热处理综合实验8.28

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
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。

（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。

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。

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。

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。

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，条理清楚，在实验完
成后一周内必须交给相关实验老师。

八思考题
1 如何用金相法分析钢的成分？
2 说明奥氏体晶粒度的概念。

为什么要研究奥氏体晶粒度及其影响因素？
3 为什么说加热温度是影响奥氏体晶粒度的主要因素？
4 为什么要采用几种不同的方法来测定奥氏体晶粒的大小？
5 钢热处理后的马氏体形态与性能之间有何关系？
6 钢的回火组织与性能之间有何关系，不同成分的钢如何选用回火温度？
7 钢淬火时的异常组织有那些类型，热处理中如何避免？
8 金相组织照片获取有哪些要求，不同组织形态有何不同？实验成败的关键有哪些？
预习要求
第一，制定实验方案
第二，材料选择（热处理后预期的性能）
第三，热处理工艺制定（包括加热温度，保温时间，冷却方式，是否回火）第四，说明工艺参数制定的依据
实验报告规范：
一实验目的及方案
二实验设备
三实验过程
四实验数据及结果
五数据分析及讨论
六实验结论
七小结及体会
附件实验记录示范
根据淬火条件不同，分批次进行，记录可列表如表7。

根据回火温度不同，分3个批次进行（200-400-600℃）。

各小组将已经正常淬火并测定过硬度的45或T12钢试样分别放入指定温度的炉内加热，保温30分钟，然后取出空冷。