碳钢的热处理及硬度计使用实验.doc

实验二 碳钢的热处理及硬度计使用
一．实验目的
1、熟悉碳钢的基本热处理的操作方法。
2、了解含碳量、加热温度、保温时间、冷却速度等主要因素对碳钢热处理后性能的影响。
3、学会洛氏硬度计的使用。
二．概述
一．碳钢的热处理
钢的热处理是利用钢在固态范围内的加热、保温、冷却，借以改变其内部组织从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种工艺方法。普通热处理的基本操作包括退火、正火、淬火、回火等。
实施热处理操作时，加热问题、保温时间、冷却方式是最基本的环节，正确选择这三者的参数是热处理质量的关键。
1． 1．加热温度的选择
（1）退火加热温度：亚共析钢加热至Ac3+（30~50）ºC（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（30~50）ºC（球化退火）。
（2）正火加热温度：亚共析钢加热至Ac3+（30~50）ºC；过共析钢加热至Accm+（30~50）ºC退火和正火加热温度的选择如图3.1所示。
（3）淬火加热温度：亚共析钢加热至Ac3+（30~50）ºC；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（30~50）ºC，如图3.2所示。

图3.1 退火和正火加热温度范围 图3.2 淬火的加热温度范围
钢的成分、原始组织及加热速度等皆影响临界点Ac1、Ac3、Acmm的位置。在各种热处理手册或材料手册中，都可以查到各种钢的热处理加热文帝。热处理时不能任意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大、氧化、脱碳和变形。
（4）回火温度的选择：钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常常是根据硬度的要求）。按加热温度的高低，回火分为三类：
1）低温回火：在150~250 ºC的回火称为低温回火。目的是降低淬火应力，减少钢的脆性，并保持钢的硬度。常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承的热处理。
2）中温回火：在350~500 ºC的回火称为中温回火。目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。常用于弹簧钢的热处理。
3）高温回火：在500~650 ºC的回火称为高温回火。目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好冲击韧性的综合力学性能。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理。常用于中碳结构钢。
表3.1列出了几种碳钢的加热临界点。
表3.1 几种碳钢的加热临界点
碳质量分数 / %
临界点（ºC）
淬火温度（ºC）
Ac1
Ac3
Accm

0.2
727
835

860~880
0.4
727
780

840~860
0.8
727
723

780~800
1.0
727

800
760~800
1.2
727

895
760~800
2、保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度均达到指定温度，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。通常将工件升温和和保温时间算在一起，统称为加热时间。
确定热处理的加热时间必须考虑多种因素。如：工件的尺寸和性质；使用的设备和装容量；装炉时炉子的温度；钢的成分和原始组织；热处理的要求和目的等。具体时间课参考热处理手册中的有关数据。
实际工作中更多是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，按工件厚度每毫米需1~1.5min估算；合金钢按每毫米2min估算。在盐浴炉中，保温时间可缩短1~2倍。
3、冷却方式和方法
热处理时的冷却方法要适当，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（650~550ºC）快冷，超过临界冷却速度。在（300~100ºC）以下温度时慢冷，理想的冷却速度如图3.3所示。

图3.3 淬火时理想冷却曲线示意图 图3.4 各种淬火冷却曲线示意图
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、等温淬火等（图3.4）。
表3.2中列出了几种常用淬火介质的冷却能力。
表3.2几种常用淬火介质的冷却能力
冷却介质
冷却速度（ºC/s）
650~550ºC区间
300~100ºC区间
水（18ºC）
600
270
水（26ºC）
500
270
水（50ºC）
100
270
矿物油
150
30
变压器油
120
25
肥皂水
30
200
10%油水
70
200
10%NaCl水（18ºC）
1100
300
10%NaCl水（50ºC）
800
270

二．洛氏硬度计的使用
1、原理
硬度是金属材料机械性能的重要指标之一，因测量简便，在生产中得到广泛应用，热处理后的零件性能，常用洛氏硬度计来测量。
洛氏硬度值是根据负荷（也叫外力）作用下产生的压痕深度值来确定的。其测量原理如图3.5所示。

图3.5 洛氏硬度试验原理图
图中：
0—0 未加负荷。压头未接触试样时的位置。
1—1 压头加预负荷（10公斤）后压入试样的压痕深度ho的位置。ho包含预负荷所引起的塑性变形和弹性变形。
2—2 加主负荷后，压头在总负荷（150公斤）作用下压入试样的压痕深度，它包括总塑性变形和弹性变形。
3—3 卸除负荷后，压头由于主负荷所产生的弹性变形被消除而略提高后位置。这时压痕的深度h=h1-h0作为测量硬度的依据。
洛氏硬度值是没有单位的数值，直接从表盘上读出。
洛氏硬度计可以用不同的压头和不同的总负荷搭配使用。分别以HRA、HRB、HRC来表示，如表3.3所示。
表3.3 三种洛氏硬度的试验条件与应用
标尺
符号
压头
初始实验力
表盘上刻度颜色
常用硬度值范围
应用范围
HRA
120°金刚石圆锥
98.7
黑色
20~88
硬质合金、表面淬火钢
HRB
直径1.588mm钢球
红色
20~100
退火钢、正火钢
HRC
120°金刚石圆锥
黑色
20~70
淬火钢、调质钢
2、洛氏硬度计的构造及操作
洛氏硬度计类型较多，外形构造也各不相同，但构造原理及主要部件均相同。洛氏硬度计的构造简图如图3.6所示，洛氏硬度计的外形如图3.7。

1—压头 2—负荷砝码 3—主杠杆 4—测量杠杆
5—表盘 6—缓冲油缸 7—工作台 8—升降装置
图3.6 洛氏硬度计构造简图

1— 读数百分表；2—压头；3—载物台；
4—升降丝杠手轮；5—加载手柄；6—卸载手柄
图3.7硬度计外形
洛氏硬度计的操作方法如下：
（1） 按表3.3选择压头及载荷；
（2） 根据试样大小和形状选用在物台；
（3） 将试样上下两面磨平，然后置于载物台上；
（4） 加预载，按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数 百分表上小针移动置小红点为止；
（5）调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点。如：试验HRC、HRA硬度时，把长针与表盘上黑字C处对准；试验HRB时，使长针与表盘上红字B处对准；
（6）加主载，平稳地扳动加载手柄，手柄自动升高至停止位置（时间为5~7s）并停留10s。
（7）卸主载，扳回加载手柄至原来位置；
（8）读硬度值，表上长针指示的数字为硬度的读数，HRC、HRA读黑色数字，HRB读红色数字；
（9）下降载物台，当试样完全离开压头后，才可取下试样；
（10）用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算数平均值为试样的硬度。操作洛氏硬度计时一定要遵守操作规程。
三．实验内容及方法指导
1、按表3.4所列工艺进行热处理操作。

表3.4 热处理实验内容
序号
试验材料
热处理工艺
加热温度/℃
保温时间/min
冷却方式
1
20
750
30
盐水
2
T10
750
30
3
780
60
空冷
4
780
30
盐水
5
空冷
6
盐水
7
6号钢
600
25
空冷

2、实验方法指导：
（1）淬火时，试样要用钳子夹住，动作要快，并不断在水中搅动，以免影响热处理质量。
（2）取放试样时要事先将炉子电源关闭。
（3）热处理后试样用砂纸磨去两端面氧化皮，然后测量硬度。
（4）每人将自己测量的硬度数据填入表3.5中（每个试样测三点，取平均值），并记录本组实验的全部数据，以供分析。
（5）洛氏硬度实验的标尺可选用HRC。
四．实验报告
1、写出实验目的。
2、写出实验步骤。
3、列出全部实验数据，填入数据记录表中。
4、分析含碳量、加热温度、保温时间及冷却方式对钢性能（硬度）的影响规律。
数据记录
序号
洛氏硬度HRC
平均值
1
2
3
1

2

3

4

5

6

7