实验八碳钢的热处理及组织性能分析一、 实验目的1. 掌握钢的退火、正火、淬火、回火工艺2. 分析含碳量，加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响3. 了解碳钢热处理后的基本组织二、 实验原理1. 热处理工艺通常由加热、保温、冷却三个阶段组成退火：将钢加热到一定温度，保温一段吋间后缓慢冷却，如炉冷正火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后在空气小冷却淬火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后快速冷却，如淬入水或油里回火：将淬火后的钢再加热到Ai线以下某一温度后冷却2. 热处理温度的选择 亚共析钢：淬火、正火、退火的加热温度在AC3以上30〜50°C共析钢，过共析钢：淬火、退火的加热温度，在Acl以上3()〜50°C；正火加热温度在Acm以丄30~50°C亚共析钢和过共析钢的淬火，退火温度范囤不同(见图8-1),这是由于如果 亚共析钢的淬火温度过低，在Acl以JL 30〜50°C,这吋钢的组织是铁素体和马氏 体，使钢件上出现软点而过共析钢在两相区加热后淬火得到的组织是马氏体和 渗碳体由于渗碳体本身硬度很高，不会影响钢的硬度；相反如果过共析钢加热 到奥氏体单相区淬火，得到的组织是马氏体和大量的残余奥氏体，硬度反而要下 降。
铁霑体+萨光年 珠光体+渗学体(F次)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8C/%图8・1淬火加热温度范|韦|过共析钢在退火时若加热到奥氏体单相区，冷却时将在晶介析出网状渗碳体, 使钢的塑性，冲击韧性降低所以过共析钢退火加热温度不能过高过共析钢的正火主要是为了消除已经形成的网状渗碳体，只是加热到Acm线 以上才能使网状渗碳体全部溶入奥氏体，由于正火的冷却速度较快，网状渗碳体 来不及析出而被消除回火温度是根据零件所要求的机械性能确定的，通常将回火分为低温、中温、 高温回火：低温回火：(15()〜25O°C )所得的组织为回火马氏体，硬度约为HRC60, H的 是降低淬火后的应力，减少钢的脆性，但保持钢的高硬度，这种回火常用于切削 刀具和量具中温回火；(350-500°C )所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40, H的是 获得高的弹性极限，同吋有较好的韧性，主要用于中高碳钢弹簧的热处理高温回火：(500-650°C )所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC30, F1的是 获得既有一定强度、硬度，乂有良好冲击韧性的综合机械性能，主要用于中碳结 构钢的热处理。
3. 确定保温时间：保温吋间与加热介质，加热温度，钢的成分和工件的形状尺寸等因索有关 生产上一般根据经验公式确定试验中碳钢所用的保温吋间可按每毫米直径1分 钟计算4. 冷却方法：热处理时的冷却方法适当，才能获得所要求的组织和性能，退火一般采用随 炉冷却正火多采用空气冷却，大件常进行吹风冷却淬火的冷却方法菲常重要 一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体组织；另一方面冷却速 度应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂为此，可根据C曲线图（见图 8-2）,估计连续冷却速度的影响0.5 1 10102 IO3时间/s800004200图8-2淬火加热温度范围5. 碳钢的热处理后的显微镜组织（1） 共析钢连续冷却时的显微组织：炉冷，得100%的珠光体V2空冷，的较细的珠光体（即索氏体）V3油冷，得屈氏体和马氏体和残余奥氏体V4水冷，得马氏体和A残（2） 亚共析和过共析钢连续冷却吋的显微组织：亚共析钢的C曲线与共析钢相比，在珠光体转变开始前多一-条铁索体析出线 W炉冷，得铁素体和珠光体V2空冷，得铁素体和索氏体V3油冷，得网状分布屈氏体和马氏体（可有少量贝氏体）W水冷，得马氏体过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是过共析钢先析出的是渗碳体， 并且连续冷却得不到贝氏体。
6. 基本组织金相特征：(1)索氏体(S)是铁素体与渗碳体的机械混合物其片层比珠光体更细密，在显微镜的高倍 (70()倍以上)放大才能分辨，硬度约为HRC30⑵屈氏体(T)也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微 镜下无法分辨为其少时析出时，沿晶介分布，呈黑色网状，包围着马氏体，当 析出量较多吋，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层破 度约HRC35〜403) 马氏体(M)马氏体有两种形态高碳马氏体呈针叶状，针叶大小不一，互不平行，最先形 成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将其分割，使以后形成的马氏体 针的大小受到限制并使针与针之间残留有奥氏体片状马氏体的硕度HRC62〜65, 韧性较差，低碳马氏体呈板条状，许多平行的板条形成一朿，束与束之间有较大 的位向差，一个奥氏体晶粒内可有几个马氏体束或区，板条状马氏体的韧性较好4) 残余奥氏体(AJ奥氏体淬火吋，被保留到室温的未转变的部分，在显微镜下呈白亮色，分布在 马氏体之间，无固定形态，未经回火吋，Ar与M很难区分，都呈白亮色；只有马 氏体回火变暗后残余奥氏体才能被辨认⑸回火马氏体(M回)马氏体经低温回火(150〜250°C)所得到的组织为冋火马氏体，它仍具有原马 氏体形态的特征，针状马氏体由于有极细的碳化物析出，容易受浸蚀，在显微镜 下为黑针状，M回具有高的强度和破度，而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。
6) 回火屈氏体(T回)马氏体经中温回火(350〜500C)所得到的组织为回火屈氏体，保留有模模糊 糊的马氏体外形它是铁索体与细粒状渗碳体组织的混合物，用光学显微镜极难 分辨，只有在电镜下才可观察到回火屈氏体有较好的强度，最佳的弹性，韧性 也较好7) 回火索氏体(S回)马氏体经高温回火(500〜650°C)所得到的组织为回火索氏体，它是再结晶了 的铁索体基木上分布着粒状渗碳体，冋火索氏体具有优良的综合机械性能回火屈氏体和回火索氏体是淬火马氏体的回火产物，它的渗碳体呈粒状，且 均匀分布在铁素体基体上，而屈氏体和索氏体是奥氏体过冷时直接形成的，它的 渗碳体呈片状，所以，冋火组织同直接冷却组织相比，在相同的硬度下具有较好 的塑性及韧性三、实验设备及材料1. 设备：箱式电阻炉及控温仪表、洛氏硬度试验机、砂轮机、铁钳子;2. 材料：钢试样、水、油实验内容1. 按下表工艺进行热处理操作，并测定经热处理后的各块样品的硬度 实验任务表钢号热处理工艺硬度值HRC或HRB换算为HB或HV预计组织加热温度冷却方式回火温度123平均45860炉冷空冷汕冷水冷水冷200水冷400水冷600750水冷T12750炉冷空冷油冷水冷水冷200水冷400水冷600860水冷2. 观察实验室制备的下列样品的显微组织:样品序号钢号热处理工艺腐蚀剂显微组织145钢860 °C空冷4%硝酸酒精F+S245钢860°C油冷4%硝酸酒精M+F345钢860°C水冷4%硝酸酒精M445钢860°C水冷，600°C冋火4%硝酸酒精S回5T12750°C水冷,200°C回火4%硝酸酒精M s+Cm II +Ar6T12750°C球化退火4%硝酸酒精P （粒状）+CmII （粒状）画出所观察样品的显微组织示意图五、 实验步骤1. 全班每七人分成--组，每人--个试样。
炉冷试样可由实验室事先处理好2. 将炉温升到860°C,放入钢样，（保温后其中一块气冷，一块油冷，四块水冷） 和一块T12的试样（保温后水冷）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°C、 400°C\ 600°C的炉内进行回火，回火保温吋间为30分钟4. 淬火吋，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，取放试样时炉子要先断电5. 热处理后的试样用砂轮磨去两端面氧化皮，然后测定硬度（HRC或HB）每个 试样测三点，取平均值，并将数据填于表内6. 每个同学必须抄下本组的全部实验数据，以便独立进行分析六、 实验报告要求1. 写出实验H的2. 附上全套破度数据3. 画岀冷却速度一硬度；回火温度-硬度曲线，并分析含碳量和淬火温度对硬度的 影响4. 画出所观察的热处理试样的显微组织示意图。