碳钢热处理及硬度检测实验指导书

碳钢热处理及硬度检测

实

验

指

导

书

机械工程学院

2014.10.8

目录

一、实验目的.................................................................................................... １

二、实验设备和仪器........................................................................................ １

三、实验内容及要求........................................................................................ １

四、实验原理及步骤........................................................................................ １

五、实验结果分析及实验报告要求................................................................ ６

六、考核方式.................................................................................................... ６

一、实验目的

了解钢的热处理操作及硬度实验原理，正确设计、制定钢的淬火工艺，利用热处理炉和硬度计进行碳钢的热处理，并用硬度计检测硬度，分析硬度与热处理工艺的关联性，从而增强对热处理原理与工艺的感性认识，加深对热处理的了解。

通过实验，使学生加深对课堂教学内容的理解，掌握热处理的基本原理和工艺基本知识，熟练使用热处理相关仪器设备。同时可逐步提高从事本专业科学研究实验以及分析和解决实际工程问题的动手能力；提高学生将理论与实践相结合的能力。

二、实验设备和仪器

1、HR-150A型洛氏硬度计。

2、箱式电炉及控温仪表若干台。

3、冷却介质：水、油（室温）

4、试样材料： 45钢若干

三、实验内容及要求

实验内容：对45钢样品分别进行750℃、800℃、840℃淬火，200℃回火后，进行硬度检测实验，分析其硬度的变化，找出其规律性，最终确定其合适的热处理工艺。分析碳钢热处理工艺对组织性能的影响规律，撰写完整的实验分析报告。

实验要求：要求学生了解碳钢普通热处理(淬火、回火)的操作方法；了解钢在热处理时加热温度、加热时间、冷却速度及回火温度等主要因素对钢热处理后组织与性能的影响；明确热处理过程中的操作注意事项；制订热处理工艺过程、设计操作步骤、确定工艺参数(如加热温度、保温时间、冷却速度等)；了解钢普通热处理(淬火、回火)下的金相组织变化和性能变化，建立金相组织、性能与热处理工艺关系的感性认识；使学生具备在指定工作条件下制定热处理工艺，以及通过热处理实践操作、硬度检测等实验过程，对相应的工艺进行初步实验、分析的能力。为今后的学习与实践奠定理论与实践的基础。

四、实验原理及步骤

１、实验原理

（1）碳钢的热处理工艺种类

热处理是改善金属材料的使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。在机械工业中，绝大部分重要的机件都必须经过热处理。热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，

以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种工艺。碳钢的热处理工艺种类有退火、正火、淬火、回火等，其目的和操作各不相同。淬火、回火一般可提高钢的硬度强度，正火、退火一般为预备热处理，可改善材料工艺性能及力学性能。为了使钢件在热处理后获得所需要的性能，大多数热处理工艺（如淬火、正火和普通退火等）都要将钢件加热到高于临界点温度，以获得全部或部分奥氏体组织并使之均匀化，这个过程称为奥氏体化。然后通过不同的冷却速度，使奥氏体转变为不同的组织（包括平衡组织与不平衡组织），从而获得所需的性能。

亚共析钢、过共析钢的奥氏体形成，以及先共析铁素体或二次渗碳体继续向奥氏体转变或溶解的过程，只有加热温度超过A3（亚共析钢）或Acm（过共析钢）后，才能全部转变或溶入奥氏体。特别地，对过共析钢，在加热到Acm以上全部得到奥氏体时，因为温度较高，且含碳量多，使所得的奥氏体晶粒明显粗大。

（2）碳钢的热处理工艺制定原则

a、淬火温度的选择

亚共析钢淬火：淬火温度为Ac3+30-50℃。

共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+30-50℃。如图1所示。

图1碳钢淬火温度范围

b、保温时间的确定

淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算（保温时间计算公式：t=akd。其中a单位材料升温时间，k系数，d材料厚度）。

c、冷却速度的影响

冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢火后的组织和性能。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，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图（如图2所示，1单液淬火，2双液淬火，3分级淬火，4等温淬火），

使淬火工作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℃）时冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等)。不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。

（3）硬度测试原理

硬度是衡量材料软硬程度的指标。目前工程上，测定硬度最常用的方法是压入法，该方法所表示的硬度是指材料表面抵抗硬物压入的能力。

硬度试验设备简单，操作迅速方便，又可以直接在零件或工具上进行试验而不破坏工件，并且还可以根据硬度值估计材料的近似抗拉强度和耐磨性。此外，硬度与材料的冷成型性、切削加工性、可焊性等工艺性能间也存在着一定的联系，可作为选择加工工艺时的参考。由于以上原因，所以硬度试验在实际生产中作为产品质量检查、制定合理加工工艺的最常用的重要试验方法。在产品设计图样的技术条件中，硬度也是一项主要技术指标。测定硬度的方法很多，生产中应用较多的有洛氏硬度、布氏硬度和维氏硬度等试验方法。

洛氏硬度

洛氏硬度试验是以一定的压力将一特定形态的压头压入被测材料的表面，如图3所示。根据压痕的深度来测量材料的软硬，压痕愈深，硬度愈低，反之硬度愈高。被测材料的硬度可直接在硬度计刻

度盘上读出。

图2各种淬火方法冷却曲线图3洛氏硬度试验原理图

表1 常用洛氏硬度的试验条件和应用

按压头和载荷不同，洛氏硬度分为HRA、HRB和HRC三种类型，如表1所示。