金属材料及热处理实验报告.docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上金属材料及热处理实验报告学 院： 高等工程师学院 专业班级： 冶金E111 姓名： 杨泽荣 学号： 2014年6月7日45号钢300回火后的组织观察及洛氏硬度测定目录专心-专注-专业一、 实验目的1. 掌握碳钢的常用热处理（淬火及回火）工艺及其应用。2. 研究加热条件、保温时间、冷却条件与钢性能的关系。3. 分析淬火及回火温度对钢性能的影响。4. 观察钢经热处理后的组织，熟悉碳钢经不同热处理后的显微组织及形态特征。5. 了解金相照相的摄影方法，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。二、 实验原理钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而

2、获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。进行热处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素。正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。1. 加热温度的选择1) 退火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3+(2030)（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1 +(2030)（球化退火），目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。2) 正火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3 +(3050)；过共析钢加热至Accm +(3050)，即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围选择见图2.1。3) 淬火加热温度

3、 一般亚共析钢加热至Ac3+(3050)；共析钢和过共析钢加热至Ac1+(3050)，见图2.2。钢的成分，原始组织及加热速度等皆影响到临界点的位置。在各种热处理手册或材料手册中，都可以查到各种钢的热处理温度。热处理时不能任意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变形等都会变得比较严重。各种常用钢的工艺规范见表2.1。4) 回火温度的选择 钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（常常是根据硬度的要求）。按加热温度高低回火可分为三类：图2.2 淬火的加热温度范围 图2.1 退火和正火的加热温度范围 表2.1 常用钢的工艺规范钢号临界点退火正火淬火AAA加热温

4、度冷却方式加热温度冷却方式加热温度冷却方式35724802850-880炉冷850-890空冷850-890水或盐水45724780820-840炉冷830-880空冷820850水或盐水T7-T12750770炉冷空冷780-800水或油T8A730730740-760炉冷760-780空冷750780水、硝盐、碱浴T10A730800800750-770炉冷800-850空冷760790水、硝盐、碱浴T12A730820820750-770炉冷850-870空冷760790水、硝盐、碱浴a 低温回火 在150250的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60。其目的是降低淬

5、火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承件。b 中温回火 在350500的回火称为中温回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC4048。其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于含碳0.50.8%的弹簧钢热处理。c 高温回火 在500650的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC2535。其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。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。2. 保温时间的确定为了使工件内外各部分温度约达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加

6、热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。1) 退火、正火保温时间 实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度或直径每毫米需一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米二分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短12倍。2) 淬火加热保温时间按下列经验公式估算：式中 t保温时间(min)； 加热系数(min/mm) （见表2.2）； K工件装炉方式修正系数（一般 K

7、= 11.5）； H工件有效厚度(mm)（尺寸最小部位）。表2.2 加热系数 (min/mm) 加热温度 及炉型材料750900盐浴加热或预热800900箱式或井式炉加热11001300高温盐浴炉加热碳钢直径500mm0.30.40.40.451.01.21.21.5合金钢直径50mm0.450.50.50.551.21.51.51.8高合金钢11.50.350.50.170.25高速钢0.30.50.140.253) 回火时间 回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。回火时间一般为13h，可参考经验公式加以确定：式中 t回火保温时间(min)；D工件有效厚度(mm)；b附加时间，

8、一般为1020min；加热系数（箱式电炉取22.5min/mm）。3. 冷却方法热处理时的冷却方式要适当，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（常化）采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（650550）快冷，超过临界冷却速度，而在Ms（300100）点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度如图2.3所示。常用淬火方法有单液淬火、双液淬火（先水冷后油冷）、分级淬火、

9、等温淬火，如图2.4所示。表2.3中列出了几种常用淬火介质的冷却能力。图2.3 淬火时的理想冷却曲线示意图 图2.4 各种淬火冷却曲线示意图表2.3几种常用淬火剂的冷却能力冷却介质冷却速度/s冷却介质冷却速度/s650550区间300200区间650550区间300200区间水（18）60027010%NaCl水溶液1100300水（26）50027010%NaOH水溶液1200300水（50）10027010%Na2CO3水溶液800270水（74）3020010%Na2SO4水溶液750300肥皂水30200矿物油1503010%油水乳化液70200变压器油12025三、 实验材料与设备1

10、. 实验材料试样：直径15mm，高度15mm的45钢圆柱状小试样，化学成分见表3.1CSiMnCrNiSPCu不大于0.420.500.170.370.500.800.250.300.0350.0350.25表3. 1 45钢化学成分表2. 实验设备1) 热处理加热炉：箱式电阻炉（1300）2台，箱型电阻炉（900）5台；2) HR-1500洛式硬度计（洛氏硬度C标尺）；3) 金相显微镜及数码照相系统磨光机及金相砂纸；4) 抛光机及抛光液；5) 浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等；四、 实验步骤利用箱式电阻炉、洛式硬度计、金相显微镜对45钢样品进行热处理(淬火加300回火)、测硬度

11、以及显微组织观察分析。本实验以得到马氏体为目标，需要经过淬火加回火工艺获得良好的性能及符合要求的组织。1 试样的热处理1.1 淬火1) 加热温度 根据本实验热处理的目的和图2.2、表2.1，本实验选择淬火加热温度为8602) 保温时间 本45号钢样品直径为15mm的小圆柱体，高度与直径相差不大。所以不单独考虑升温时间，取2min/mm，k取1。根据实验原理中的式子，计算得加热时间为30min。 3) 冷却介质 由45钢的连续冷却转变曲线可知，碳钢的临界冷却速度很大，应选用具有较强冷却能力（见Error! Reference source not found.）的水作为冷却介质，才能避免冷却曲线

12、与C曲线相交，得到马氏体组织。已查得45钢淬火临界直径如表4.1所示，选择水作为淬火冷却介质能保证15mm圆柱样品被淬透。淬火介质静油20水40水20 5%NaCl 水溶液临界直径（mm）10201621.5表4.1 常用冷却介质的冷却直径具体操作：把样品放入箱式电阻炉（型号SRJX-4-13）内恒温区的耐火砖上，调节加热温度，待测温仪显示为860时开始计时，保温30min后，用火钳夹出样品迅速放入冷水槽中并剧烈搅拌，使样品能淬透。1.2 回火1) 加热温度 实验要求的回火加热温度为300（但是通过查阅资料发现，钢淬火后在300左右回火时，易产生不可逆回火脆性，为避免它，一般不在250350

13、范围内回火。）2) 保温时间 由公式确定，查得300以下，箱式电阻炉b=25min，=1 min/mm，样品D=15mm，将数据代入得到回火保温时间t为40min。3) 冷却介质 空气，进行空冷。具体操作：把经过淬火处理后的样品放入已调好温度的300箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上，待使炉温稳定后开始计时，保温40min后，用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。2 试样硬度测定将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨，去掉表面氧化皮。用60#砂纸将试样表面磨平，再依次使用150#、240#、400#、600#、800#砂纸打磨。然后，将样品放在洛式硬度计的载物台上，采用洛式硬度C标尺测量样品

14、硬度（硬度计压头为金刚石，量程2070HRC，加载载荷为150kg）。在试样上不同位置取四个点，第一个点不计入数据，后三个点计入数据，若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀，最后对三个测量值求平均值。3 显微组织观察与拍照记录3.1 样品的制备1) 样品的磨光。用一套金相砂纸（包括60#，150#，240#，400#，600#，800#）在玻璃板上先粗后细逐号磨光。注意每换上一号细一些的砂纸时，将磨光方向转换90，以便于观察原磨痕的消除情况。最后，将样品在磨光机上用1200#砂纸磨光，注意手持样品应用力均匀，用力也不宜过大。2) 样品的抛光。样品在金相样品抛光机上细抛，使样品表面达到光亮如镜的

15、光洁度。3) 显微组织的显示。将抛光好的样品，直接在显微镜下观察，应基本上没有磨痕和磨坑，而无法观察到晶界、各类相和组织。本实验采用化学浸蚀法，将浸蚀液（4%硝酸酒精）和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中，用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试，当光亮镜面呈浅灰白色，立即用水冲洗，并用酒精擦洗后经吸水纸吸干。3.2 显微组织的观察与记录制备好的样品用显微镜在40400倍不同放大倍数下观察组织，体会放大倍数的不同对组织观察的影响。选择合适的放大倍数（500倍）利用数码照相系统对45钢样品进行数码照相。五、 实验结果与分析1. 样品硬度与显微组织分析45钢300回火马氏体组织如图5.1所示。回火马氏体在

16、光学显微镜下呈暗黑色板条状组织，从图中可看出样品浸蚀效果较好，条片状马氏体组织清晰。图5.1 45钢300回火的显微组织测得该样品硬度为50.9HRC。根据其硬度和微观组织形貌可以判断，生成了回火屈氏体。因此，实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织，且硬度实验值也与手册符合得较好。2. 淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响以下以45钢为例，结合实验小组其他成员样品热处理工艺的显微组织和硬度测量值（Error! Reference source not found.），分析淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响。显微组织粗晶马氏体细晶马氏体铁素体+马氏体屈氏体网+马氏体硬度/HRC55.45

17、0.952.822.3（样品有误）24.721.3拟用工艺1000、30min、水冷860、30min、水冷770、30min、水冷860、30min、油冷表5.1 45钢不同处理工艺后硬度测量值2.1 淬火温度的影响45钢的淬火加热温度应在Ac3以上3050，淬火温度选860可得细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。若在Ac3以上过高温度如1000加热，会使奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体粗大，脆性增大，硬度下降，粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。若在Ac1 Ac3之间的两相区加热，如770淬火后，高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体，造成硬度不足（见表 5.2），力学性能降

18、低。2.2 淬火介质的影响常用淬火介质及其冷却能力如Error! Reference source not found.所示，可知水具有较大的冷却能力，但在低温区冷却速度太快，工件容易淬裂，另外水冷却能力对温度变化敏感，水温升高，冷却能力急剧下降。油全程冷却速度均比水小，在低温区冷却速度合适，但在高温区冷却能力却很低。淬火介质冷却速度（/s）在 650550区间在 300200区间水（18） 600 270水（26） 500 270水（50） 100 270矿质机油 10020表 5.2 常用淬火介质及其冷却能力碳钢的临界冷却速度大，一般采用冷却能力较强的淬火介质如水，才能得到全部为马氏体的显

19、微组织。若选用油作为淬火介质，由于其冷却速度小，冷却曲线会与CCT曲线“鼻尖” 处相交，转变过程得到小部分屈氏体组织，因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出，并连成网状结构，室温下得到屈氏体网+马氏体显微组织，使强度降低，硬度明显下降（见Error! Reference source not found.）。3. 回火温度对钢组织与性能的影响3.1. 回火温度对45钢组织的影响钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体，都是亚稳相。一旦进行加热，原子扩散能力加 强，会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。随回火温度升高，转变大致分为五个阶段：1.马氏体中碳原子的偏聚；2.马氏体的分解；3.残余奥氏体的转变；4

20、.碳化物的转变；5.碳化物的聚集长大和相回复、再结晶。45钢在150350低温回火，得到回火马氏体组织。回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。低温回火后，只是碳原子的偏聚，与淬火马氏体没有显著区别，但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀，故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。在350500中温回火后，得到回火屈氏体组织。由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体，渗碳体聚集长大并球化，条状相上分布着微细粒状渗碳体，但光学显微镜下难以分辨。在500650高温回火，得到回火索氏体组织。这时相发生再结晶，由等轴状铁素 体逐步代替针状相。其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织，光学显微镜下

21、能分辨出渗碳体颗粒。若45钢在650A1间回火，粒状渗碳体明显粗化，将得到粒状珠光体组织。3.2. 回火温度对 45 钢硬度和强度的影响组别12345回火温度20030040050060045钢回火后硬度(HRC)53.650.940.124.521.5340C rNi回火后硬度(HRC)51.9750.145.936.331.6表 5.3 不同回火温度与测量硬度值图 5.2 硬度变化曲线图从Error! Reference source not found.，Error! Reference source not found.可以看出，淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。45钢在200以下

22、回火，硬度下降缓慢，这是由于固溶体析出大量的碳化物，增大塑性变形抗力，使硬度下降延缓。200300 回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用，硬度下降趋势平缓。300以上回火，随着碳化物变为渗碳体，共格破坏以及渗碳体聚集长大，使硬度快速下降。金属材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。通过黑色金属硬度及强度换算值2，能将45钢的硬度值换算成强度值，因此，随着回火温度升高，钢的强度降低。4. 合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响以下以45钢和40CrNi钢为例，分析合金元素对钢的淬透性

23、、回火稳定性的影响。4.1. 合金元素对钢的淬透性的影响淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力，其大小用一定条件下淬火时钢的淬透层深度来表示，主要取决于钢的临界冷却速度的大小。比较45钢和40CrNi钢的淬透性曲线，在相同的淬火介质下，40CrNi钢的临界淬火直径明显大于45钢。这两种钢样的碳含量相差不大，而对于40CrNi钢，加入的Cr、Ni合金元素溶入奥氏体后，Cr为中强碳化物，会提高C原子的扩散激活能，同时Ni还能提高原子的结合能，抑制了的转变。由于合金元素的扩散速度很缓慢，降低了原子扩散速度，使过冷奥氏体的稳定性增加，马氏体临界冷却速度变小，临界淬火直径增大，因此，合金元素能增大钢的淬

24、透性。4.2. 合金元素对钢的回火稳定性的影响淬火钢在回火时，抵抗软化的能力称为回火稳定性。不同的钢在相同温度回火后，强度、硬度下降也不同，下降少的其回火稳定性较高。比较Error! Reference source not found.中45钢和 40CrNi钢硬度变化曲线可知，40CrNi钢回火硬度的降低过程较缓，回火稳定性较高。因为合金元素阻碍了回火过程马氏体分解和碳化物聚集长大，使回火硬度降低过程变缓，从而提高了钢的回火稳定性。因此，由于合金钢的 回火稳定性比碳钢高，若要得到相同的回火硬度，则合金钢的回火温度就要比同样含碳量的碳钢高，回火时间也要长。5. 碳含量对钢的淬硬性的影响以45

25、钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，主要与钢的含碳量有关。本实验45钢和T8钢正常淬火得到细小马氏体组织后，测其硬度值分别为56.5HRC和67.7（68.3）HRC。比较这两数据可知，随着钢的含碳量增加，淬硬性增强。因为钢淬火得到的组织为马氏体，马氏体的硬度主要取决于含碳量，随碳含量的增加，马氏体的硬度增大，这主要是由于碳的固溶强化作用，另外，随碳含量的增加，马氏体转变点Ms和Mf都降低，促进了自回火现象的发生，使碳化物弥散析出产生时效强化。因此，提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。六、 结论根据所做实验及其结果可得以下结论：1. 淬火条件影响样品

26、的组织和性能。淬火温度及冷却速度（选择有效的冷却介质）适宜时，生成细小的马氏体组织，回火后强度高，塑性不差，力学性能较好。淬火温度低，发生不完全淬火，组织为马氏体+铁素体组织，强度低，硬度也低，力学性能较差。淬火温度较高时，形成粗大奥氏体，由于组织的遗传性，淬火后形成粗晶马氏体组织。冷却速度过快，形成巨大内应力，可能发生淬裂现象。冷却速度过慢，形成的马氏体不完全，有珠光体形成(珠光体，索氏体，屈氏体)。2. 回火温度影响样品的组织和性能。根据回火温度分为低温回火，中温回火，高温回火（不同钢种，所对应的温度有差异，一般合金元素越多，温度越高）。生产回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体。回火马氏体晶

27、粒最细小，硬度强度最高；回火屈氏体晶粒介于两者之间，硬度强度中等，根据资料显示具有极好的弹性；回火索氏体板条最粗大，强硬度最低，但具有较高的塑韧性。3. 合金元素影响样品的组织和性能。合金元素影响碳原子的迁移和铁原子的扩散系数，从而提高了回火稳定性。同时由于固溶强化，析出强化提高了样品的强硬度。细小的碳化物还能起到细化晶粒的作用。4. 碳元素影响样品的组织和性能。碳原子能起到固溶强化作用，对马氏体形成来说，基体的强度硬度越大，马氏体越不易形成从而降低了Ms点。同时，最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。七、 参考文献1 中国机械工程学会热处理学会。热处理手册(第 4 版)。第 1 卷，工艺基础。北京:机械工业出版社， 2008。12 中国计量科学研究院。黑色金属硬度及强度换算值。中华人民共和国国家标准。 GB/T 1172-1999。