钢的热管理方案计划及其对组织和性能的影响.docx
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钢的热管理方案计划及其对组织和性能的影响
钢的热处理及其对组织和性能的影响
一、实验目的
1．熟悉钢的几种基本热处理操作（退火、正火、淬火及回火）；
2．研究加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能的影响；
3．观察和研究碳素钢经不同形式热处理后显微组织的特点；
4．了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计。
二、实验概述
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，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。
普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。
加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。
正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。
1.加热温度选择
（1）退火加热温度
一般亚共析钢加热至AC3＋（20～30）℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至AC1＋（20～30）℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。
（2）正火加热温度
一般亚共析钢加热至AC3＋（30～50）℃；过共析钢加热至ACm＋（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。
退火和正火加热温度范围选择见图3-1。
图1退火和正火的加热温度范围图2淬火的加热温度范围
（3）淬火加热温度
一般亚共析钢加热至AC3＋（30～50）℃；共析钢和过共析钢则加热至AC1＋（30～50）℃，加热温度范围选择见图3-2。
淬火按加热温度可分为两种：
加热温度高于AC3时的淬火为完全淬火；加热温度在AC1和AC3（亚共析钢）或AC1和ACCm（过共析钢）之间是不完全淬火。
在完全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。
亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。
而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。
在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。
（4）回火加热温度
钢淬火后都需要进行回火处理，回火温度取决于最终所要求的组织和性能（工厂常根据硬度的要求），通常按加热温度的高低，回火可分为以下三类。
低温回火：
加热温度为150℃～250℃。
其目的主要是降低淬火钢中的内应力，减少钢的脆性，同时保持钢的高硬度和耐磨性。
常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。
中温回火：
加热温度为350℃～500℃。
其目的主要是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。
主要用于各种弹簧热处理。
高温回火：
加热温度为500℃～650℃。
其目的主要是获得既有一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。
通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。
主要用于处理中碳结构钢，即要求高强度和高韧性的机械零件，如轴、连杆、齿轮等。
2.保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度均达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解奥氏体成分均匀化，必须在热处理加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诸多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子的温度，钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。
实际工作中常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）每毫米一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米两分钟估算。
在盐浴炉中，保温时间则可缩短1～２倍。
对钢件在电炉中保温时间的数据可参考表3-1。
表1钢件在电炉中的保温时间选择参考数据
材料
工件厚度或直径（毫米）
保温时间（分）
碳钢
﹤25
20
25～50
45
50～75
60
低合金钢
﹤25
25
25～50
60
50～75
60
当工件厚度或直径小于25毫米时，可按每毫米保温一分钟计算。
3.冷却方式和方法
热处理时冷却方式（冷却速度）影响着钢的组织和性能。
选择适当的冷却方式，才能获得所要求的组织和性能。
退火一般采用随炉冷却。
正火采用空气冷却，大件可采用风冷。
淬火的冷却方法非常重要。
冷却速度是钢在淬火过程中最主要的因素，它直接影响淬火产物和性能。
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，避免工件变形和开裂。
为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和冷却方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（650℃～550℃）快冷，超过临界冷却速度，以防珠光体类型转变发生；而在马氏体转变区域范围内（300℃～100℃），则冷却减慢，以减少淬火工件产生的应力。
理想的冷却速度如图3-3所示。
3淬火时的理想冷却曲线示意图
淬火介质不同，其冷却能力不同，因而工件的冷却速度也就不同。
合理选择冷却介质是保证淬火质量的关键。
对于碳钢来说，用室温的水作淬火介质通常能保证得到较好的结果。
目前常用的淬火介质和它们冷却能力见表3-2。
表2常用的淬火介质和其冷却能力数据
淬火介质
冷却速度℃/秒
在650～450℃区间内
在200～300℃区间内
水（18℃）
600
270
水（20℃）
500
270
水（50℃）
100
270
水（74℃）
30
270
10％苛性钠水溶液（18℃）
1200
300
10％氯化钠水溶液（18℃）
110
300
50℃矿物油
150
30
4.碳钢热处理后的组织
碳钢经热处理后的组织，可以是接近平衡状态（如退火、正火）的组织，也可以是不平衡组织（如淬火组织）。
因此在研究热处理后的组织时，不但要用铁碳相图，还要用钢的Ｃ曲线来分析。
铁碳相图能够说明慢冷时不同碳质量分数的铁碳合金的结晶过程和室温下的组织，计算相的质量分数。
而C曲线则能够说明一定成分的铁碳合金在不同冷却条件下的过冷奥氏体发生不同类型的转变过程及能够得到的组织。
钢从奥氏体状态经缓慢冷却后，其组织（按平衡状态看）分别由珠光体（共析钢）或铁素体＋珠光体（亚共析钢）或珠光体＋二次渗碳体（过共析钢）所组成。
但随着冷却速度的加快，则冷却后将形成各种不平衡组织。
当冷却速度不太大时，则过冷奥氏体分解形成珠光体类型的索氏体或屈氏体组织（共析钢）。
当冷却速度较快时，因过冷奥氏体来不及分解，直接形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，即马氏体组织。
它的强度、硬度很高，但同时使钢的塑性大大下降，并有很大的残余应力出现。
当采用等温冷却时，在中温相转变区的产物是贝氏体组织。
依据转变温度的高低，贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体两种类型。
（1）碳钢的退火和正火组织
亚共析碳钢（如40钢、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得接近平衡状态的组织，其组织形态特征已在实验一中做过观察和分析。
过共析碳钢（如T10钢、T12钢）则采用球化退火，退火后组织中的二次渗碳体和珠光体中的渗碳体都呈球状（或粒状）。
（2）钢的淬火组织
钢淬火后通常得到马氏体组织。
当奥氏体中含碳质量分数大于0.5%时，淬火组织为马氏体和残余奥氏体。
马氏体可分为两类板条马氏体和片（针）状马氏体。
（3）淬火后的回火组织
回火是将淬火后的钢件加热到指定的回火温度，经过一定时间的保温后，空冷到室温的热处理操作。
回火时引起马氏体和残余奥氏体的分解。
低温回火（150～250℃）组织为回火马氏体，马氏体内析出碳化物形成回火马氏体，残余奥氏体也转变为回火马氏体。
回火马氏体易受侵蚀，组织呈暗色针状。
回火马氏体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。
中温回火（350～500℃）组织为回火屈氏体，它是由铁素体和粒状渗碳体组成的极细密混合物。
回火屈氏体有较好的强度，最高的弹性，较好的韧性。
高温回火（500～650℃）组织的回火索氏体，它是由粒状渗碳体和等轴形铁素体组成混合物。
回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。
值得注意的是：
回火所得到的回火索氏体和回火屈氏体与由过冷奥氏体直接分解出来的索氏体和屈氏体在显微组织上是不同的，前者中的渗碳体呈粒状而后者则为片状。
各种组织的硬度性能指标范围如下：
珠光体10～20HRC，索氏体22～25HRC，屈氏体36～42HRC，马氏体62～65HRC；回火马氏体约60HRC，回火屈氏体40～48HRC，回火索氏体25～35HRC。
5.硬度试验与硬度计的使用
硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。
硬度越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大。
它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑性指标之间有着内在的联系。
硬度试验简单易行，又不会损坏零件，因此在生产和科研中应用广泛。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。
所用设备为布氏硬度计。
洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。
所用设备为洛氏硬度计。
维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。
所用设备为维氏硬度计。
显微硬度试验——主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。
所用设备为显微硬度计。
（1）布氏硬度试验
1）原理
用载荷为P的力,把直径为D的淬火钢球压入金属试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试件表面上所压出的压痕直径d，据此计算出压痕球面积F，然后再计算出单位面积所受的力（P/F值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HB表示。
布氏硬度试验原理如图3-11所示。
图3-4布氏硬度计试验原理示意图
设压痕深度为h则压痕球面积为
试样硬度值为：
式中
——施加的载荷，kg或N；
——压头（钢球）直径，mm；
——压痕直径，mm；
——压痕面积，mm2。
布氏硬度值的大小就是压痕单位面积上所承受的压力。
单位为kg/mm2或N/mm2，但一般不标出。
硬度值越高，表示材料越硬。
实验室只要测出压痕直径d（毫米）,通过计算或查表即可得出HB值。
由于金属材料又软又硬，工件有薄有厚，有大有小，为适应不同的情况，布氏硬度的钢球有φ2.5mm、φ5mm、φ10mm三种。
载荷有15.6kg、62.5kg、187.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种。
当采用不同大小的载荷和不同直径的钢球进行布氏硬度试验时，只要能满足P/D2为常数，则同一种材料测得的布氏硬度是相同的。
而不同材料所测的布氏硬度值也可以进行比较。
国家标准规定P/D2的比值为30、10、2.5三种。
在试样厚度和截面大小允许的情况下，尽可能选用直径大的钢球和大的载荷，这样更易于反映材料性能的真实性。
另外，由于压痕大，测量的误差也小。
所以，测定钢的硬度时，一般规定采用Φ10mm钢球、3000kg的载荷、保荷时间为10秒。
试验后的压痕直径应在0.25D﹤d﹤0.6D的范围之内，否则试验结果无效。
因为若d太小，则灵敏度和准确性将随之降低；若d太大，则压痕的几何形状不能保持相似的关系，影响试验结果的准确性。
布氏硬度的表示方法是：
压头为钢球时用HBS,压头用硬质合金时用HBW。
若用Φ10mm钢球，在3000kg载荷下保荷10s,测得布氏硬度值为400时，可以表示为400HBS，若用硬质合金球为压头，则表示为400HBW。
在其他试验条件下，符号HB应以相应的指数注明钢球直径、载荷大小及载荷保持时间。
例如，100HB5/250/30即表示：
用5mm直径钢球，在250kg载荷下保持30s时，所测得的布氏硬度为100。
布氏硬度试验方法和技术条件有相应的国家标准。
表3-3为布氏硬度的试验规范。
实际测定时，应根据金属材料种类、试样硬度范围和厚度的不同，按照标准试验规范，选择钢球直径、载荷及载荷保持时间。
表3布氏硬度试验规程
金属材料
布氏硬度范围/HB
试件厚度
/mm
载荷P与压头直径D的关系
钢球直径D
/mm
载荷P
/kg
载荷保持
时间/s
黑色金属
140～450
6～3
4～2
﹤2
P=30D2
10
5
2.5
3000
750
187.5
10
﹤140
﹥6
6～3
﹤3
P=10D2
10
5
2.5
1000
250
62.5
10
有色金属
＞130
6～3
4～2
﹤2
P=30D2
10
5
2.5
3000
750
187.5
30
36～130
9～6
6～3
﹤3
P=10D2
10
5
2.5
1000
250
62.5
30
8～35
﹥6
6～3
﹤3
P=2.5D2
10
5
2.5
250
62.5
15.6
30
2）布氏硬度试验的优缺点：
优点：
硬度值代表性全面，由于压痕面积较大，能反映较大范围内材料的平均性能。
试验数据稳定，数据重复性强。
布氏硬度值和抗拉强度间存在一定的换算关系（见表3-4）。
其换算式为经验公式，知道硬度后可以粗略的估计其强度，但铸铁不能用此经验公式。
表4HB与σb的关系
材料
硬度值HB
HB—σb近似换算式
钢
钢
铸铝合金
退火黄铜
冷加工后黄铜、青铜
125~175
＞175
—
—
—
σb≈3.36HB（MPa）
σb≈3.55HB（MPa）
σb≈2.55HB（MPa）
σb≈5.39HB（MPa）
σb≈3.92HB（MPa）
缺点：
采用的压头是淬火钢球，由于钢球本身的变形和硬度问题，致使不能测试太硬的材料。
一般在450HB以上就不能使用。
由于压痕较大，不适宜成品检验。
布氏硬度试验常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等的原材料以及结构钢调质后的硬度。
（2）洛氏硬度试验
洛氏硬度试验是目前应用最广的试验方法，和布氏硬度一样，也是一种压入硬度试验，但它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。
1）原理
图5洛氏硬度计试验原理示意图
洛氏硬度试验的压头采用锥角为120º的金刚石圆锥头或直径为1.588毫米（1/16英寸）的钢球。
载荷先后两次施加，先加预载荷P0，然后加主载荷P1，在总载荷的作用下，将压头压入金属材料表面来进行的硬度测定。
其总载荷为P（P=P0+P1）。
洛氏硬度试验试验原理如图3-12所示。
在图3-12中，0-0位置为金刚石压头没有和试样接触时的位置；1-1位置为压头与试样接触，并受到预载荷P0（规定为10kg）后压入试样的深度为h0的位置；2-2位置为压头受到主载荷P1后压头压入试样的深度为h1的位置；3-3位置为压头卸除主载荷P1后仍保留预载荷P0下时的位置，由于试样弹性变形的恢复，而使压头位置提高了h2。
此时压头受主载荷作用实际压入试样的深度为h（h＝h2﹣h1）。
h值的大小可用来衡量材料的软硬程度。
金属越硬，压痕深度越小；金属越软，压痕深度越大。
为了适应人们习惯上数值越大硬度越高的概念，人为的规定，用一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度的指标，并规定每0.002毫米为一个洛氏硬度单位。
用符号HR表示，则洛氏硬度值为：
HR=（K－h）/0.002
此值为一无名数。
并可从硬度计的表盘指示器上直接读出。
使用金刚石压头时，常数K为0.2毫米，黑色表盘刻度所示；
使用钢球压头时，常数K为0.26毫米，红色表盘刻度所示。
为了可以用一种硬度计测定出从软到硬的金属材料硬度，采用了不同的压头和总载荷，组合成几种不同的洛氏硬度标度，每一种标度用一个字母在硬度符号HR后加以注明，常用的是HRA、HRB、HRC三种。
洛氏硬度试验规范见表3-4。
各种洛氏硬度值之间不能直接进行比较，但可通过实验测定的换算表（略）进行相对比较。
各种洛氏硬度之间，洛氏硬度和布氏硬度值间都有一定的换算关系。
对于钢铁材料，大致有下列关系式：
HRC=2HRA－104
HB=10HRC（HRC=40～60范围）
HB=2HRB
2）洛氏硬度试验方法的优缺点：
优点：
操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面进行试验，可以各种金属材料的硬度，也可以测量较薄工件或表面薄层的硬度。
缺点：
压痕较小，代表性差，由于材料中有偏析及组织不均匀等情况，使所测
硬度值的重复性差，分散度较大。
表5洛氏硬度的试验规范
标度符号
压头类型
总载荷
/kg
表盘上刻度颜色
常用硬度值范围
应用举例
HRA
金刚石圆锥
60
黑色
70～85
碳化物、硬质合金、表面硬化工件等
HRB
钢球
100
红色
25～100
软钢、退火或正火钢、铜合金等等
HRC
金刚石圆锥
150
黑色
20～67
适用淬火钢、调质钢等
3）洛氏硬度计的构造与操作
图6洛氏硬度计外形及机构示意图
洛氏硬度计种类较多，外形构造也各不相同，但构造原理及主要部件均相同。
图3-6为洛氏硬度计外形构造及机构示意图。
洛氏硬度计操作方法如下：
a）按表3-4选择压头和载荷；
b）根据试样大小和形状选用载物台；
c）将试样上下两面磨平，然后置于载物台上；
d）加预载荷，按顺时针方向转动升降机构的手轮，使试样与压头接触，并观察读数刻度盘上小针移动至小红点为止；
e）
图7洛氏硬度计刻度盘
调整刻度盘（图3-7），使表盘上的长针对准硬度值的起点。
如测定HRC、HRA硬度时，长针与表盘上黑字C处对准；测定HRB硬度时，长针与表盘上红字B处对准；
f）加主载荷，平稳地扳动加载手轮，手柄自动升高至停止位置（时间为5～7秒）并停留10秒（保荷时间）；
g）卸主载荷，扳回加载手柄至原来位置；
h）读取硬度值，读数表盘上长针指示的数字为硬度的读数，HRC、HRA读黑色数字，HRB读红色数字；
i）降下载物台，当试样完全离开压头后，方可取下试样；
j）用同样的方法在试样的不同位置测定三个数据,取其算术平均值为所测试样的硬度。
（3）维氏硬度试验
1）原理
维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积上的载荷计量硬度值。
维氏硬度试验原理图3-15所示。
所不同的是维氏硬度试验采用的压头为金刚石的锥面夹角为136°的正四棱锥体压头。
试验时，在载荷P（公斤力）的作用下，试样表面上压出一个四方锥形的压痕，测量压痕对角线长度d（毫米），借以计算压痕的表面积F（毫米2）,以P/F的数值表示试样的硬度值，用符号HV表示。
2）
图8维氏硬度计试验原理示意图
维氏硬度的优缺点
优点：
它有一个连续一致的标度，试验载荷可以任意选择，所测硬度值比布氏硬度精确，可以比洛氏硬度能更好地测定极薄试样的硬度。
甚至金相组织中各相的硬度。
缺点：
操作较为麻烦，其硬度值需要测量对角线，然后计算或查表获得，生产率不如洛氏硬度试验高，因此，不宜用于成批生产的常规检验。
适用于实验、科研等领域。
（4）显微硬度试验
显微硬度试验实质上就是小负荷的维氏硬度试验，其原理和维氏硬度试验一样，所不同的是负荷以克计量，压痕对角线长度以微米计量。
试样必须制成金相试样，在显微镜下操作测量。
主要用来测定各种组成相的硬度。
显微硬度符号用HM表示。
三、实验设备及材料
本实验主要设备有：
箱式电阻炉，坩埚电炉，洛氏硬度计，金相显微镜，长柄铁钳等。
所用实验材料有：
45钢和T12钢试样，钢的各种不平衡组织样品，金相图谱，冷却介质水和油，砂纸等。
四、实验内容
1.按表7所列工艺进行热处理操作实验。
2.使用洛氏硬度计测定热处理后试样的硬度；
3.观察表8中各种样品的显微组织。
表7热处理实验任务表（45钢）
热处理工艺
硬度值HRC或HRB
组织
加热温度
/℃
冷却方法
回火温度
/℃
1
2
3
平均值
860
炉冷
气冷
油冷
水冷
水冷
水冷
水冷
—
—
—
—
200
400
600
750
水冷
—
表8观察样品的材料、热处理工艺和显微组织
样品
编号
材料
热处理工艺
侵蚀剂
显微组织
1
2
3
4
45钢
45钢
45钢
45钢
860℃空冷
860℃油冷
860℃水冷
860℃水冷+600℃回火
4%硝酸酒精
4%硝酸酒精
4%硝酸酒精
4%硝酸酒精
索氏体+铁素体（图3-9）
马氏体+屈氏体（图3-10）
马氏体（图3-11）
回火索氏体（图3-12）
图945钢860℃气冷组织图1045钢860℃油冷组织
索氏体+铁素体马氏体+屈氏体
图1145钢860℃淬火组织图1245钢860℃调质处理后组织
马氏体回火索氏体
五、实验步骤
1.全班分成两组，每组一套45钢试样8块，炉冷试样由实验室事先处理好。
2.将45钢试样分别放入860℃和750℃的炉子内加热，保温时间15～20分钟后，分别进行水冷、油冷、空冷操作。
3.淬火时，试样要用钳子夹住，动作要迅速，并不断在水或油中搅动，以免影响热处理质量，注意:
严格遵守操作规程，注意安全，小心取放，避免灼伤。
4.每组从水冷试样（860℃加热后水冷的）中取出三块，分别放入200℃、400℃、600℃的炉子内进行回火处理，回火保温时间为30分钟。
5.热处理后的试样用砂纸磨去两端面的氧化皮，然后测量硬度。
6.每个学生都将自己测定的硬度值填入表9中（每个试样打三点），并记录下实验的全部数据资料，与供结果分析。
7.观察表8中样品的显微组织。
六、实验报告要求
在指定的报告纸上完成报告。
注意：
必须要写明实验名称、实验日期、学生姓名与学号、组别。
1.写出实验目的；
2.按照表7的样式整理、列出全部实验资料；
3.分析淬火温度、淬火介质及回火温度对45钢性能的影响，并根据铁碳合金相图、C曲线（或CCT曲线）和回火时的转变说明硬度变化的原因；
七、思考题
1.45钢常用的热处理是什么？
它们的组织是什么?
有何工程应用？
2.退火状态的45钢试样分别加热到600℃～900℃之间不同的温度后，在水中冷却，其硬度随加热温度如何变化？
为什么？
3.45钢调质处理得到的组织和T12球化退火得到的组织在本质、形态、性能上有何差异？
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