炉子漏气或液体渗碳剂中碳酸盐含量过高；固体渗碳后过慢的冷却，冷却时保护不当；渗碳后再淬火加热操作不合理等原因都可能造成表面脱碳。它使得经最终热处理后零件表面硬度不足，严重时表面淬裂。当脱碳深度0.02mm时可用喷丸处理，否则应补渗来消除它。（5）反常组织一般含氧较高的钢（如沸腾钢）固体渗碳后非常缓慢冷却时，渗碳层中出现粗大网状自由铁素体，它们取代了一般情况下的网状碳化物。即使渗碳后再次加热，它们也难于溶解，从而造成淬火软点，大大影响了使用性能，这就是反常组织。（6）黑色组织含硅、锰、铬较高的合金钢，在含少量氧的气氛中渗碳时，这些与氧

26、亲和力大的元素造成渗碳层晶界处“内氧化”。内氧化使渗碳层表面1020微米（m）范围内，晶界附近的合金元素降低，淬火后出现黑色组织。从而导致齿轮初磨耗激增，疲劳强度下降（硬度略有降低）。三、 实验设备和材料1金相显微镜，目镜测微尺，直尺和铅笔等。2渗碳后缓冷的渗碳层金相照片（放大）若干张。3渗碳后淬火的正常及缺陷组织金相试样一组，见附表。四、 实验内容与步骤1渗碳层深度的测量（1）将渗碳后缓冷或非缓冷但经退火（碳钢850，20分钟后空冷；合金钢850860，1520分钟后于620650等温处理，空冷）的试样沿垂直于表面的平面磨光，然后用24%硝酸酒精浸蚀出不同组织。用金相显微镜在100、320、

27、600倍下，观察渗碳层的组织即过共析层共析层亚共析层（过渡层）及心部原始组织，了解各层的组织特点及分界处的特征。（2）按两种衡量渗碳层深度标准，在放大100倍的情况下，借助目镜测微尺测量渗碳层深度。或用钢尺在渗碳层放大照片上测定渗碳层深度。两者结果可对照比较。2用金相显微镜观察和描绘渗碳后直接淬火，一次淬火，二次淬火后试样的渗碳层及心部显微组织特征。3用金相显微镜观察和描绘过剩渗碳，表层大量残余奥氏体，心部大量游离铁素体，反常和黑色组织等缺陷组织的特点。4课堂讨论五、 实验报告要求1用铅笔描绘几个指定的显微组织图。2描绘渗碳缓冷后试样渗碳层组织结构及变化规律，记录所测定的渗碳层深度。3叙述渗碳后热处理工艺对组织和性能的影响。4讨论缺陷组织出现的原因，提出克服和弥补这些缺陷的方法。附表试样代号及名称材料金相组织特征热处理工艺1 渗碳后缓冷20钢过共析共析过渡层心部气体渗碳930，3小时600空冷2 渗碳后直接