碳钢的热处理后硬度测定以及金相分析实验指导书样本.doc

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实验七 碳钢的热处理及硬度测定以及金相分析

实验项目名称: 碳钢的热处理及硬度测定、 金相分析
实验项目性质: 综合实验
所属课程名称: 金属材料与热处理
实验计划学时: 4

一、 实验目的
( 1) 熟悉碳钢的基本热处理( 退火、 正火、 淬火及回火) 工艺方法。
( 2) 了解含碳量、 加热温度、 冷却速度等因素与碳钢热处理后性能的关系。
( 3) 分析淬火及回火温度对钢性能的影响。
( 4) 学会洛氏硬度计的使用。
( 5) 学会采用不同的热处理工艺, 将会得到不同的组织结构, 从而使钢的性能发生变化。
二、 实验内容和要求
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法, 热处理的主要目的是改进钢材性能, 提高工件使用寿命。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度, 经一定时间的保温, 然后以某种速度冷却下来, 经过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
热处理之因此能使钢的性能发生显著变化, 主要是由于钢的内部组织发生了质的变化。采用不同的热处理工艺过程, 将会使钢得到不同的组织结构, 从而获得所需要的性能。
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, 加热温度、 保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序, 也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数, 是热处理成功的基本保证。Fe-FeC相图和C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。
1、 加热温度
( 1) 退火加热温度: 完全退火加热温度, 适用于亚共析钢, Ac3+( 30~50℃) ; 球化退火加热温度, 适用于共析钢和过共析钢, Ac1+( 30~50℃) 。
( 2) 正火加热温度: 对亚共析钢是Ac3+( 30~50℃) ; 过共析钢是Accm+( 30~50℃) , 也就是加热到单相奥氏体区。
退火和正火的加热温度范围见图2-1所示。
图2-1 退火与正火的加热温度

( 3) 淬火加热温度: 对亚共析钢是Ac3+( 30~50℃) ; 对共析钢和过共析钢是Ac1+( 30~50℃) , 见图2-2。

钢的临界温度Ac1、 Ac3及Accm, 在热处理手册或合金钢手册中均可查到。再经计算可求出钢的热处理温度。也能够利用铁碳相图决定A1、 A3及Acm点的温度再加上10~20℃即近似Ac1、 Ac3及Accm, 然后再计算热处理温度。表2-1是各种碳钢的临界温度。

图2-2 淬火加热温度范围
表2-1 各种碳钢的临界温度
类别
钢号
临界点温度( ℃)
淬火温度
Ac1
Ac3或ACcm
AR1
AR3
碳
素
结
构
钢
20
735
855
680
835
860~880
30
732
813
677
835
850~870
40
724
790
680
760
840~860
45
724
682
682
751
840~860
50
725
690
690
750
770~800
60
725
695
695
743
860~880
碳
素
工
具
钢
T7
730
770
700
-
780~800
T8
730
-
700
-
780~800
T10
730
800
700
-
760~800
T12
730
820
700
-
760~800
T13
730
830
700
-
760~800
( 4) 回火温度: 钢淬火后必须要回火。回火温度决定于最终所要求的组织和性能。按加热温度, 回火可分为低温、 中温及高温回火三类。低温回火在150~250℃进行回火, 所得组织为回火马氏体, 硬度约为HRC60, 常见于切削刀具和量具; 中温回火是在350~500℃进行回火, 硬度约为HRC35~45, 主要用于各类弹簧热处理; 高温回火是在500~~650℃进行, 所得组织为回火索氏体, 硬度为HRC25~35, 用于结构零件的热处理; 高于650℃的回火为珠光体, 硬度较低。
例如, 45钢的回火温度经验公式如下
T=200+K( 60-X)
式中 K——系数, 当回火后要求的硬度值大于HRC30时, K=11; 当硬度值小于HRC30时, K=12;
X——所要求的硬度值( HRC) 。
2、 加热时间
热处理加热时间与许多因素有关, 例如工件的尺寸、 形状、 使用的加热设备、 装炉量、 钢的种类; 热处理类型、 钢材的原始组织、 热处理的要求和目的等。上述因素都要综合考虑, 具体参考数据可查有关手册。
3、 冷却方法
热处理的冷却方法至关重要, 控制不同的冷却速度( 即采用不同的冷却方式) , 可得到不同的组织, 从而有不同的性能。
( 1) 退火 一般采用随炉冷却, 冷到500℃左右, 能够出炉空冷, 不必在炉中冷到室温。
( 2) 正火 多采用在空气中冷却, 大件常进行吹风冷却。
( 3) 淬火 采用急冷方式, 即冷却速度应超过钢的临界冷却速度, 以保证得到马氏体组织, 另一方面冷却速度应当尽量缓慢, 以减少内应力, 避免变形和开裂。为了调和上述矛盾, 能够采用适当的冷却剂和冷却方式。常见的淬火方法有双液淬火、 分级淬火、 单液淬火、 等温淬火等。
常见的淬火介质有清洁的自来水、 浓度为5~10%的NaCl水溶液、 矿物油等。

三、 实验主要仪器设备和材料
1、 箱式电炉及控温仪表;
2. 水银温度计;
3. 洛氏硬度机;
4. 抛光机;
5. 金相显微镜;
6. 冷却剂: 水、 油;
7．试样: 20钢、 45钢、 T12钢。

四、 实验方法、 步骤及测试结果
1． 淬火部分的内容及具体操作步骤
（1） 根据淬火条件不同, 分五个小组进行, 见表3-2
（2） 加热前先将全部试样测定硬度, 一律用洛氏硬度测定。
（3） 根据试样钢号, 按照Fe-Fe3C相图确定淬火加热温度和保温时间( 可按1分钟/每毫米直径计算) 。
（4） 各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸磨平, 以测出硬度值( HRC) 填入表2-2。
表2-2 淬火实验
组别
淬火加热温度( ℃)
冷却方式
20钢
45钢
T12钢
处理前硬度
处理后硬度
处理前硬度
处理后硬度
处理前硬度
处理后硬度
1
1000
水冷

2
750
水冷

3
860
空冷

4
860
油冷

5
860
水冷

注: 1~4组各种钢号一块, 5组除20、 T12钢各一块外, 45钢取五块, 以供回火用。
2．回火部分的内容及具体步骤:
( 1) 根据回火温度不同, 分五个小组进行, 见表3-3。各小组将已经正常淬火并测定过硬度的45钢试样分别放入指定温度的炉内加热, 保温30分钟, 然后取出空冷。
( 2) 有砂纸磨光表面, 分别在洛氏硬度机上测定硬度值。
( 3) 将测定的硬度值分别填入表2-3中。
表2-3 回火实验
组别
1
3
5
回火温度
200℃
400℃
600℃
回火前HRC

回火后HRC

3．洛氏硬度计测量方法:
（1） 选择合适的压头及载荷。
（2） 根据试件大小和形状选择载物台。
（3） 试件上下两面磨平, 然后置于载物台上。
（4） 加预载荷, 按顺时针方向转动升降机构的手轮, 将试样与压头接触, 并观察读数百分表上小针移动至小红点上为止。
（5） 调整读数表盘, 使百分表盘上的长针对准硬度值的起点, 如测HRC、 HRA硬度时, 把长针与表盘上的黑字G处对准; 测量HRB时, 使长针与表盘上红字B对准。
（6） 加主载荷。平稳地扳动加载手柄, 手柄自动长高至停止位置( 时间为5~7秒) , 并停留10秒。
（7） 卸除主载荷。扳回加载手柄至原来位置。
（8） 读数。表上长针指示的数字为硬度的读数。HRC、 HRA读黑数字; HRB读红数字。
（9） 下降载物台, 取出试样。
（10） 用同样方法在试件的不同位置测三个数据, 取其算术平均值为试件的硬度值。
4．各试样金相组织观察。
观察和并绘画各碳钢不同热处理条件下的显微组织特征;
5．注意事项
( 1) 本实验加热和用的都为电炉, 由于炉内电阻丝距离炉膛较近, 容易漏电, 因此电炉一定要接地, 在放、 取试样时必须先切断电源。
( 2) 往炉中放、 取试样必须使用夹钳, 夹钳必须擦干, 不得沾有油和水。开关炉门要迅速, 炉门打开时间不宜过长。
( 3) 试样由炉中取出淬火时, 动作要迅速, 以免温度下降, 影响淬火质量。
( 4) 试样在淬火液中应不断搅动, 否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。
( 5) 淬火时水温应保持20~30℃左右, 水温过高要及时换水。
( 6) 淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面, 去掉氧化皮后再测定硬度值。
( 7) 试件的准备: 试件表面应磨平、 且无氧化皮和油污等; 试件形状应能保证试验面与压头轴线相垂直, 测试过程应无滑动。
( 8) 压痕间距或压痕与试件边缘HRA>2.5mm; HRC>2.5mm; HRB>4mm。
不同的洛氏硬度有不同的适用范围, 应按附录表2选择压头及载荷。这是因为超出规定的测量范围时, 硬度计的精确度及灵敏度均较差, 以致结果的准确性较差。例如HRB102, HRC18等的写法是不准确的, 是不宜使用的。
五、 实验报告要求:
1． 实验报告要求内容包括实验目的, 实验内容和要求、 实验主要仪器设备和材料、 实验方法、 步骤及结果测试。
2． 绘画各种碳钢不同热处理条件的组织特征。
3． 分析实验中存在的问题。
六、 思考题
1．结合本次实验, 分析加热温度与冷却速度对钢性能的影响。
2．结合本次实验, 分析含碳量对钢性能的影响。
3．结合本次实验, 绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。