實驗5碳鋼的熱處理

一、實驗?zāi)康?/p>

1.了解普通熱處理四把火（退火、正火、淬火、回火）的方法。

2.分析碳鋼在熱處理時，加熱溫度、冷卻速度及回火溫度對其

組織與硬度的影響。

3.分析碳鋼的含碳量對淬火后硬度的影響。

二、實驗概述

鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下施以不同的加熱、保溫與冷卻，以

改變其組織和性能的一種工藝。普通熱處理有退火、正火、淬火及回

火等。

1.碳鋼熱處理工藝

1）加熱溫度

碳鋼普通熱處理的加熱溫度，原則上可按表5-1選定。但生產(chǎn)

中，應(yīng)根據(jù)工件實際情況作適當(dāng)調(diào)整。熱處理加熱溫度不能過高，否

則會使工件的晶粒粗大，氧化、脫碳嚴重，變形、開裂傾向增加°但

加熱溫度過低，也達不到要求的效果。

2）加熱時間

熱處理的加熱時間（包括升溫與保溫時間）與鋼的成分、原始組

織、工件的尺寸與形狀、使用的加熱設(shè)備與裝爐方式及熱處理方法等

許多因素有關(guān)。因比，要確切計算加熱時間是比較復(fù)雜的。

在實驗室中，通常按工件有效厚度，用下列經(jīng)驗公式計算加熱時

間：t=axD

式中t一加熱時間（min）：a一加熱系數(shù)（min/mm）：

D一工件有效厚度(mm)。

當(dāng)碳鋼工件的有效厚度DW50mm。在800?960°C箱式電阻加

熱爐中加熱時,a=l~1.2(min/mm)。

回火的保溫時間，要保證工件熱透井使組織充分轉(zhuǎn)變。組織轉(zhuǎn)變

時間一般不大于0.5h,但熱透時間則隨回火溫度、工件有效厚度、裝

爐量及加熱方式而異。生產(chǎn)中，一般為1?3h,實驗時可用0.5hc

表5-1碳鋼普通熱處理的加熱溫度

方法加熱溫度0C應(yīng)用范圍

儲+(20?60)亞共析鋼完全退火

退火

h+(20?40)過共析鋼球化退火

腦+(50?100)亞共析鋼

正火

&+(30?50)過共析鋼

腦+(30?70)亞共析鋼

淬火

h+(30?70)過共析鋼

低溫150?250刀具、量具、冷沖模具、高硬度零件等

回火中溫350?500彈簧、中等便度零件等

回皿500?630齒輪、軸、連桿等要求綜合力學(xué)性能的零件

3)冷卻方法

鋼退火一般采用隨爐冷卻到600?550°C以下再出爐空冷。正

火采用空氣中冷卻。淬火時，鋼在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的范圍內(nèi)

(650-550°C)的冷卻速度應(yīng)大于臨界冷卻速度，以保證工件不轉(zhuǎn)變

為珠光體型組織，而在Ms點附近的冷卻速度應(yīng)盡可能低，以降低淬

火內(nèi)應(yīng)力、減少工件變形與開裂。因此，淬火時除了要選用合適的淬

火冷卻介質(zhì)外，還應(yīng)改進淬火方法。對形狀簡單的工件，常采用簡易

的單液淬火法，碳鋼用水或鹽水溶液作冷卻介質(zhì)，合金鋼常用油作冷

卻介質(zhì)。

2.碳鋼熱處理后的組織和性能

1)珠光體型組織

是過冷奧氏體在高溫區(qū)（Ari至C曲線鼻尖）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。隨奧

氏體在冷卻時過冷度的增加，依次得到珠光體、索氏體、。它們都是

鐵素體與滲碳體的細密機械混合物，但鐵素體與滲碳體層片間距離依

次變小，使組織的強度、硬度遞增。

2）貝氏體型組織

是在中溫區(qū)（C曲線鼻尖到Ms）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。上貝氏體在光學(xué)

顯微鏡下呈羽毛狀，下貝氏體在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針片狀，下貝氏

體的性能與上貝氏體相比較，它不僅具有較高的硬度、強度與耐磨性,

而且下貝氏體的韌性與塑性均高于上貝氏體。

3）馬氏體組織

是過冷奧氏體在低溫區(qū)（Ms以下）轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。馬氏體是碳在

a-Fe中的過飽和固溶體。低碳馬氏體組織呈板條狀，它不僅具有

較高的強度與硬度，同時還具有良好的塑性與韌性。高碳馬氏體組織

呈針片狀，性能硬而脆。通常，共析鋼和過共析鋼在正常加熱淬火后,

得到的馬氏體是很細小的，在光學(xué)顯微鏡下分辨不出它的形態(tài)，故通

常稱為隱晶馬氏體。

4）回火組織

淬火組織為馬氏體（常有少量殘余奧氏體）的碳鋼，在低溫回火

后獲得回火馬氏體。它是由含碳過飽和的c固溶體與其晶格相聯(lián)系的

￡的碳化物組成的?；鼗瘃R氏體仍保留著原來馬氏體的針片狀或板條

狀形態(tài)，但由于在過飽和a固溶體上分布著大量高度彌散的細小￡碳

化物，使回火馬氏體比淬火狀態(tài)馬氏體容易被腐蝕。故在光學(xué)顯微鏡

下呈暗黑色?；鼗瘃R氏體性能基本上與淬火馬氏體相同，但脆性較低。

中溫回火獲得回火屈氏體。它是由尚未發(fā)生再結(jié)晶的鐵素體與彌

散分布的極細粒狀滲碳體組成的，這些極細的粒狀滲碳體在光學(xué)顯微

鏡下無法分辨，且因鐵素體尚未再結(jié)晶，仍保持原來馬氏體形態(tài)，故

在顯微鏡下觀察時，回火屈氏體與回火馬氏體比較相似?；鼗鹎象w

具有高的屈服強度、彈性極限和較好的韌性。

高溫回火得到回火索氏體.它是由已再結(jié)晶的鐵素體與細粒狀滲

碳體所組成。由于鐵素體己發(fā)生再結(jié)晶，故基本上已失去馬氏體的形

態(tài)。在放大五百倍以上的情況下，可以看見滲碳體微粒?；鼗鹚魇象w

具有優(yōu)良的綜合機械性能?；鼗饻囟雀邥r(接近Acl),形成回火

珠光體。它是由多邊形鐵素體和較大的粒狀滲碳體組成，其光學(xué)顯徽

組織形態(tài)與球化退火后的顯微組織形態(tài)相似。

表5—245鋼正常熱處理后的組織與力學(xué)性能特點

熱處理方法冷卻速度組織力學(xué)性能特點

退火爐冷冷鐵素體+珠光體強度、硬度暗冷卻速

正火空冷速鐵素體+細珠光體度增大而遞碧

淬火油冷遞屈氏體+馬氏體+殘余奧氏體

水冷增馬氏體+殘余奧氏體

回低溫回火馬氏體+殘余奧氏體保持高硬度,脆性比

火回火時稍低

中溫回火屈氏體具有高彈性及較好的

韌性

高溫回火索氏體具有良好的綜合力學(xué)

性能

3.碳鋼含碳量對淬火后硬度的影響

在正常淬火條件下，鋼的含碳量越高，淬火后的硬度也越高,但

含碳量大于0.8%的鋼，淬火后硬度增加不明顯。一般低碳鋼淬火后,

硬度在HRC40左右；中碳鋼淬火后，硬度可達HRC50?62；高碳鋼

淬火后，硬度高達HRC62?65。

三、實驗設(shè)備、用品及試樣

1.實驗設(shè)備及用品

(1)高溫箱式爐2臺。

(2)中溫箱式爐2臺。

(3)電熱干燥箱1臺。

(4)洛氏硬度計(HR—150)2臺。

(5)待熱處理的試樣。

(6)夾鉗、砂紙、礦物油或變壓器油等。

2.實驗試樣

試樣材料數(shù)量用途

分析熱處理(淬火)，加熱溫

45鋼3塊

度對鋼組織、性能影響

分析熱處理時，冷卻速度對鋼

45鋼4塊

組織、性能影響

分析回火溫度對鋼組織、性能

淬火狀態(tài)45鋼3塊

影響

20鋼

分析含碳量對鋼淬火硬度的

45鋼各一塊

影響

T8鋼

四、實驗方法與步驟

1.學(xué)生按組領(lǐng)取實驗試樣，并打上鋼號，以免混淆。

2.將三塊45鋼試樣分別加熱到750℃、840℃及950?980℃,保

溫后水冷，然后分別測定它們的硬度，并作好記錄。

3.決定45鋼的熱處理加熱溫度與保溫時間。調(diào)整好控溫裝置，

并將四塊45鋼試樣放入以升到加熱溫度的電爐中進行加熱與保溫。

然后，分別進行爐冷(隨爐冷到60()?5()()℃再出爐空冷)、空冷、油冷

與水冷。最后，再測定它們的硬度，并作好記錄。

4.首先測定三塊淬火狀態(tài)45鋼的硬度，然后分別放人2()0℃、

400℃、600℃的電爐中回火30min?；鼗鸷蟮睦鋮s，一般可用空冷。

測定回火后試樣的硬度，并作好記錄。

5.各組將20鋼、45鋼、T8鋼分別按它們正常淬火溫度加熱、保

溫后取出在水中冷卻，然后測定淬火后硬度，并作好記錄。

6.觀察鋼熱處理狀態(tài)的金相試樣的顯微組織，區(qū)別其組織組成物

及形態(tài)特征，并繪出指定的幾種組織示意圖。

五、實驗注意事項

1.學(xué)生在實驗中要有所分工。

2.淬火冷卻時，試樣要用夾鉗夾緊，動作要迅速，并要在冷卻介

質(zhì)中不斷攪動。夾鉗不要夾在測定硬度的表面上，以免影響硬度值。

3.測定硬度前，必須用砂紙將試樣表面的氧化皮除去并磨光。每

個試樣應(yīng)在不同部位測定三次硬度，并計算其平均值。退火、正火試

樣可測HRB,其余測HRC。

4.熱處理應(yīng)注意安全操作

(1)在取放試樣時，應(yīng)切斷電源。

(2)爐門開、關(guān)要快。爐門打開的時間不能過長.以免爐溫下降

和損害爐膛的耐火材料與電阻絲的壽命。

(3)在爐中取放試樣時，夾鉗應(yīng)擦干，不能沾有水或油。

(4)在爐中取放試樣時，操作者應(yīng)戴上手套，以防燒傷。

六、實驗報告要求

1.將所測定的全部試樣數(shù)據(jù)填入附表1至4中。

2.將各熱處理組織填入表中。

3.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分析并回答下列問題。

附表

1.熱處理（淬火）時，加熱溫度對鋼組織、性能的影響

試樣材料熱處理工藝參數(shù)硬度值HRC

加熱保溫顯微

尺寸冷卻第一第二第三平均

鋼號溫度時間組織

mm介質(zhì)次次次值

℃min

750

840

950~980

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，說明淬火時加熱溫度對鋼組織與性能的影響。

2.熱處理時，冷卻速度對鋼組織、性能的影響。

試樣材料熱處理工藝參數(shù)硬度值HRC（爐冷、空冷測HRB）

加熱保溫顯微

尺寸冷卻第一第二第三平均

鋼號溫度時間組織

mm介質(zhì)次次次值

℃min

爐冷

空冷

油冷

水冷

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，說明鋼加熱成奧氏體后，冷卻速度對鋼組織與性能的

影響。

3.回火溫度對淬火鋼組織、性能的影響。

試樣材料熱處理工藝參數(shù)