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1、实验三 碳钢的热处理工艺对组织与性能的影响一、实验目的1. 了解碳钢热处理工艺操作。2. 学会使用洛氏硬度计测量材料的硬度性能值。3. 掌握热处理后钢的金相组织分析。4. 探讨淬火温度、淬火冷却速度、回火温度对45和T12钢的组织和性能（硬度）的影响。5. 巩固课堂教学所学相关知识，体会材料的成分-工艺-组织-性能之间关系。二、实验内容1. 45和T12钢试样淬火、回火操作，用洛氏硬度计测定试样热处理前后的硬度。工艺规范见表61。2. 制备并观察标62所列样品的显微组织。3. 观察幻灯片或金相图册，熟悉钢热处理后的典型组织：上贝氏体、下贝氏体、片状马氏体、条状马氏体、回火马氏体等的金相特征。三
2、、概述1 淬火、回火工艺参数的确定。FeFe3C状态图和C曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。热处理工艺参数主要包括加热温度，保温时间和冷却速度。（1） 加热温度的确定淬火加热温度决定钢的临界点，亚共析钢，适宜的淬火温度为Ac3以上3050，淬火后的组织为均匀而细小的马氏体。如果加热温度不足（Ac3），淬火组织中仍保留一部分原始组织的铁素体，造成淬火硬度不足。过共析钢，适宜的淬火温度为Ac1以上3050，淬火后的组织为马氏体十二次渗碳体（分布在马氏体基体内成颗粒状）。二次渗碳体的颗粒存在，会明显增高钢的耐磨性。而且加热温度较Acm低，这样可以保证马氏体针叶较细，从而减低脆性。回火温度，均在Ac
3、1以下，其具体温度根据最终要求的性能（通常根据硬度要求）而定。（2） 加热，保温时间的确定加热、保温的目的是为了使零件内外达到所要求的加热温度，完成应有的组织转变。加热、保温时间主要决定于零件的尺寸、形状、钢的成分、原始组织状态、加热介质、零件的装炉方式和装炉量以及加热温度等。本试验用圆形薄片试样，在马福电炉中加热，加热温度在800900之间，按直径每毫米保温一分钟计算。回火加热保温时间，应与回火温度结合起来考虑，一般来说，低温回火时，由于所得组织并不是稳定的，内应力消除也不充分，为了使组织和内应力稳定，从而使零件在使用过程中性能与尺寸稳定，所以回火时间要长一些，不少于1.52小时。高温回火时
4、间不宜过长，过长会使钢过分软化，有的钢种甚至造成严重的回火脆性，一般在0.51小时。本试验淬火后的试样分别不同温度回火（见表62），保温时间均在1小时内。（3） 冷却介质冷却介质是影响钢最终获得组织与性能的重要工艺参数，同一种碳钢，在不同冷却介质中冷却时，由于冷却速度不同，奥氏体在不同温度下发生转变，并得到不同的转变产物。淬火介质主要根据所要求的组织和性能来确定。常用的介质有水、盐水、油、空气等。对碳钢而言，退火常采用随炉缓慢冷却，正火为空气中冷却，淬火为在水或盐水中冷却，回火为在空气中冷却。2 基本组织的金相特征碳钢经退火、正火后可得到平衡组织，淬火后则得到各式各样的不平衡组织，这样，在研究
5、钢热处理后的组织时，不仅要参考铁碳状态图和C曲线，从而还要熟悉以下基本组织的金相特征。 索氏体：是铁素体与片状渗碳体的机械混合物。片层分布比珠光体细密，在高倍（700左右）显微镜下才能分辨出片层状。 屈氏体：也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物。片层分布比索实体更细密，在一般光学显微镜下无法分辨，只能看到黑色组织如墨菊状。当起少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体；当析出量较多时，则成大块黑色晶粒状。只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层状。层片愈细，则塑性变形的抗力愈大，强度及硬度愈高，另一方面，塑性及韧性则有所下降。 贝氏体：从金相形态看，贝氏体主要有三种形态，即羽毛状上贝氏体和针状下贝氏
6、体、粒状贝氏体。（a） 上贝氏体基本特征：条状铁素体大致平行排列，在铁素体条间分布与铁素体条轴相平行的条状渗碳体。同时铁素体条内有较高的位错密度。（照片63，参照照片123）在上贝氏体中，渗碳体条间距决定与铁素体条的宽度，通常比珠光体的片间距大，且渗碳体的分布是断断续续的。上贝氏体的强度较低，同时由于在铁素体条间存在有狭长的碳化物沉淀，使条间易于断裂，故生产中应尽量避免这一组织产生。（b） 下贝氏体：黑色针状，有一定取向，比淬火马氏体易腐蚀，极相似于回火马氏体。下贝氏体特征：针状铁素体内沉淀有碳化物，碳化物的趋向与铁素体的长轴成5560。（照片64，照片124）（c） 粒状贝氏体：在低中碳合金
7、钢中，特别是连续冷却时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往出现这种组织，在等温冷却时也可能形成。其形成温度在中温转变区的较高温度。是由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。岛状组织刚形成时为富碳奥氏体，随后的转变可以有三种情况：分解为铁素体和碳化物；发生马氏体转变；仍然保持为富碳的奥氏体。（照片65） 马氏体：所谓马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体组织形态按其碳含量的高低分为两种，即板条状马氏体和片状马氏体。（a） 板条状马氏体：一般低碳钢或低碳合金钢淬火后得到板条状马氏体组织。其组织特征：尺寸大致相同的细马氏体条定向平行排列组成马氏体束或马氏体领域。在领域与领域之间位向差较大，一颗
8、原始的奥氏体晶粒内可形成几个不同的马氏体领域。条状马氏体具有较低的硬度，好的韧性。（照片61，照片121）（b） 片状马氏体：含炭量较高的钢中淬火后马氏体成片状（针状、透镜状、竹叶状）存在。它区别于条状马氏体的主要特征是：条状马氏体中毗邻的一根根马氏体是平行的、长度大致相同的狭条；而在片状马氏体中片间不互相平行，在一个奥氏体晶粒内形成的第一片马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒加以分割，使以后形成的马氏体片的大小受到限制。因此片状马氏体的大小不一。同时有些马氏体有一条中脊面，并在马氏体片周围有残留奥氏体存在。（照片62，照片122）片状马氏体具有高的硬度，低的韧性。 回火马氏体：
9、片状马氏体经低温回火（150250）后，得到回火马氏体。它仍具有针状特征，由于有极小的碳化物析出使回火马氏体极易浸蚀，所以在光学显微镜下，颜色比淬火马氏体深。（照片66） 回火屈氏体：淬火钢在中温回火（350500）后，得到回火屈氏体组织。其金相特征是：原来条状或片状马氏体的形态仍基本保持，第二相析出在其上。回火屈氏体中的渗碳体颗粒很细小，以至在光学显微镜下难以分辨，用电镜观察时发现渗碳体已明显长大。（照片67） 回火索氏体：淬火钢在高温回火（500650）回火后得到回火索氏体组织。它的金相特征是：铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体。碳钢调质后回火索氏体中的铁素体已成等轴状，一般已没有针状形态。（
10、照片68）必须指出：回火屈氏体、回火索氏体是淬火马氏体回火时的产物，它的渗碳体是颗粒状的，且均匀的分布在相基体上；而屈氏体、索氏体是奥氏体过冷时直接形成，它的渗碳体是呈片层状。回火组织较淬火组织在相同硬度下具有较高的塑性及韧性。四、方法指导1 实验材料及设备 45、T12钢试样，尺寸分别为1015、1012。 砂纸、玻璃板、抛光机等金相制样设备，按表62已制备好金相试样一套。 马福电炉。 洛氏硬度计。 淬火水槽、油槽各一只。 铁丝、钳子。 金相显微镜。2 实验步骤及注意事项实验前应仔细阅读实验指导书（包括附录四预习洛氏硬度计的原理、构造及操作），明确实验目的、内容、任务。全班分两大组，第一组：
11、学号21号以前同学12人；第二组：其余学好同学12人，各组，每人均完成以下表列内容之一。组织观察在普通显微镜上进行，确定后再贷数据采集的显微镜上各人保存成电子文档。（1）热处理与性能（硬度）测试表61 实验方案材料编号热处理工艺硬度 HRC最终组织加热温度 冷却方法回火温度 处理前处理后451860炉冷2860空冷3860油冷4860水冷5860水冷2006860水冷4007860水冷6008750水冷T129900炉冷10900空冷11900水冷12780水冷13780水冷200注意事项： 按组每人领取已编好号码的试样一块,扎好铁丝,按表61中规定条件进行处理。 各试样处理的加热炉已预先开好
12、，注意选用合适的加热温度。试样加热时，应尽量靠近加热电偶端点附近，以保证热电偶测出的温度尽量接近式样温度。开炉门放试样时要停电。 当试样颜色和炉膛颜色一致时，开始计算保温时间，保温10分钟后，立即取出正火或淬火。淬火槽应尽量靠近炉门，钳子不许直接夹试样，操作要迅速，并搅动试样，否则有可能淬不硬。试样出炉开炉门时也应停电。 试样经处理后，必须用纱布磨去氧化皮，擦净，然后在洛氏硬度计上测硬度值。 进行回火操作的同学，将正常淬火的试样，测定淬火后的硬度值，再按表61中所指定的温度回火，保温一小时，回火后再测硬度值。 每位同学把自己测出的硬度数据填入预先画好的表格中（表格画在实验室黑板上），各钢的退火硬度由实验室告知。记下本次试验的全部数据。（2） 组织分析制备并观察所处理样品的金相显微组织，画下组织特征示意图并和照片69至照片614对照，采集所处理试样的金相组织图像。（3）小组讨论五、实验报告以组为单位，每位同学写一份自己所做实验的小报告，全组同学结果共享，结合课堂所学相关知识讨论后，共同撰写一份总报告。报告要求出电子版。
