碳钢的热处理及组织性能分析实验

碳钢的热处理及组织性能分析实验
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，保温一段时间后缓慢冷却，如炉冷。

正火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后在空气中冷却。

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A
线以下某一温度后冷却。

1
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Ac
以上30~50℃。

3
共析钢，过共析钢：
淬火、退火的加热温度，在Ac1以上30~50℃；
正火加热温度在Acm以上30~50℃。

亚共析钢和过共析钢的淬火，退火温度范围不同（见图1），这是由于如果亚共析钢的淬火温度过低，在Ac1以上30~50℃，这时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。

图1淬火加热温度范围
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：（150~250℃）所得的组织为回火马氏体，硬度约为HRC60，目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℃）所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40，目的是获得高的弹性极限，同时有较好的韧性，主要用于中高碳钢弹簧的热处理。

高温回火：（500~650℃）所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC30，目的是获得既有一定强度、硬度，又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：
保温时间与加热介质，加热温度，钢的成分和工件的形状尺寸等因素有关。

生产上一般根据经验公式确定。

试验中碳钢所用的保温时间可按每毫米直径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。

淬火的冷却方法非常重要。

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2），估计连续冷却速度的影响。

图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：
V
1
炉冷，得100%的珠光体。

V
2
空冷，的较细的珠光体（即索氏体）
V
3
油冷，得屈氏体和马氏体和残余奥氏体
V 4水冷，得马氏体和A
残
(2) 亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织：
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素体析出线。

V
1
炉冷，得铁素体和珠光体。

V
空冷，得铁素体和索氏体。

2
油冷，得网状分布屈氏体和马氏体（可有少量贝氏体）。

V
3
水冷，得马氏体。

V
4
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（700倍以上）放大才能分辨，硬度约为HRC30。

(2) 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。

当其少时析出时，沿晶介分布，呈黑色网状，包围着马氏体，当析出量较多时，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。

硬度约HRC35~40。

(3) 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。

片状马氏体的硬度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束，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(Ar)
奥氏体淬火时，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，未经回火时，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。

）
(5) 回火马氏体（M
回
马氏体经低温回火（150~250℃）所得到的组织为回火马氏体，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
具有高的强度和硬度，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（350~500℃）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。

它是铁素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℃）所得到的组织为回火索氏体，它是再结晶了的铁素体基本上分布着粒状渗碳体，回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，回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。

四、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
1 2 3 平均
45 860 炉冷空冷油冷
水冷
水冷200
水冷400
水冷600 750 水冷
T12 750
炉冷
空冷
油冷
水冷
水冷200
水冷400
水冷600 860 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
1 45钢860℃空冷4%硝酸酒精F+S
2 45钢860℃油冷4%硝酸酒精M+F
3 45钢860℃水冷4%硝酸酒精M
4 45钢860℃水冷，600℃回火4%硝酸酒精S回
5 T12 750℃水冷，200℃回火4%硝酸酒精M回+CmⅡ+Ar
6 T12 750℃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. 全班每七人分成一组，每人一个试样。

炉冷试样可由实验室事先处理好。

2. 将炉温升到860℃，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℃、400℃、600℃的炉内进行回火，回火保温时间为30分钟。

4. 淬火时，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. 写出实验目的。

2. 附上全套硬度数据。

3. 画出冷却速度—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。