碳钢的热处理操作实验

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1、实验五 碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定实验学时：4实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的1. 了解碳钢的热处理工艺操作；2. 研究碳钢加热温度、冷却速度、回火温度对钢性能的影响；3. 观察热处理后的显微组织变化；4. 了解硬度计的原理、初步掌握洛氏硬度计的使用。二、实验内容 1按表1中的热处理工艺进行操作，并对热处理后的各样品进行硬度测定 将硬度值填入表1中。表1 各种热处理工艺加热温度。c45 钢T12冷却 方式20钢45钢T12钢学号硬度学号硬度学号硬度920水冷780水冷860780灰冷860780空冷860780油冷860水冷45钢回火工艺学号回火温度c200300400500

2、600回火前硬度回火后硬度注：保温时间可按1分钟/每毫秒直径计算；回火保温时间均为30分钟，然后取 出空冷。2. 观察下列表2热处理后的金相试样，并画出组织示意图。表2 热处理后的金相试样编 号钢号处理状态显微组织腐蚀剂120920C水淬板条M4%硝酸酒精245退火F + P4%硝酸酒精345正火F + P4%硝酸酒精445860C油淬M + B + T + F4%硝酸酒精545860C水淬M4%硝酸酒精645780C水淬M + F4%硝酸酒精7T121000水淬+180C回火竹叶状M + Ar4%硝酸酒精8T12780C水淬隐晶M+颗粒状Fe C+Aro4%硝酸酒精9T12780C水淬+18

3、0C回火回火M +颗粒状FeC34%硝酸酒精10T12760C球化退火球状p4%硝酸酒精1145860C水淬低温回火回火M4%硝酸酒精1245860C水淬中温回火回火T4%硝酸酒精1345860C水淬咼温回火回火s4%硝酸酒精三、实验原理、方法和手段（一） 钢的热处理工艺： 钢的热处理基本工艺有退火、正火、淬火和回火。进行热处理时，加热是 第一道工序，目的是为了得到奥氏体，因为钢的最终组织珠光体、贝氏体 和马氏 体都是由奥氏体转变来的。二是保温、目的使奥氏体均匀化。三是冷却，是改变 组织和性能的重要因素。因此，正确选择三个基本因素是热处理成功的基本保证。1加热温度的选择（1）退火加热温度：根据

4、Fe-FeC相图确定。对亚共析钢，其加热温度为；3共析钢和过共析钢加热至A + （2030） C （球化退火），目的是得到球状渗碳体，C1降低硬度，改善切削性能。（2）正火加热温度：一般亚共析钢加热至A + （3050）C；过共析钢加热C3至+ （3050）C，即加热到奥氏体单相区。（3）淬火加热温度：一般亚共析钢加热至A + （3050）C，淬火后的组织C3为均匀细小的马氏体。如果加热温度不足（如低于A ），则淬火组织中将出现铁C3素体，造成淬火后硬度不足；共析钢和过共析钢加热至A +（3050）C，淬火C1 后的组织为陷晶马氏体与粒状二次渗碳体。未溶的粒状二次渗碳体可以提高钢的 耐摩性。的

5、粒状二次渗碳体可提高钢的硬度和耐磨性。过高的加热温度（高于 A ），CCM 会因得到粗大的马氏体，过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性下降，脆性增加。（4）回火温度：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）。按加热温度不同，回火可分为三类：低温回火：在150250C回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC57-60, 其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。一般用于切削工具、 量具、滚动轴承以及渗碳和氰化件。中温回火：在350500C回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40-48, 其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。因为它

6、主要用于各种弹簧及热锻 模。高温回火：在500650C回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC25 -35, 其目的是获得既有一定强度、硬度、又有良好的冲击韧性的综合机械性能，常把 淬火后经高温回火的处理称为调质处理，因此一般用于各种重要零件，如柴油机 连杆螺栓、汽车半轴以及机床主轴等。2保温时间的确定为了使钢件内外各部分温度均匀一致，并完成组织转变，使碳化物溶解和 奥氏体成分均匀化，就必须在淬火加热温度下保温一定时间，通常将钢件升温和 保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。在具体生产条件下，工件加热时间与钢的成分、原始组织、工件几何形状和 尺寸，加热介质、炉温、装炉方式等许多因素有关。

7、对于本实验中的碳钢，保温时间为：工件的有效加热厚度 1 分钟/毫米。如 果是火焰炉、电炉所需加热及大约直径，如果是盐浴炉则缩短1-2倍。合金钢加 热时间要增加 25-40%。回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考虑。一般来说，低温回 火时，由于组织不稳定，内应力消除不充分，为了稳定组织、消除内应力，使零 件在使用过程中性能与尺寸稳定，回火时间要长一些，一般不少于1.5-2小时。 高温回火时间不宜过长，过长会使钢过分软化，对有的钢种甚至造成严重的回火 脆性，所以一般为 0.5-1 小时。3 冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到 马氏体，另一方面

8、又希望冷却速度不要太大，以减小内应力，避免变形和开裂， 为此，根据 c 曲线考虑，淬火工件必须在过于奥氏体最不稳定的温度范围（650 550C ）进行快冷，以超过临界冷却速度，而在M（300200C）点以下，尽可能慢S冷以减小内应力。为了保证淬火质量，应适当选用适当的淬火介质和淬火方法 , 见表3常用淬火介质的冷却能力表3常用淬火介质的冷却能力淬火冷却速度 c/秒介质650 550C300 200C18C的水60027020C的水50027050C的水10027074C的水3020010%NaCl 水溶液 18C110030010%Na0H 水溶液 18C120030010%NaCO3 水溶液

9、 18C肥皂水 380027030200矿物油15030变压器油12025（二）钢热处理后的基本特征：共析钢连续冷却曲线如图1所示。炉冷得到100%珠光体，空冷得到细片状珠光体或称索氏体。油冷得到少量 屈氏体和马氏体。水冷得到马氏体和少量残余奥氏体。随着成分和热处理条件不 同，钢热处理后的组织各不相同，基本组织特征如下：（1）索氏体（S）是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，其层片分布比珠光 体更细密，在显微镜的高倍（700 左右）放大下才能分辨出片层状，它比珠光体 具有更高的强度和硬度。（2）屈氏体（T）也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层分布比索氏 体更细密，在一般光学显微镜下无发分辨，只

10、能看到黑色组织如墨菊状，当其少图1 共析钢连续冷却曲线量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体，当析出量较多时则呈大块黑色晶 粒状。只有在电子显微镜下才能分辨出其中的片层状。（3）贝氏体（B）贝氏体也是铁素体与渗碳体的两相混合，但其金相形态与 珠光体不同，因钢的成分和形成温度不同，其组织形态主要有三种：上贝氏体 是由成束平行排列的条状铁素体和条间断断续续地分布着细 条状渗碳体所组成。当转换量不多时，在光学显微镜下可以观察到成束的铁素体 条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征，如图2所示。在电子显微镜下可看到 铁素体以几度到十几度的小位向差相互平列着,渗碳体沿条的长轴方向排列成行。 上贝氏体中铁素

11、体的亚结构是位错。下贝氏体 是在具有一定过饱和的针状铁素体的内部沉淀 有碳化物的组 织，由于下贝氏体易受浸蚀，所以在显微镜下观察呈黑色针状。图2上贝氏体显微组织（羽毛状）在电镜下观察可以看到，它是以片状铁素体为基，其中分布着很细的s碳 化物片，这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈55-65的角度。下贝氏体中的 铁素体亚结构是位错。粒状贝氏体 粒状贝氏体是最近十几年才被确定的组织。在低中碳合金钢 中，特别是在连续冷却时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往回出现这种 组织，在等温冷却时也可能形成。其特征是较粗大的铁素体块内有一些孤立的小 岛状组织，原先富碳的奥氏体区在其随后的转变可以有三种情况（a

12、）分解为铁素 体和碳化物，（b）发生马氏体转变，（c）仍然保持为富碳的奥氏体。（4）马氏体（M） 是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，马氏体的组织形态是多 种多样的，归纳起来分为两大类，即板条状马氏体和片状马氏体。板条状马氏体 在光学显微镜下，板条马氏体的形态呈现一束束相互平行 的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群。每束 内的条与条之间的小角度晶界分开，束与束之间具有较大的相位差，如图3所示, 由于条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现 象，故在金相实验时，易被腐蚀而呈现较深的颜色。在透射电镜下观察可以看到 马氏体群是由许多平行的板条所组成，

13、且发现板条马氏体晶内亚结构是高密度的 位错，因此条状马氏体又称为位错马氏体，因含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板 条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。图3条状马氏体显微组织片状马氏体 在光学显微镜下，片状马氏体呈现针状或竹叶状，其立体形态 为双透镜状，因此成温度较低没有自回火现象故其显微组织不易被浸蚀，所以颜 色较浅，在显微镜下呈白亮色。透射电镜观察片状马氏体晶体内部为孪晶亚结构， 故片状马氏体又称孪晶马氏体，因含较高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故片状 马氏体又可称高碳马氏体。马氏体的粗细取决于原奥氏体晶粒的大小，即取决于淬火加热温度如高碳钢 在正常温度下淬火加热，淬火后可得到细小针状的马氏体，在光

14、学显微镜下，仅 能隐约见其针状，故又称为陷晶马氏体。如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大，则 得到粗大针状如图4所示。(5) 残余奥氏体(Ar) 当奥氏体中含碳量0.5%时，淬火时总有一定量的 奥氏体不能转变为马氏体，而保留到室温，这部分奥氏体就是残余奥氏体，它不 易受硝酸酒精腐蚀剂的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定 形态，淬火后未经回火，Ar与马氏体很难区分，都呈白亮色，只有马氏体回火后 才能分辨出马氏体间的残余奥氏体。图4粗大竹叶状马氏体+Ar（6）回火马氏体（Mr） 高碳马氏体经低温回火后，马氏体分解，析出了与 母相共格的极细小弥散的碳化物。这种组织称为回火马氏体。由于极小的碳化物 析出使回火马氏体易受浸蚀，所以在光学显微镜下观察回火马氏体仍保持针状马 氏体形态，只是颜色比淬火马氏体深，但极细小的碳化物分辨不清。在电子显微 镜下则可观察到细小的碳化物。（7）低碳条状马氏体 低温回火以后，马氏体只发生碳原子的偏聚，尚未 析出碳化物，在光学和电子显微镜下观察，低碳回火马氏体仍然保持条状形态。 中碳钢淬火以后得到条状马氏体和片状马氏体的混合组织，回火后其中片状马氏 体易受浸蚀，颜色变深。（8）回火屈氏体 淬火钢进行中温回火