金属材料及热处理实验报告Word文档格式.docx
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临界点℃
退火
正火
淬火
A
加热温度℃
冷却方式
35
７24
８０2
850-880
炉冷
850-８９０
空冷
8５0-890
水或盐水
45
724
7８０
８２０-８40
830-880
8２0－850
T７-T12
750-7７0
7８0-８00
水或油
Ｔ8A
７３0
7３0
7４０-7６0
760-7８0
７５0-780
水、硝盐、碱浴
Ｔ10A
73０
８00
750－7７0
80０-850
760－7９0
T12A
730
820
750－77０
85０－870
760-79０
a．低温回火在１50—25０℃的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体,硬度约为ＨRC60。
其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。
低温回火常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承件。
b．中温回火在３50—500℃的回火称为中温回火,所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRＣ40—４8。
其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。
主要用于含碳0.５—0.8%的弹簧钢热处理。
c．高温回火 在50０—6５0℃的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体,硬度约为HＲＣ25—35。
其目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好冲击韧性的综合机械性能。
所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。
2.保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度约达到指定温度,并完成组织转变,使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定的时间。
通常将工件升温和保温所需时间算在一起,统称为加热时间。
热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状,使用的加热设备及装炉量,装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织,热处理的要求和目的等等。
1）退火、正火保温时间 实际工作中多根据经验大致估算加热时间。
一般规定，在空气介质中,升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度或直径每毫米需一分钟到一分半钟估算；
合金钢按每毫米二分钟估算。
在盐浴炉中,保温时间则可缩短１—2倍。
2）淬火加热保温时间按下列经验公式估算:
式中t—保温时间（min）；
α—加热系数（miｎ／ｍm）（见表2．2）；
K—工件装炉方式修正系数（一般K= １～1．5）；
H—工件有效厚度（mm）（尺寸最小部位）。
表2．2 加热系数α（ｍin/ｍm）
加热温度
及炉型
材料
<
600℃
箱式炉预热
>
７５0℃~9０0℃
盐浴加热
或预热
8０0℃~9００℃
箱式或井
式炉加热
１100℃～130０℃
高温盐浴
炉加热
碳钢
直径<
５00ｍm
直径>
５００ｍm
0.3~0.4
０．4~０.４５
1.0~1.2
1.2～1.５
合金钢
直径＜５0mm
5０mm
0.４5～0.5
０.5～0.55
1.2~1.５
1．５~1．８
高合金钢
1~１.5
０.３5~0.5
0.１７～0.2５
高速钢
０．3~0.5
0．14~０.25
3）回火时间回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。
回火时间一般为１~3h,可参考经验公式加以确定：
式中ｔ—回火保温时间（min）;
D—工件有效厚度（ｍm）;
b—附加时间，一般为１０~20min；
α—加热系数（箱式电炉取２~２.5mｉn/mｍ）。
3.冷却方法
热处理时的冷却方式要适当,才能获得所要求的组织和性能。
退火一般采用随炉冷却。
正火（常化）采用空气冷却,大件可采用吹风冷却。
淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度,以保证全部得到马氏体组织；
另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力,避免变形和开裂。
为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法,使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（650—550℃）快冷，超过临界冷却速度，而在Ｍｓ（3００—100℃）点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度如图2.3所示。
常用淬火方法有单液淬火、双液淬火（先水冷后油冷）、分级淬火、等温淬火，如图2.４所示。
表2.3中列出了几种常用淬火介质的冷却能力。
图２．3淬火时的理想冷却曲线示意图图２.４各种淬火冷却曲线示意图
表2.3几种常用淬火剂的冷却能力
冷却介质
冷却速度℃／s
冷却速度℃／ｓ
650—550℃区间
30０—２00℃区间
6５0—55０℃区间
300—200℃区间
水（１8℃）
６0０
2７0
10%NaCl水溶液
1100
3０0
水（２6℃）
500
270
１0%NaOH水溶液
12０0
30０
水（50℃）
100
27０
10%Nａ2CO３水溶液
２70
水（74℃）
30
２00
1０%Na2ＳO4水溶液
7５0
３0０
肥皂水
３0
２００
矿物油
1５0
10%油水乳化液
70
2００
变压器油
１2０
２５
三、实验材料与设备
1.实验材料
试样：
直径φ15mm,高度15ｍm的45钢圆柱状小试样，化学成分见表３.１
Ｃ
Sｉ
Mn
Cr
Ni
S
P
Cu
不大于
0．４２～０.５0
0.17~0.3７
0.5０~0．80
≤0.25
≤０.30
0.03５
0.035
０.2５
表3.
１ ４5钢化学成分表
2.实验设备
1）热处理加热炉:
箱式电阻炉（≤13０0℃）２台,箱型电阻炉（≤900℃）５台；
2）ＨR-１50０洛式硬度计（洛氏硬度C标尺）；
3）金相显微镜及数码照相系统磨光机及金相砂纸;
4）抛光机及抛光液；
5）浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等;
四、实验步骤
利用箱式电阻炉、洛式硬度计、金相显微镜对45钢样品进行热处理（淬火加300℃回火）、测硬度以及显微组织观察分析。
本实验以得到马氏体为目标，需要经过淬火加回火工艺获得良好的性能及符合要求的组织。
1试样的热处理
1.1淬火
1）加热温度根据本实验热处理的目的和图2.2、表２.1,本实验选择淬火加热温度为86０℃
2）保温时间本45号钢样品直径为φ15mｍ的小圆柱体，高度与直径相差不大。
所以不单独考虑升温时间，α取2min／ｍm,k取1。
根据实验原理中的式子
，计算得加热时间为３0mｉn。
3）冷却介质 由45钢的连续冷却转变曲线可知,碳钢的临界冷却速度很大，应选用具有较强冷却能力（见表４.1常用冷却介质的冷却直径）的水作为冷却介质，才能避免冷却曲线与C曲线相交，得到马氏体组织。
已查得45钢淬火临界直径如表４.1所示，选择水作为淬火冷却介质能保证φ15mｍ圆柱样品被淬透。
淬火介质
静油
20℃水
40℃水
２０℃５%NａCl 水溶液
临界直径（mm）
1０
20
16
２１．5
表４．１ 常用冷却介质的冷却直径
具体操作:
把样品放入箱式电阻炉（型号SRJX-4-１3）内恒温区的耐火砖上，调节加热温度，待测温仪显示为86０℃时开始计时,保温30min后，用火钳夹出样品迅速放入冷水槽中并剧烈搅拌，使样品能淬透。
1.2回火
1）加热温度 实验要求的回火加热温度为300℃（但是通过查阅资料发现,钢淬火后在300℃左右回火时,易产生不可逆回火脆性,为避免它，一般不在250~3５0℃范围内回火。
）
2）保温时间 由公式
确定,查得3００℃以下,箱式电阻炉b=2５min，α＝1mｉｎ／mm，样品D=15mm,将数据代入得到回火保温时间t为40min。
3）冷却介质 空气,进行空冷。
把经过淬火处理后的样品放入已调好温度的300℃箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上,待使炉温稳定后开始计时，保温４0mｉn后，用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。
2试样硬度测定
将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨,去掉表面氧化皮。
用60＃砂纸将试样表面磨平,再依次使用15０#、240＃、400#、600＃、８0０＃砂纸打磨。
然后,将样品放在洛式硬度计的载物台上，采用洛式硬度C标尺测量样品硬度（硬度计压头为金刚石，量程20~7０HRC，加载载荷为１5０kg）。
在试样上不同位置取四个点，第一个点不计入数据,后三个点计入数据,若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀,最后对三个测量值求平均值。
3显微组织观察与拍照记录
3.1样品的制备
1）样品的磨光。
用一套金相砂纸（包括6０#,１50#，24０#，４00#，60０#，８00＃）在玻璃板上先粗后细逐号磨光。
注意每换上一号细一些的砂纸时,将磨光方向转换90°
，以便于观察原磨痕的消除情况。
最后，将样品在磨光机上用12０0#砂纸磨光，注意手持样品应用力均匀,用力也不宜过大。
2）样品的抛光。
样品在金相样品抛光机上细抛,使样品表面达到光亮如镜的光洁度。
3）显微组织的显示。
将抛光好的样品，直接在显微镜下观察，应基本上没有磨痕和磨坑,而无法观察到晶界、各类相和组织。
本实验采用化学浸蚀法，将浸蚀液（4%硝酸酒精）和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中，用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试，当光亮镜面呈浅灰白色,立即用水冲洗，并用酒精擦洗后经吸水纸吸干。
3.2显微组织的观察与记录
制备好的样品用显微镜在40～4０0倍不同放大倍数下观察组织,体会放大倍数的不同对组织观察的影响。
选择合适的放大倍数（500倍）利用数码照相系统对4５钢样品进行数码照相。
五、实验结果与分析
1.样品硬度与显微组织分析
４5钢300℃回火马氏体组织如图5.1所示。
回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色板条状组织，从图中可看出样品浸蚀效果较好,条片状马氏体组织清晰。
图5.1 4５钢3０0℃回火的显微组织
测得该样品硬度为50.9HRC。
根据其硬度和微观组织形貌可以判断,生成了回火屈氏体。
因此,实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织,且硬度实验值也与手册符合得较好。
2.淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响
以下以45钢为例,结合实验小组其他成员样品热处理工艺的显微组织和硬度测量值（表5.1 ４５钢不同处理工艺后硬度）,分析淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响。
显微组织
粗晶马氏体
细晶马氏体
铁素体+马氏体
屈氏体网+马氏体
硬度/HRC
５５.4
５０．9
52.８
２2.3（样品有误）
24．７
21.３
拟用工艺
１000℃、
30ｍｉn、水冷
860℃、
30min、水冷
７７0℃、
30mｉn、水冷
３0min、油冷
表5.14５钢不同处理工艺后硬度测量值
２.１ 淬火温度的影响
45钢的淬火加热温度应在Aｃ３以上３0～50℃，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,粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。
若在Ac1 ～Ａc3之间的两相区加热,如7７0℃淬火后，高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体，造成硬度不足（见表5.2）,力学性能降低。
2．2淬火介质的影响
常用淬火介质及其冷却能力如表 5.2常用淬火介质及其冷却能力所示,可知水具有较大的冷却能力，但在低温区冷却速度太快，工件容易淬裂,另外水冷却能力对温度变化敏感,水温升高,冷却能力急剧下降。
油全程冷却速度均比水小,在低温区冷却速度合适,但在高温区冷却能力却很低。
冷却速度（℃/s）
在 650~55０℃区间
在300～200℃区间
水（18℃）
6０0
2７0
水（2６℃）
５00
270
１00
27０
矿质机油
１０0
2０
表5.2常用淬火介质及其冷却能力
碳钢的临界冷却速度大，一般采用冷却能力较强的淬火介质如水，才能得到全部为马氏体的显微组织。
若选用油作为淬火介质，由于其冷却速度小,冷却曲线会与CCＴ曲线“鼻尖”处相交,转变过程得到小部分屈氏体组织，因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出,并连成网状结构,室温下得到屈氏体网＋马氏体显微组织,使强度降低，硬度明显下降（见表５.1 45钢不同处理工艺后硬度测量值）。
3.回火温度对钢组织与性能的影响
3.1.回火温度对45钢组织的影响
钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体，都是亚稳相。
一旦进行加热,原子扩散能力加强,会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。
随回火温度升高，转变大致分为五个阶段:
１.马氏体中碳原子的偏聚;
２.马氏体的分解;
3.残余奥氏体的转变；
4.碳化物的转变;
5.碳化物的聚集长大和α相回复、再结晶。
45钢在150～３5０℃低温回火，得到回火马氏体组织。
回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。
低温回火后，只是碳原子的偏聚，与淬火马氏体没有显著区别，但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀，故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。
在35０～50０℃中温回火后,得到回火屈氏体组织。
由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体，渗碳体聚集长大并球化,条状α相上分布着微细粒状渗碳体,但光学显微镜下难以分辨。
在5０0～6５０℃高温回火,得到回火索氏体组织。
这时α相发生再结晶，由等轴状铁素 体逐步代替针状α相。
其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织,光学显微镜下能分辨出渗碳体颗粒。
若４５钢在6５０℃~A1间回火，粒状渗碳体明显粗化，将得到粒状珠光体组织。
3.2.回火温度对45钢硬度和强度的影响
组别
1
2
３
4
5
回火温度
200℃
300℃
4０0℃
５00℃
6０0℃
45钢回火后硬度（ＨRC）
53.6
４0．１
２4.5
21.53
４0CrNi回火后硬度（HRＣ）
５1.97
50.１
45.９
3６.3
31.6
表 ５.3不同回火温度与测量硬度值
图5.2硬度变化曲线图
从表５．3不同回火温度与测量硬度值，图5.２ 硬度变化曲线图可以看出，淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。
45钢在200℃以下回火,硬度下降缓慢,这是由于α固溶体析出大量的ε碳化物,增大塑性变形抗力,使硬度下降延缓。
200～3０0℃回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用,硬度下降趋势平缓。
300℃以上回火,随着ε碳化物变为渗碳体，共格破坏以及渗碳体聚集长大，使硬度快速下降。
金属材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。
硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。
通过《黑色金属硬度及强度换算值》[2],能将４5钢的硬度值换算成强度值,因此,随着回火温度升高，钢的强度降低。
4.合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响
以下以４５钢和４０ＣrNｉ钢为例，分析合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响。
4.1.合金元素对钢的淬透性的影响
淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力，其大小用一定条件下淬火时钢的淬透层深度来表示,主要取决于钢的临界冷却速度的大小。
比较45钢和40ＣrNi钢的淬透性曲线,在相同的淬火介质下,4０ＣｒNi钢的临界淬火直径明显大于４５钢。
这两种钢样的碳含量相差不大，而对于40CrNi钢,加入的Cr、Ｎi合金元素溶入奥氏体后，Cr为中强碳化物，会提高C原子的扩散激活能,同时Ni还能提高原子的结合能，抑制了γ—α的转变。
由于合金元素的扩散速度很缓慢,降低了原子扩散速度,使过冷奥氏体的稳定性增加，马氏体临界冷却速度变小,临界淬火直径增大，因此，合金元素能增大钢的淬透性。
4.2.合金元素对钢的回火稳定性的影响
淬火钢在回火时，抵抗软化的能力称为回火稳定性。
不同的钢在相同温度回火后,强度、硬度下降也不同，下降少的其回火稳定性较高。
比较图 5.2硬度变化曲线图中4５钢和 40CrNi钢硬度变化曲线可知，40CrNi钢回火硬度的降低过程较缓,回火稳定性较高。
因为合金元素阻碍了回火过程马氏体分解和碳化物聚集长大，使回火硬度降低过程变缓，从而提高了钢的回火稳定性。
因此，由于合金钢的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度,则合金钢的回火温度就要比同样含碳量的碳钢高，回火时间也要长。
5.碳含量对钢的淬硬性的影响
以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。
淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度,主要与钢的含碳量有关。
本实验4５钢和Ｔ8钢正常淬火得到细小马氏体组织后,测其硬度值分别为56.５HRＣ和6７.7（68.3）ＨRC。
比较这两数据可知,随着钢的含碳量增加,淬硬性增强。
因为钢淬火得到的组织为马氏体，马氏体的硬度主要取决于含碳量，随碳含量的增加,马氏体的硬度增大,这主要是由于碳的固溶强化作用，另外，随碳含量的增加,马氏体转变点Ms和Mｆ都降低，促进了自回火现象的发生，使碳化物弥散析出产生时效强化。
因此,提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。
六、结论
根据所做实验及其结果可得以下结论:
1.淬火条件影响样品的组织和性能。
淬火温度及冷却速度（选择有效的冷却介质）适宜时，生成细小的马氏体组织,回火后强度高，塑性不差，力学性能较好。
淬火温度低，发生不完全淬火,组织为马氏体＋铁素体组织，强度低，硬度也低,力学性能较差。
淬火温度较高时，形成粗大奥氏体，由于组织的遗传性,淬火后形成粗晶马氏体组织。
冷却速度过快,形成巨大内应力,可能发生淬裂现象。
冷却速度过慢，形成的马氏体不完全,有珠光体形成（珠光体,索氏体，屈氏体）。
2.回火温度影响样品的组织和性能。
根据回火温度分为低温回火，中温回火,高温回火（不同钢种，所对应的温度有差异,一般合金元素越多,温度越高）。
生产回火马氏体，回火屈氏体,回火索氏体。
回火马氏体晶粒最细小，硬度强度最高;
回火屈氏体晶粒介于两者之间,硬度强度中等,根据资料显示具有极好的弹性；
回火索氏体板条最粗大,强硬度最低，但具有较高的塑韧性。
3.合金元素影响样品的组织和性能。
合金元素影响碳原子的迁移和铁原子的扩散系数,从而提高了回火稳定性。
同时由于固溶强化，析出强化提高了样品的强硬度。
细小的碳化物还能起到细化晶粒的作用。
4.碳元素影响样品的组织和性能。
碳原子能起到固溶强化作用,对马氏体形成来说，基体的强度硬度越大,马氏体越不易形成从而降低了Ms点。
同时,最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。
七、参考文献
[1]中国机械工程学会热处理学会。
热处理手册（第4版）。
第1 卷，工艺基础。
北京:
机械工业出版社,2008。
［２]中国计量科学研究院。
黑色金属硬度及强度换算值。
中华人民共和国国家标准。
GB/Ｔ1１72－１9９９。
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