热处理实验报告

金属材料热处理实验报告
一、实验目的
1. 了解热处理工艺、组织和性能之间的关系。

2. 了解热处理设备和热处理工艺的实际操作，熟悉合金元素在低合金结构钢中的作用。

3. 考查学生综合运用所学理论和实验技术的能力，培养学生独立分析和解决问题的能力。

二、实验内容与方案
本实验采用的材料：45钢、T8钢、40CrNi钢三种。

对于每一种钢材，要求得到如下组织：
(1) 晶粒粗大的马氏体+残余奥氏体；
(2) 晶粒细小的马氏体+残余奥氏体；
(3) 回火马氏体；
(4) 回火屈氏体；
(5) 回火索氏体；
(6) 铁素体(或渗碳体)+珠光体。

对于45钢和40CrNi钢还要求得到如下组织：
(1) 屈氏体网+（马氏体+残余奥氏体）；
(2) 未转变为奥氏体的铁素体+（马氏体+残余奥氏体）。

三、实验设备与材料
1. 试样：直径φ14mm的40CrNi钢圆柱状小试样，
直径φ15mm的45钢圆柱状小试样，
直径φ16mm的T8钢圆柱状小试样。

2. 热处理加热炉：
高温热处理炉（≤1300℃）2台，中低温热处理炉（≤900℃）5台
3. 硬度计（洛氏硬度C标尺）
4. 金相显微镜01ympus LEXTOL S4100及数码照相系统
5. 磨光机及金相砂纸
6. 抛光机及抛光液
7. 浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等
四、实验工艺设计及实验处理过程和结果处理
1.工艺选择
表2 实验全部样品的显微组织及其热处理工艺设计用表（要求回火）
2.工艺选择分析：
工艺的选择的根据是亚共析钢和共析钢的连续冷却转变曲线，即CCT曲线。

45钢和40CrNi属于亚共析钢，T8钢属于过共析钢，对应曲线如下图所示。

亚共析钢CCT曲线图
过共析钢CCT曲线图
亚共析钢得到马氏体一般需要加热到AC3线以上30-50℃，保温然后快速冷却。

所以一般选择860℃作为热处理工艺温度。

产生粗晶马氏体的原因在于加热温度1000℃已经过高，马氏体就会发生变形，晶粒粗大。

860℃细晶马氏体性能硬度和韧性会更好。

要想在不产生铁素体的情况下得到屈氏体和马氏体的混合物，就需要改变淬火的介质，用冷却速度更低的油来代替水参与淬火工艺。

所以屈氏体+M就选择860℃油淬；当加热温度过低时组织中会产生F（铁素体），所以选择770℃水冷的方式来得到M+铁素体。

由于空冷的冷却速度明显低于临界冷速，所以会经过珠光体区，所以选择空冷来将奥氏体转变为珠光体和铁素体的混合物。

40CrNi相对于45钢而言Cr和Ni的含量增加，C含量减少，C曲线发生右移，所以相比45钢来说需要用油这种冷却速度较慢的介质代替水来完成淬火工艺。

产生粗晶马氏体的原因依然是加热温度过高。

冷却的时间较45钢略有减少，一般只需要28min即可。

对于T8钢这种过共析钢而言，一般加热温度只需要在AC1线以上30-50℃，所以细晶马氏体的热处理工艺温度选择为770摄氏度。

获得屈氏体+M的方式仍需要采取油淬的方式来实现。

获得先共析渗碳体和珠光体则需要冷却速度比油的速度更慢，所以选择空冷的热处理方法。

合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用，所以T8钢的保温时间较高，为32min。

回火种类示意图（a-低温回火 b-中温回火 c-高温回火）对于回火产物来说，回火一般分为低温（150℃-250℃），中温（350℃-500℃）和高温回火（550℃-650℃）。

不同回火温度对应的组织分别是回火M，回火T和回火S。

回火后的工艺处理均为空气中缓慢冷却，即空冷。

所以选择了不同的热处理工艺获得相应的组织。

3.实验步骤：
1）在工艺卡上选择钢种及目标组织
2)利用游标卡尺确定对应钢种试样的直径和长度并写在工艺卡上
3）在工艺卡上填写热处理温度及方法
4）设定箱式炉的温度，将试样放入箱式炉中，然后设置保温温度，保温过程结束后取出试样按照对应方式冷却。

5）冷却结束后放入葛氏硬度计测量硬度，记录在工艺卡中。

6）进行试样的金相制备过程。

7）金相制样
7.1手磨
(1)磨样前，清理实验台与玻璃板上的灰尘或磨料颗粒，以免影响磨样质量。

将 60#砂纸磨砂面向上平铺于玻璃板上。

(2)样品无标记面为磨制面。

根据需要可对磨制面进 45”倒角 0.5-1mm，手工或后续机磨均可。

(3)试样磨制面朝下，一手按住砂纸，一手提住试样(建议用大拇指、食指和中指捏持试样)，将试样适当按压紧贴砂纸沿直线推至砂纸边缘(图中a、b)，然后将试样提起脱离砂纸表面并返回到起始位置(图
中cd)，再进行第二次磨制。

如此反复进行单向打磨至磨制面平整且划痕方向一致。

(4)依次换上从粗到细牌号砂纸进行单向磨制。

每更换一道砂纸，试样磨制面旋转 90”，使上道次划痕与本道次划痕方向季直。

每道次磨制以磨面平整、划痕方向一致覆盖上道次划痕为止。

更换砂纸时注意清洁试样磨制面和玻璃板，避免把上道次粗砂纸砂粒带入下道次更细砂纸磨制过程中。

(5)重复3-4 步骤直至最细号砂纸。

(6)手磨结束后，清理实验台，整齐摆放砂纸。

7.2水磨
(1)清洁试样，避免将手磨砂粒带入水磨过程中，
(2)先打开预磨机电源，再打开水龙头调节水流大小，
(3)将磨制面手磨划痕沿研磨盘半径方向放置(因预磨机划痕方向沿研磨盘切线方向，如此放置可保证预磨划痕与手磨划痕方向垂直)，施加一定压力保持试样在研磨盘上位置不动(避免产生其他方向划痕)。

(4)当磨面平整、磨痕方向一致且完全消除上道次磨痕之后，本道次磨制结束。

可依次换上从粗到细牌号水磨测砂纸进行下道次预磨。

(5)预磨结束后，关闭水龙头，关闭电源，清理实验台。

7.3抛光
(1)清洁试样，避免将砂较带入抛光过程中。

(2)打开抛光机电源，稳定拿持试样，以适当压力将试样抛光面均匀按压在抛光布表面进行抛光。

抛光时试样所受摩擦力随施加压力增大而变大，所需握持力也应随之增大，因此开始抛光时应注意用力提持试样样品，而不要施加过大压力，避免试样脱手飞出。

(3)初始抛光时，试样位置宜在抛光盘圆心附近，感觉适应了抛光握持感后，可逐步将试样外移，这时试样所处位置抛光盘线速度增大，试样抛光面受摩擦力变大，抛光速度也加快。

(4)摄光过程中，可根据需要适当沾取抛光膏均匀涂抹于抛光面上后进行抛光，以加快抛光速度。

(5)抛光过程中适时、适量地打开水流，控制好抛光布的湿度。

(6)当抛光面上肉眼看不到划痕，整个抛光面平整光亮如镜，可清晰映像时，即可结束抛光。

(7)抛光结束后，关闭抛光机水源、电源，清理实验台和抛光机，将抛光膏等实验用品整理放置。

7.4浸蚀
(1)将微光好后的试样用大量清水冲洗，去除可能残留的擦光布纤维等污渍。

(2)用竹夹夹持吸满 45硝酸酒精的脱脂棉球均匀擦拭抛光面，抛光面应适当倾斜，避免浸蚀液流到手上。

(3)浸蚀过程中注意观察试样抛光面变化，待呈浅灰白后，即可使用大量清水冲洗抛光面，随后立即用竹夹夹持吸满无水酒精的脱脂棉球擦拭试样抛光面，最后用吹风机吹干试样表面。

浸蚀结束
(4)浸蚀过程中应小心防止腐蚀液接触到皮肤，若皮肤接触到腐蚀液，应及时用清水冲洗。

(5)浸蚀结束后，及时清理实验台，确认水通关闭。

将实验器材整齐按原位置摆放。

B.显微观察
1.使用显微镜前必须保证手、样品干燥整洁，不得残留有水、腐蚀剂、抛光膏等。

2.将试样放于显微镜载物台上，在机身右侧根据锁定方向指示打开调焦锁定，调节粗调焦旋钮，图像从模糊变至大致清晰后施转调救锁定至“Lock"
3点击亮度进度条上方“自动”按钮。

4.使用摇杆调节试样观察区域至目标观察区。

5.在软件中将鼠标指针置于视场上，用鼠标滚轮进行细微调焦。

当视场最清晰后，可用鼠标点选“50x”按钮，显微镜将自动切换至 50 倍物镜。

6.重复3、4步豫，将视场诱节至理相放大倍教和区域。

7.选择“自动”模式，点击“激光观察”，点击“获取”。

（8）查看45钢生成曲线，并在工艺卡上填写其他目标组织试样的热处理工艺，并生成温度和硬度的关系曲线。

4.工艺曲线
45钢的目标组织细晶马氏体经过淬火之后所得的工艺曲线图
5.实验结果
45钢
目标显微组织照片
40CrNi钢
硬度和温度关系曲线
目标显微组织照片
显微组织
T8钢
硬度和温度关系曲线目标显微组织照片
6. 分析淬火温度、淬火介质对组织和性能的影响；
淬火温度的选择随钢种不同而异，但均应以得到细小均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小马氏体。

淬火温度过高，会增加钢材的氧化和脱碳，并且由于奥氏体晶粒的长大，淬火后得到粗大马氏体，工件易变形开裂，机械性能下降。

淬火温度过低则钢件不能完全奥氏体化，得到铁素体加马氏体组织为不完全淬火，机械性能也达不到要求。

图1 Fe-C二元相图
本实验中使用的45钢和40CrNi样品，碳含量均低于共析点，属于亚共析钢，淬火温度应选择Ac3以上30-50℃。

从图1 Fe-C二元相图上看，高温下钢的状态处在单相奥氏体区内，故称为完全淬火。

淬火温度如高于Ac1低于
Ac3，则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体，即为不完全(或亚临界)淬火。

淬火后在高硬度的马氏体中将含有一定数量的低硬度的铁素体，淬火后硬度不足力学性能降低。

如淬火温度过高，奥氏体晶粒变大，淬火后得到的马氏体组织也变得粗大，脆性增加，材料的机械性能变差。

本实验中使用的T8钢样品，属于过共析钢。

淬火温度选择Ac1以上
30~50℃。

从图1 Fe-C二元相图上看，该状态处于奥氏体与渗碳体双相区，因而过共析钢的正常淬火仍为不完全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织，具有高硬度和高耐磨性。

淬火温度的变化将影响二次碳化物溶入奥氏体中的量，从而影响得到的马氏体淬火后组织。

若加热温度过高，先共析渗碳体溶解过多，甚至完全溶解于奥氏体，则奥氏体晶粒将发生长大，奥氏体碳含量也增加;相应奥氏体晶粒长大，淬火后马氏体组织变得粗大;同时由于奥氏体碳浓度高，马氏体转变点Ms、Mf下降，残留奥氏体量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。

同时钢件淬火应力增加，微裂纹增多，零件的变形和开裂倾向变大。

(2) 淬火介质对组织和性能的影响
淬火介质的选择取决于不同介质对应的冷却速度，选择快于临界冷速的介质作为淬火介质，这样样品才能够得到单一马氏体组织(从C曲线图看如此，实际可能有残余奥氏体)。

所以选择淬火介质首先是使冷速大于临界冷速V3，然后再选取尽量减小或避免变形及开裂者。

理想的淬火介质应当:在高温区，过冷奥氏体稳定性较好，所以冷却速度可适当慢些，以减小工件因急剧变温而引起应力;在过冷奥氏体最易分解的温度范围内(即C曲线的鼻尖部位)，具有较强的冷却能力，冷速快于临界冷速，以抑制过冷奥氏体的分解;而在接近Ms处，有较缓和的冷却速度，减小工件内外温差，减小组织应力，避免低温时工件塑性
减小而出现开裂。

这样的淬火介质有较高的淬火冷却速度，又不致造成过大的淬火应力。

淬火介质要结合具体材料的C曲线来进行选择。

7. 分析回火温度对组织与性能的影响；
回火一般分为低温回火，中温回火，高温回火三种，不同回火温度产生的组织以及对应的性能都有所不同。

(1)低温回火(250C以下)
得到回火马氏体组织，由马氏体分解得到片状a-Fe内分布着极细的 E碳化物，显微镜下观察到暗黑色针状组织，硬度比淬火马氏体略有下降但仍具有较高硬度和强度。

(2)中温回火(350C-450℃)
得到回火屈氏体组织，组织呈暗黑色，板条状或片状a-Fe上面分布微细粒状渗碳体，但光学显微镜下难以分辨。

具有较好弹性。

(3)高温回火(500℃-650℃)
得到回火索氏体组织，组织为细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织。

碳化物聚集并球化，高倍显微镜下可看到粒状渗碳体分布在a Fe基体上。

具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合机械性能，是三种回火方式中得到的综合性能最优的组织。

8.分析合金元素对淬透性、回火稳定性等的影响。

1）合金元素对淬透性的影响
合金元素的添加会改变钢的化学组成成分，只要合金元素的加入能够使得奥氏体冷却稳定化、临界冷却速度减小以及C曲线右移，那么这种合金元素的加入都可以增加该钢种的淬透性。

2）合金元素对回火稳定性的影响
随回火温度升高，工件的硬度、强度逐渐降低，但合金钢由于合金元素阻碍回火过程中的各种转变，将这些转变的发生温度推高，故硬度等性能随回火温度升高而下降较慢，使得回火稳定性高于碳钢。

但回火稳定性提高的大小程度由加入的合金元素种类和含量而定。