《热处理工艺与设备实验》实验指导书Word格式.docx
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二、实验内容及要求：
三、实验设备17
四、实验报告要求17
实验六电子电位差计的检定18
18
三、实验设备19
四、实验报告要求19
实验七常用有色金属及合金钢组织观察20
一、实验目的20
二、实验概述20
三、实验设备和材料21
四、实验步骤与内容22
五、实验报告要求22
实验一钢的淬透性实验
一、实验目的
1．熟习用顶端淬火法测定钢的淬透性；
2．确定实验用钢的临界淬透直径；
3．比较碳钢与合金钢的淬透性。
二、实验原理
淬透性是指钢在一定的冷却条件下淬火时获得马氏体组织的能力，通常用淬透性曲线图来表示。
淬透性大小是钢的一种重要技术性能，它是设计机械零件的一项重要数据，因此几乎大部分钢种均要进行淬透性的测定。
测定钢的淬透性方法很多，有顶端淬火法、断口检验法、U曲线法、临界直径法及计算法等。
目前国内外广泛应用的是顶端淬火法。
顶端淬火法比较简便，适用范围较广，通常用于结构钢淬透性的测定，也可用于弹簧钢、轴承钢及合金工具钢等。
我国国家标准中规定的两个淬透性检验方法为：
GB227-63碳素工具钢淬透性试验法，GB225-63结构钢顶端淬透性试验法。
本次实验课只做顶端淬透性试验。
顶端淬透性试验法：
顶端淬透性试验法是将一圆柱形标准试样加热到淬火温度，然后在试样的一个端面喷水淬火，故称为顶端淬火法。
喷水端冷却速度最大，随着距喷水端距离的增加，冷却速度逐渐减小。
由于冷却速度不同，试样的不同部位转变为不同的组织。
不同的组织反映出性能上的差异；
测出沿试样长度方向硬度值的变化，根据硬度值绘成的曲线即为淬透性曲线。
具体试验方法如下：
1．试样——标准试样尺寸为直径25mm，长度100mm的圆柱形试样；
2．加热——加热是在温度均匀的电炉中进行，加热温度应以被测试钢种标准技术条件中所规定的温度为准。
保温时间30~50分钟。
为保持试样表面不发生脱碳及氧化，试样通常是装进保护盒子内再放入加热炉中进行加热的，试样周围填充铁屑及木炭，末端处可铺放少量的石墨粉。
按保护盒的大小应适当增长保温时间，以保证试样本身仍能有足够的保温时间。
3．顶端淬火——淬火是在特制的淬火器上进行的。
喷水口的内径为12.5mm，试样末端与喷水口的距离为12.5mm。
淬火前将喷水柱的自由高度调节到65±
10mm，调整后，用玻璃板将喷水柱盖住，如试样架上有水应檫干；
准备好后将试样由炉中取出放入淬火支架上，立即抽掉玻璃板开始往试样喷水淬火。
试样从炉中取出到开始喷水这段时间不得超过5秒。
整个喷水过程试样处于静止的空气中，注意不要有水溅到试样侧面，喷水时间为10~12分钟，然后将试样取出放入水中冷却。
4．磨制试样——淬火后的试样在圆柱表面相对180°
的两个侧面个磨出一个平面（磨掉约0.2~0.5mm深度），两个平面相互平行。
注意磨制过程要求水冷以防止发生回火现象。
5．硬度测定——用洛氏硬度计沿磨面的中心线测量硬度值，由距末端1.5mm处测起，每隔1.5mm测一点。
当硬度值下降趋于平稳时，可每隔3mm测一次，直到硬度值不再下降为止。
6．绘图——将两个面上测得的硬度值取平均值，画在纵坐标为硬度（HRC）横坐标为距末端距离的图中。
这种图称为末端淬火硬度曲线图，常简称为淬透性曲线。
由于一个钢种不同炉次冶炼在化学成分、晶粒大小等方面都不会完全相同，因此硬度值也会有点波动，故一种牌号的钢淬透性曲线呈带状。
根据国家标准GB225-63规定，表示钢的淬透性数值的方法是用
来表示，J表示末端淬透性试验，d表示距试样末端的距离，而HRC是指d处所测得的硬度值。
例如某钢种的淬透性值
，即表示此钢种末端淬火试样距末端5mm处的硬度值为HRC42。
我国各种钢的淬透性曲线均已测出，使用时可查阅有关手册（淬透性手册、热处理手册、合金钢手册及机械工程手册有关部分等）。
三、实验器材与设备
设备——箱式电阻炉、顶端淬火器、洛氏硬度计、台式砂轮机。
器材——铁钳、铁盒、手套、钢笔尺。
试样——40#、40Cr、40CrNiMo钢顶端淬火试样。
四、实验组织
1．全班分组，分别测定40#、40Cr、40CrNiMo其中一种钢的淬透性。
2．汇集本大组的实验数据，绘制三个钢种的顶端淬火硬度曲线即淬透性曲线。
3．负责淬火操作的同学事先要进行操作演练，试样转移时间不超过5秒。
4．测硬度前，在试样侧面上先涂上粉笔，在用铅笔、直尺画刻度线。
5．负责测硬度的同学，在上硬度计操作之前，先听硬度计操作要领的讲课。
五、实验报告要求
1．写出实验目的，实验原理简介。
2．列出三个钢种的硬度实验数据纪录表。
3．根据实验所得的硬度数据，用坐标纸绘制出试验用钢的淬透性曲线。
4．依据绘制的淬透性曲线，并借助教材中的有关曲线图，估计出实验用钢在水中及油中淬火时的临界直径。
5．根据绘制的淬透性曲线，分析合金元素对淬透性的影响。
实验二钢的热处理操作及硬度实验
1．熟悉钢的几种基本热处理操作（退火、正火、淬火、回火）；
2．了解碳钢的含碳量、淬火加热温度、冷却方式、回火温度等因素对碳钢热处理后性能（硬度）的影响。
二、实验说明
钢的热处理就是通过加热、保温和冷却改变其内部组织，从而获得所要求的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作方法。
一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。
热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方法是最重要的三个基本工艺因素，正确选择它们的规范，是热处理成功的基本保证。
1．加热温度的确定
（1）退火加热温度——亚共析钢：
Ac3+20~30℃（完全退火）
：
Ac1+20~30℃（完全退火）
（2）正火加热温度——亚共析钢：
Ac3+30~50℃
过共析钢：
Accm+30~50℃
（3）淬火加热温度——亚共析钢：
Ac1+30~50℃
钢的成分、原始组织及加热速度等影响临界点Ac1、Ac3、Accm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具体热处理温度。
热处理时不要任意提高加热温度，因为温度过高，晶粒长大、氧化、脱碳和变形也都变得比较严重。
45#钢的Ac1—727℃，Ac3—780℃。
T12钢的Ac1—730℃，Accm—820℃。
钢淬火后都要回火，回火温度决定于所要求的组织和性能。
（4）回火温度——按加热温度，回火分为低温、中温、高温三类。
低温回火：
150~250℃进行的回火，得到M回组织，硬度~HRC60。
目的：
降低淬火应力，减少脆性，保持高硬度。
这种回火常用于高碳钢刀具、量具、轴承件等。
中温回火：
350~500℃进行的回火，得到回火屈氏体组织，硬度~HRC40~50。
获得高的弹性极限，同时具有较好的韧性。
这种回火主要用于中高碳钢弹簧。
高温回火：
500~650℃进行的回火，得到回火索氏体组织，硬度~HRC25~35。
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。
淬火加高温回火的热处理也叫调质处理。
这种回火常用于中碳结构钢机械零件。
2．加热时间的确定
工件升温和保温所需时间统称为加热时间。
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，使用的设备和装炉量，装炉的温度，钢的成分和原始组织，热处理要求和目的等；
具体时间可参考有关手册中的数据。
实际工作中经验估算加热时间。
一般规定，在空气介质中升到规定温度后的保温时间：
碳钢—按工件厚度1´
~1.5´
/mm估算；
合金钢—按工件厚度2´
/mm估算。
在盐炉中加热，保温时间可缩短1~2倍。
3．冷却方法的选择
热处理的冷却方法要适当，才能获得所要求的组织和性能。
退火一般采用随炉冷却。
正火采用空气冷却。
淬火时的冷却方法相当重要。
一方面应超过临界冷却速度，以保证得到马氏体组织；
另一方面冷却速度也不能太快，以减小内应力，避免变形和开裂。
为解决上述矛盾，可以采用适当的冷却剂和冷却方法。
淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（650~550℃）要超过临界冷却速度，但在更低的温度（300~100℃）时的冷却速度则尽可能缓慢。
符合上述原则的淬火方法有双液淬火和分级淬火等。
三、实验设备与器材
1．设备——箱式电阻炉、台式砂轮机、洛氏硬度计。
2．器材——45#钢、T12钢热处理试样、铁钩、淬火液、砂布等。
四、实验内容
1．全班分成两大组，每组一套试样，其中炉冷、回火试样预先由实验室制备好。
2．按下表1所列工艺进行热处理操作实验。
3．上表中的加热温度和保温时间由同学自己讨论协商确定。
4．测定试样硬度应注意：
炉冷和45#钢空冷试样测定HRB，其它试样测定HRC。
测硬度之前，必须先将试样进行打磨或砂光，以除去氧化皮和脱碳层。
如有硬度不足现象，同学自己要分析找出原因。
表1.热处理工艺及数据表
材料
热处理工艺
硬度值
加热温度℃
冷却方法
回火温度
HRC或HRB
换算为HV
45#
正常加热温度
炉冷
——
空气冷
油冷
水冷
200℃
400℃
600℃
加热不足温度
T12
1．写出实验目的。
2．用表格列出全组的硬度数据。
3．分别分析：
碳钢的含碳量、淬火温度、冷却方法、回火温度对碳钢硬度的影响，并进行理论说明。
4．用坐标纸画出：
冷却方法—硬度、回火温度—硬度曲线。
硬度采用HV的数据。
实验三先进热处理工艺及组织性能实验
（一）真空热处理工艺及组织性能实验
1．了解真空热处理炉、铝合金淬火时效炉、高频感应热处理设备及井式滴控多用炉的原理、基本结构、性能特点、操作使用方法；
2．根据所选材料制定上述先进热处理设备的热处理工艺参数；
3．进行先进热处理工艺操作及组织性能的观察测定。
二、实验原理简介
（一）真空热处理：
不含任何物质，没有气压的理想真空是不存在的。
实际上<
0.1MPa（
1at）的空间统称为真空。
一般用真空度，即空间或容器内的绝对压强（Pa）来衡量真空的程度。
图1所示为通常真空度的划分。
图1热处理的真空度范围
1．金属在真空中加热时的行为
金属在一定的真空度下进行加热时，除可避免氧化烧损、得到光亮的表面质量外，还有脱脂、除气、表面氧化物分解以及合金元素的蒸发等效应。
在真空中加热，可清除金属表面的油脂和切削液，使氧化物分解，表面达到活化状态，以改善表面质量和促进化学热处理时的初期反应。
合金元素的蒸发，尤其是Cr、Mn等易蒸发元素的减少会降低钢的常温和高温力学性能。
因此，高合金钢要避免在高温、高真空下长时间保持，必须长时间保持时需往炉中通入一定量的惰性气体。
2．金属在真空中的加热速度
一般真空加热时间应为气氛炉的两倍，为盐浴炉的六倍。
在真空中加热，零件表面温度一旦超过400℃，就开始滞后于炉温。
工件尺寸增加，温度滞后现象更为严重。
图2表示在真空炉中施行淬火加热时，奥氏体化温度和工件尺寸对炉温指示和工件温度滞后于炉温的时间的影响。
因此。
一定尺寸和一定装炉量的钢件进行真空加热时，往往要在升温过程中设置两个以上的均温台阶。
由于真空加热主要靠热辐射，工件放置时，相互间应有适当间隔，以避免遮荫效应而影响均匀的加热。
图2油淬火真空炉在奥氏体化温度，工件尺寸对工件温度滞后于炉温的影响
3．金属在真空中加热后的冷却
（1）在气体中的冷却
淬透性好的高合金钢在高速循环的气流中冷却即可得到很好的淬硬效果。
当然还要靠热交换器中的冷却水把气体的大部分热量带走。
通常采用的气体冷却介质有H2、N2、Ar、He。
最常用的是H2和N2。
其中以H2的冷却能力最好，其次是He、N2、Ar。
气体的冷却速度和通入气体的压强有密切关系。
气体压强越高，冷却能力越强。
图3所示为气体压强和淬火冷速的关系。
图3气体压强与淬火冷速的关系
（2）油中淬火冷却
钢真空加热淬火必须在特殊的真空淬火油中进行。
真空淬火油具有足够低的蒸汽压力和较为稳定的冷却能力。
一般淬火油在不同压强下冷却能力变化很大，在低压下淬火冷却性能很差。
图4所示为真空淬火油、普通淬火油和一般矿物油在真空中对钢淬硬性的影响。
图4真空淬火油、普通淬火油、一般矿物油的冷却能力比较
（材料T8，淬火温度800℃，油温80℃）
1－矿物油2－普通淬火油3－真空淬火油
4．真空热处理工艺
查阅相关资料。
（二）其他先进热处理工艺原理请查阅相关资料。
三、实验内容
1．了解真空热处理炉、铝合金淬火炉、高频感应热处理设备及井式滴控多用炉的基本结构、性能特点、操作使用方法。
2．全班分为若干小组，设计实验方案，确定好各项工艺参数。
3．用试样代替零件，进行各种热处理工艺操作。
4．对试样进行硬度测定和金相组织观察。
5．对实验数据进行整理。
四、实验设备与器材
1．设备：
ZYC2型真空热处理炉、RJ3-25-6铝合金淬火炉、SP-60-AB高频感应热处理设备、RQ5-35-10D井式滴控多用炉的、洛氏硬度计、金相显微镜等
2．材料：
Cr12MoV、LY12、40、40Cr、45、20、20Cr
1．实验目的；
2．了解各种先进热处理设备的基本结构、性能特点及安全操作规程；
3．列表汇总各种先进热处理工艺参数、硬度数据以及画出金相组织图，对试验数据进行处理分析。
4．分析讨论：
（1）真空热处理与常规热处理有何区别？
原因如何？
（2）高频热处理与整体热处理相比有何特点?
（3）热处理常见的质量问题及产生原因。
（二）化学热处理工艺及组织性能实验
一、实验目的和要求
实验教学是高等教育十分重要的组成部分。
对于热处理专业学生来讲，钢的化学热处理是一门非常重要的必修专业课，而化学热处理设备认识及组织观察实验对于学生掌握化学热处理基本理论，理解钢的化学热处理基本原理有着十分必要和十分重要的作用。
本实验目的和要求如下：
1．熟悉渗碳、氮化、碳氮共渗及渗硼化学热处理过程；
2．熟悉常用渗碳钢及氮化钢在渗碳、渗氮和碳氮共渗后的显微组织结构，了解模具渗硼后的显微组织。
。
要求学生在规定时间内，完成实验方案的设计、完成实验方案涉及的全部实验内容并写出完整详尽的实验报告。
二、实验原理和方法
1．渗碳后的显微组织：
零件经过正常渗碳后，表面层的含碳量一般为0.8～1.0％左右，在由表层到心部的各个深度上，含碳量由高到低连续变化，心部则仍保持原材料的成分。
因此渗碳件的平衡组织，在各深度上也不相同。
实际上，零件在渗碳后无论是空冷或是在缓冷箱中缓冷，所得到的组织都不是平衡组织而为正火组织。
当渗碳件处于常化状态时，渗碳层的组织与零件所用钢号和零件大小有密切关系。
对于碳钢来书，只要零件不是太小，一般都会得到珠光体类型的组织。
但是由于冷却速度比退火要高，得到的是伪共析组织，先共析渗碳体和铁素体的量会相应减少，共析区的宽度会加大。
对于合金钢来说，由于淬透性的提高，如果零件不是太大，渗碳层一般都会出现淬火组织，但是由于合金钢在渗碳过程中表层会生成粒状碳化物，从而使表层的奥氏体贫碳和贫合金元素，因此，在渗碳层的表层一般都有一个粒状碳化物＋屈氏体的深色层。
再往里依次为碳化物（可能是网状、也可能是条、块状或角状，视渗碳层的含碳量而定）＋高碳马氏体＋残余奥氏体（少量）→高碳马氏体＋残余奥氏体（其量由多变少）→低碳马氏体（或贝氏体）＋少量残余奥氏体→心部组织。
心部组织视钢的淬透性与零件大小而定。
可能是铁素体＋屈氏体或铁素体＋贝氏体；
也可能是低碳马氏体。
2．氮化后的显微组织:
常用氮化钢38CrMoAlA在氮化后,根据氮化工艺不同,表层可能出现ε相（在表面氮浓度高于11.2%时,ε相的外层还可能出现ξ相,也可能不出现ε相。
在显微镜下，ε相呈沿试样表面分布的白色层。
由ε相层往里，在氮化的索氏体中往往能看到由γ相组成的波纹状氮化物（这种氮化物沿厡奥氏体晶界析成波纹，而波纹基本上与表面平行）。
也有人称之为脉状氮化物。
至于AlN,MoN,CrN等合金氮化物，虽然肯定存在于氮化索氏体中，但由于十分弥散，在一般金相观察中却无法清晰地辨认。
从氮化索氏体的铁素体中，也会析出γ相，这在500倍左右地放大倍数下，通常也不易看到。
以上是在预备热处理和氮化工艺都合适地情况下得到地组织情况。
当预备热处理不当（例如调质淬火时脱碳或过热）或氮化工艺不合适（例如氨分解率过低或氨气中含水量过高）时，氮化层会相应地出现针状氮化物，鱼骨状氮化物，粗大索氏体等缺陷组织。
3．碳氮共渗后的显微组织：
碳氮共渗后渗层的组织，总的来说，可以分外层和内层，这是碳氮共渗层的基本组织特点。
外层是由含氮的渗碳体[Fe3（C,N）]和ε[Fe3（N,C）]或[（Fe,Me）3（N,C）]或再加上[（Fe,Me）4（N,C）]组成的化合物层。
内层，又叫扩散层，它是由含碳，氮的奥氏体转变而得的产物；
在低温共渗时，则是有原始的铁素体＋渗碳体组织（主要是）渗氮而形成的含氮索氏体。
钢在进行高温（820～920℃）碳氮共渗时，由于是以渗碳为主，渗层中的外层一般不会出现，所以其显微组织很接近于渗碳层的组织。
也就是在表面还是碳氮化合物＋含氮马氏体；
再往里是（残余）奥氏体＋马氏体组织，并且随着距表面距离的增加，残余奥氏体由少变多，又由多变少，并过渡到全部马氏体组织，再往里是屈氏体＋马氏体区、或根据钢的淬透性不同而且有某种组织。
当然，碳氮共渗层中残余奥氏体的量要比渗碳的稍多。
4．渗硼后的显微组织：
由Fe-B状态图可知：
硼与铁可形成α、γ、δ固溶体和含硼8.8％的Fe2B和含硼16.23％的FeB等硼铁化合物。
Fe2B和FeB的形成只有当硼在α、γ相内达到饱和极限以后才能发生，而且这两种相的生长规律完全相同。
因而渗硼层的显微组织由工件表面向心部依次为：
FeB→Fe2B→过渡层→基体组织
即和其他钢铁化学热处理过程一样，渗硼后的显微组织自表面向心部为化合物层、过渡层和基体组织所组成。
钢铁渗硼后，其硼化物层和过渡层的显微组织和特征，是随钢材中的含碳量和合金元素的含量不同而变化。
硼化物层在内部通常以齿状发展起来，但在含碳量和合金元素量增加时逐渐平坦化。
渗硼层主要是硼化物层。
硼化物锲入基体之中，大大提高了渗硼层与基体的结合能力。
在硼化物层下面是过渡层，该过渡层中α固溶体溶有微量的硼。
在渗硼过程中，由于硼化铁的的形成，钢材基体中的碳和其他合金元素将重新分布。
如碳是由化合物层被挤到过渡层区，因而在硼化物层形成的同时，将在其邻近的里层形成一个碳元素富集的过渡层。
三、实验材料及设备
设备：
显微镜8台
经过化学热处理后的试样见表1。
表1经过化学热处理后的试样
试样号
钢号
处理状态
数量
1
20
（）气体渗碳（）小时，然后空冷
2
20CrMnTi
3
同上渗碳后在850～870℃保温30分钟，淬火
4
38CrMoAlA
560℃气体氮化20小时，分解率为40～50％
5
830℃气体碳氮共渗2.5小时，渗剂：
煤油＋氨气
6
T8A
910℃渗硼5小时
7
8
3Cr2W8V
560℃软氮化，甲醇＋甲酰胺，4小时
四、实验内容及实验步骤
上课后，由实验教师进行实验动员。
每位学生到实验室做实验，必须持有实验预习报告（即实验方案），并自备实验记录本。
每次实验结束后，应由实验教师检查实验记录，对学生进行考勤，并将学生每次实验的工作质量登记在学生实验工作质量考核表中。
具体实验方案如下：
实验内容共分两部分
（一）、将学生分成数人一组，共分三组，自己设计化学热处理工艺和测试方案，并讨论方案的合理性。
实验教师给以适当的引导。
分别制定出渗碳、软氮化（低温氮碳共渗）、渗硼的工艺
1、20CrMnTi渗碳技术要求
A、渗碳深度0.8～1.2mm
B、表面硬度58～62HRC,心部硬度34～45HRC
C、碳化物≤4级
2、38CrMoAl氮化技术要求
A、表面硬度HV0.11000以上
B、深度≥0.1mm
3、45#渗硼技术要求
A、表面硬度HV0.11200以上
B、深度≥0.05mm
（二）、观察分析渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼后的显微组织。
用化学热处理理论解释结果的变化规律，并分析实验结果的准确性。
五、实验报告及要求
1．每人提供一份实验报告，实验教师根据实验过程中表现，给每组学生评分，分出优劣、高低。
考核内容与标准：
学生的实验态度；
实验进程；
设备及材料的运行使用情况；
实验现象与结果分析；
实验报告的系统性。
考核成绩按优、良等五级分计。
成绩高低主要以考核实验方案的合理性和创新性、实验态度为依据。
2．学生通过制订工艺、性能分析，根据实验结果完成实验报告。
实验报告应采用学校规定的纸张撰写，报告内容包括实验名称、实验目的、实验原理、实验材料和仪器设备、实验步骤、实验结果及结果分析等。
要求每人写出一种化学热处理工艺，并说明工艺、组织、性能之间的关系；
画出三个不同化学热处理显微组织图，并标注试样材料及各组织名称。
六、注意事项
1．实验过程中注意技安问题，确保学生人身安全；
2．注意学生参与实验的独立性，防止学生互相依赖；
3．实验报告要独立完成，防止抄袭现象。
实验四工业热电偶的检定
1、通过实验掌握工业热电偶的基本检定过程，加深了解热电偶的基本特性;
2、测量热电偶冷端温度对热电势的影响;
3、了解补偿导线基本特性;
4、了解有关检定设备的使用方法。
工业用热电偶的检定方法通常采用比较法，就是将被检热电偶和标准热电偶在相同条件下测得的数据加以对比,以标准热电偶为准,求出被检热电偶的误差。
标准热电偶有一、二、三等之分，检定工业用铂铑10-铂和廉金属热电偶通常采用三等标准铂铑10-铂热电偶或采用三等标准镍铬-镍硅热电偶。
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