材料工程基础 实验指导书- 16 - 实验二 热处理综合实验实验学时：8h 实验性质：综合性一、实验目的通过本次综合实验学会通过金相技术分析判别不同材料；并了解不同材料，尤其是钢在加热、冷却以及回火过程中发生的组织和性能的变化；熟悉热处理设备、金相制样设备和硬度计的操作和应用；熟悉常规热处理工艺并利用所学相关知识对热处理缺陷进行分析二、 实验内容本次实验为综合实验，鼓励同学们以组为单位，自行设计实验参数和实验过程，并对实验结果进行综合分析，本实验需要综合运用定量金相、热处理工艺、硬度测试和金相组织分析等知识本实验要求同学分组后，以组为单位，先到实验室领取不同试样运用所学知识判定材料类型后，小组讨论制定实验方案、目的，根据实验室现有资源合理设计实验步骤，并说明预期效果实验时间和实验过程设计好后，需以班为单位提前 2 周与实验室老师预约具体时间，并将实验参数报给实验老师，确定其可行性；预约后若未按时进行实验，取消本次实验资格，不予补做。
三、 实验仪器、设备及材料3.1 实验仪器、设备3.1.1 材料成型实验室：箱式电炉及控温仪表；淬火水槽；洛氏硬度计；3.1.2 材料基础实验室：洛氏硬度计、显微硬度计、金相显微镜、砂轮机、预磨机、抛光机、电吹风、图象分析系统3.2 实验材料试样：20 钢，45 钢，T12 钢， 40CR 钢试样冷却剂：水，油(使用温度约 20℃)制样材料：砂纸、抛光剂、抛光布、硝酸酒精、滤纸、相纸材料工程基础 实验指导书- 17 - 四 实验原理热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能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，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构可以发生一系列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。
4.1 钢的退火和正火钢的退火通常是把钢加热到临界温度 AC1 或 AC3 以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织一般中碳钢(如 40、45 钢)经退火后组织稳定，硬度较低(HB180～220)有利于下一步进行切削加工正火则是将钢加热到 Ac3 或 A cm 以上 30～50℃，保温后进行空冷由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对高碳钢则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作准备不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值见表 1 所示4.2 钢的淬火所谓淬火就是将钢加热到 Ac3(亚共析钢)或 Ac1(过共析钢)以上 30～50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V 冷应大于 V 临)，以获得马氏体组织碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成表 1 碳钢在退火及正火状态下的机械性能含 碳 量 (%) 性 能热处理状态≤0.10.2～0.30.4～0.6退 火～120150～160180～230硬度(HB)正 火130～140160～180220～250退 火300～330420～500560～670强度 σb(MN/m2)正 火 340～360480～550660～700（1） 淬火温度的选择正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。
淬火时的具体加热温度主要取决于材料工程基础 实验指导书- 18 - 钢的含碳量，可根据 Fe—Fe3C 相图确定对亚共析钢，其加热温度为 Ac3＋30～50℃，若加热温度不足(低于 Ac3)，则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低对过共析钢，加热温度为 Ac1＋30～50℃，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性过高的加热温度(如超过 Acm) 不仅无助于强度、硬度的增加，反而会由于产生过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性的下降需要指出，不论在退火、正火及淬火时，均不能任意提高加热温度温度过高晶粒容易长大，而且增加氧化脱碳和变形的倾向各种不同成分碳钢的临界温度列于表 2 中2） 保温时间的确定淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留所需时间的总和加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，碳钢在电炉中加热时间的计算列于表 3。
3） 冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形和开裂为此，可根据 C 曲线图(如图 1—1 所示)，使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定的温度范围(650～550℃)进行快冷(即与 C 曲线的“鼻尖”相切)，而在较低温度(300～100℃)时的冷却速度则尽可能小些为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质(如水、油等)和冷却方法(如双液淬火、分级淬火等)不同的冷却介质不同的温度范围内的冷却能力有所差别各种冷却介质的特性见表 4表 2 名种碳钢的临界温度(近似值)临 界 温 度 (℃)类别钢 号Ac1Ac13 或 AccmAr1Ar3207358556808353073281367779640724790680760457247806827505072576069072160727766695743T7730770700—T8730—700—T10730800700—碳素结构钢碳素工具钢T12730820700—材料工程基础 实验指导书- 19 - T13730830700—表 3 碳钢在箱式炉中加热时间的确定工 作 形 状圆 柱 形方 形板 形保 温 时 间加热温度(℃)分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度70080090010001.51.00.80.42.21.51.20.6321.60.8表 4 几种常用淬火介质的冷却能力在下列温度范围内的冷却速度(℃/秒) 冷 却 介 质650～550℃300～200℃18℃的水60027026℃的水50027050℃的水10027074℃的水3020010%NaCl 水溶液(18℃)110030010%NaOH 水溶液(18℃)120030010%Na2CO3水溶液(18℃)800270矿物机器油(50℃)15030变压器油(50℃))12025 4.3 钢的回火钢经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。
因此淬火钢必须进行回火处理不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能表 5 为 45 钢淬火后经不同温度回火后的组织性能表 5 45 钢经淬火及不同温度回火后的组织和性能类型回火温度(℃)回火后的组织回火后硬度(HRC)性能特点低温回火150～250回火马氏体＋残余奥 氏体＋碳化物50～57高硬度，内应力减小中温回火350～500回火屈氏体35～45硬度适中，有高的弹性高温回火500～650回火索氏体20～33具有良好塑性、韧性和一 定强度相配合的综合性能对碳钢来说，回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素材料工程基础 实验指导书- 20 - 回火温度：在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据各种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅现将几种常用的碳钢(45、T10 和 T12 )回火温度与硬度的关系列于表 6也可以采用经验公式近似地估算回火温度例如 45 钢的回火温度经验公式为：T(℃)≈200＋K(60－χ)式中：K——系数，当回火后要求的硬度值＞HRC30 时，K=11；＜HRC30 时，K=12。
χ——所要求的硬度值(HRC)保温时间：通常采用 1～3 小时，实验所用试样较小，定为 30 分钟，回火后空冷表 6 各种不同温度回火后的硬度值(HRC)回火温度(℃)45 钢T8 钢T10 钢T12 钢150～200℃60～5464～6064～6265～62200～300℃54～5060～5562～5662～57300～400℃50～4055～4556～4757～49400～500℃40～3345～3547～3849～38500～600℃33～2435～2738～2738～28注：由于具体处理条件不同，上述数据仅供参考 五 实验步骤1 本次实验要求以组为单位，设计完整的实验思路和实验步骤，组员的工作应有明确的分工，保证每人完成一个试样的分析和处理，同时注明能用于实验的时间；每人根据本组实验要求写出个人实验预习报告；2完成相应的热处理操作和硬度测试及组织分析；3实验结束每位同学结合本组其他同学的实验结果，从热处理加热温度、加热时间、冷却速度及回火温度分析热处理工艺与钢的成分、热处理后性能和组织三个方面之间的关系；分析热处理各阶段的组织变化，拍摄金相组织照片；4 分析讨论实验结果的准确性及操作中出现的问题。
5 分析实验中存在的问题，小组实验数据综合、讨论，分别撰写实验报告六 实验报告要求1.将实验操作步骤如实记录下来；2.实验报告应有完整的原始实验记录，包括时间、学生姓名、指导老师、完成实验内容、所用实验工艺参数、以及实验所获得的结果，对实验中有缺陷部分和异常现象材料工程基础 实验指导书- 21 - 及解决手段作好记录3.实验报告中要对小组所获得实验数据进行综合分析并写出自己的实验心得体会4.实验报告应写明实验项目、实验时间、指导老师等，填写工整，条理清楚，在实验完5.成后一周内必须交给相关实验老师七 注意事项1.本实验加热都采用电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，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.实验操作中应严格遵守设备操作规程和实验室工作条例，保证自身安全和他人安全，保证设备正常，有异常及时与实验室指导老师联系7.每组实验完毕，对实验场所和设备进行清扫，维护好实验室环境8.实验报告应写明实验项目、实验时间、指导老师等，填写工整。