热处理 综合实验指导书

《热处理综合实验》综合实验指导书

适用专业:材料科学与工程(材料工程方向)

课程代码: 8102001

总学时: 2.5周总学分:2学分

编写单位:材料科学与工程学院

编写人:贺毅

审核人:

审批人:

批准时间: 07 年 1 月 6 日

一、实验目的和任务

1、通过本实践环节的进行，熟悉钢铁材料常见的热处理工艺和金相观察及硬度测试等过程，了解

材料热处理相关设备及操作和硬度计的使用，掌握金属材料的制样技术，并掌握在金相显微镜下识别常见的热处理组织，掌握金相摄照及暗室技术，能根据所学理论知识对实验数据及结果进行分析。通过本次综合实验培养学生的动手能力，理论联系实际的能力。

2、掌握钢铁材料的常见热处理工艺的工艺参数确定原则，实施热处理操作。

3、对热处理后的钢进行金相组织观察及摄照。

4、对热处理后的钢选择正确的硬度测试方法，进行硬度测试。

5、数据处理、结果分析。

6、完成热处理综合实验报告。

二、实验内容

1、热处理方案的确定

（1）设计钢的退火、正火热处理方案：

目的①了解含碳量对钢退火、正火组织的影响

②退火、正火工艺对同一钢材组织的影响

③了解含碳量对退火组织硬度的影响

（2）设计不同马氏体形态的热处理方案：

目的①了解含碳量对马氏体形态的影响

②热处理工艺对马氏体形态的影响

③了解含碳量对淬火钢硬度的影响

（3）设计不同冷却介质的热处理方案：了解冷却介质对过冷奥氏体转变产物的影响。

（4）设计淬火钢的回火组织的热处理方案：

目的①了解回火温度对回火组织的影响

②了解合金元素对回火组织的影响

③了解回火温度和合金元素对硬度的影响

本综合实验共分三个组，实验内容（1）为每组必选内容，实验内容（2）、（3）、（4）三个组各选一个内容。

2、根据所选定的热处理方案，选择材料，查阅参考资料，确定热处理工艺参数。

3、切割取样，选择热处理设备，校正设备温度，准备冷却介质。

4、正确进行热处理操作。

5、磨制样品，抛光腐蚀，观察热处理后组织，分析组织变化规律，并对典型组织摄照。

6、对热处理后样品选择硬度测试方法并进行测试。

7、金相照片及硬度数据结果处理、分析。

8、根据热处理综合实验要求完成热处理综合实验报告。

三、实验仪器、设备及材料

1、实验仪器、设备：

砂轮切割机1台线切割机1台

砂轮机2台热处理炉4～6台

抛光机多台金相显微镜多台

硬度计2台印相机2台

上光机2台

2、实验用材料：

原料：各种钢材（见表1），铁丝，淬火介质（盐水、水、油等）

砂纸10～14套

抛光布3～5张

腐蚀剂、酒精适量

金相底片、金相像纸各10～12张

表1 热处理综合实验所需钢材

四、实验原理

1、钢的热处理原理：固态金属利用加热和冷却，使金属材料的组织和结构发生改变，从而进行材料的组织设计。钢的热处理原理包括钢的加热转变和冷却转变。在加热转变中，满足奥氏体形成的热力学和动力学条件使钢的原始组织发生向奥氏体组织的转变，控制加热速度、加热温度及时间，得到所需要的组织状态。在冷却转变中，过冷奥氏体在A1温度以下在不同的转变温度区间或不同的冷却速度下发生不同类型的组织转变：在A1到550℃左右的高温区或冷却速度缓慢时，发生珠光体转变得到珠光体组织；在550℃左右到Ms点的中温区或冷却速度较快时，发生贝氏体转变，得到贝氏体组织；在Ms至Mf之间的低温区或冷却速度快时，发生马氏体转变，得到马氏体组织。淬火组织(贝氏体、马氏体)进行回火转变，根据回火温度的不同得到回火马氏体、回火屈氏体及回火索氏体组织。控制钢的热处理过程，得到珠光体组织、贝氏体组织、马氏体组织及回火组织，它们具有不同的性能特点，可以满足不同的机器零件的要求。

2、钢的退火、正火的组织形态：钢的退火组织接近平衡状态组织，当含碳量在0.02-0.77%范围时是亚共析钢，退火组织为F＋P,随含碳量增加，F逐渐减少，P逐渐增多；当含碳量为0.77%时是共析钢，退火组织全部为P；当含碳量在0.77-2.11%范围时是过共析钢，退火组织为P＋Fe3CⅡ，随含碳量增加，P逐渐减少，Fe3CⅡ逐渐增多。钢的正火组织，因冷却速度较快，组织与退火组织有差异，如相同含碳量的亚共析钢中铁素体比退火组织少，过共析钢无网状Fe3CⅡ。

3、钢中常见马氏体形态：

马氏体形态早期主要指在光学金相显微镜下观察到的组织形态。随着电子显微术的发展。还包括马氏体的精细结构。我们知道，钢的成分不同，热处理条件的差异，对马氏体形态、马氏体亚结构及显微裂纹的倾向性影响很大，马氏体形态与马氏体的亚结构有着内在的联系，它们对马氏体的机械性

能（强度和韧性）又有着直接的影响。因此，观察马氏体形态，研究马氏体形态关系密切。因此也可以通过马氏体形态的观察来分析零件的热工艺史及进行废品分析等。关于板条马氏体的片状马氏体的一般形貌特征，教科书上已有专门讲解，故不再赘述。这里要指出的是，片状马氏体其空间形态为凸透镜状。这只是一般的叙述。实际上由于奥氏体浓度不均等原因。马氏体的生长受阻，片状马氏体不一定表现为规则的凸透镜状。而有时是不规则的。另外，一般中，高碳钢在正常温度淬火，多得到板条片状的混合组织（及混合马氏体），或者得到隐晶马氏体（实际上也是混合马氏体）。这时，在光学显微镜下往往难以分辨它们的特征，只有借助电子显微镜对于亚结构的观察，才能得到正确的结论。隐晶马氏体是一般高碳钢常规淬火以后的正常组织，若发现片状则表明淬火温度偏高。

4、淬火钢的回火组织形态：

1）回火马氏体：回火马氏体组织是淬火钢经低温回火（150～250℃）后获得的组织。高碳淬火钢低温回火后得到的回火马氏体，是由过饱和的α固溶体与高度弥散的ε碳化物组成的两相混合物，在金相显微镜下呈暗色针状组织，不能分辨出ε碳化物的存在，只有在电子显微镜下，才能见到过饱和的α固溶体上分布有细小的ε碳化物，立体上，高碳淬火钢经低温回火得到的回火马氏体，仍然保留其原淬火马氏体的片状形态。而低碳淬火钢经低温回火或自回火后，则只有碳的偏聚，而无碳化物的析出，原淬火马氏体的板条形态，保持不变。对于中碳淬火钢经低温回火后，既有碳原子的偏聚，又有ε碳化物的存在，其回火马氏体的形态仍然各保持其原淬火马氏体的片状和板条状。

2）回火屈氏体：淬火钢在350～500℃中温回火后得到回火屈氏体，是由针状铁素体与粒状渗碳体组成的混合物。在金相显微镜下，其中的粒状渗碳体，仍然不能分辨。也只有在电子显微镜下，才能见到在针状铁素体的基体上分布着大量微细的粒状渗碳体。但应注意：⑴回火屈氏体中的渗碳体颗粒比回火马氏体中的ε碳化物要粗大一些；⑵回火屈氏体中的渗碳体与基体铁素体已无共格关系，而回火马氏体中的ε碳化物与过饱和α固溶体有共格关系；⑶回火屈氏体隐约可见原马氏体形态。

3）回火索氏体：淬火钢在500～650℃高温回火后，得到回火索氏体，它是多边形的铁素体晶粒与粒状渗碳体组成的混合物。其中的渗碳体颗粒又较回火屈氏体中的粗一些，而弥散度则小一些，在金相显微镜下，仍然分辨不出小的碳化物颗粒，也只有在电子显微镜下，才能见到在多边形铁素体的基体上分布着大量较粗的粒状渗碳体；金相显微镜400倍下可清晰地分辨高温回火时回火温度较高或回火时间较长的粗大的球状渗碳体。

5、冷却介质对过冷奥氏体转变产物的影响：

钢的连续冷却转变是相对等温转变而言的。与等温转变不同，连续冷却转变是在一个温度区间内进行的。由于转变温度不同，即由于过冷度不同，过冷奥氏体的转变产物也不同。这样，对一个零件来说，不但在不同部位上，而且在同一个部位的同一视场中，可以观察到不同过冷度的不同转变产物。