金属材料及热处理实验报告.docx
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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：
41102010
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
一、 实验目的 1
二、 实验原理 1
1.加热温度的选择 1
2.保温时间的确定 2
3.冷却方法 3
三、 实验材料与设备 4
1.实验材料 4
2.实验设备 4
四、 实验步骤 4
1.试样的热处理 4
1.1淬火 4
1.2回火 5
2.试样硬度测定 5
3.显微组织观察与拍照记录 5
3.1样品的制备 5
3.2显微组织的观察与记录 6
五、 实验结果与分析 6
1.样品硬度与显微组织分析 6
2.淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响 6
2.1淬火温度的影响 6
2.2淬火介质的影响 7
3回火温度对钢组织与性能的影响 7
3.1回火温度对45钢组织的影响 7
3.2回火温度对45钢硬度和强度的影响 7
4合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响 8
4.1合金元素对钢的淬透性的影响 8
4.2合金元素对钢的回火稳定性的影响 9
5碳含量对钢的淬硬性的影响 9
六、 结论 9
参考文献 9
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+（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+（30—50）℃；过共析钢加热至Accm+（30—50）℃，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）淬火加热温度一般亚共析钢加热至Ac3+（30—50）℃；共析钢和过共析钢加热至Ac1+（30—50）℃，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
A
A
A
加热温度℃
冷却方式
加热温度℃
冷却方式
加热温度℃
冷却方式
35
724
802
850-880
炉冷
850-890
空冷
850-890
水或盐水
45
724
780
820-840
炉冷
830-880
空冷
820－850
水或盐水
T7-T12
750－770
炉冷
空冷
780-800
水或油
T8A
730
730
740-760
炉冷
760-780
空冷
750－780
水、硝盐、碱浴
T10A
730
800
800
750-770
炉冷
800-850
空冷
760－790
水、硝盐、碱浴
T12A
730
820
820
750-770
炉冷
850-870
空冷
760－790
水、硝盐、碱浴
a．低温回火在150—250℃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350—500℃的回火称为中温回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40—48。
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0.5—0.8%的弹簧钢热处理。
c．高温回火在500—650℃的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC25—35。
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1—2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）；
α—加热系数（min/mm）（见表2.2）；
K—工件装炉方式修正系数（一般K=1～1.5）；
H—工件有效厚度（mm）（尺寸最小部位）。
表2.2加热系数α（min/mm）
加热温度
及炉型
材料
<600℃
箱式炉预热
>750℃~900℃
盐浴加热
或预热
800℃~900℃
箱式或井
式炉加热
1100℃~1300℃
高温盐浴
炉加热
碳钢
直径<500mm
直径>500mm
0.3~0.4
0.4~0.45
1.0~1.2
1.2~1.5
合金钢
直径<50mm
直径>50mm
0.45~0.5
0.5~0.55
1.2~1.5
1.5~1.8
高合金钢
1~1.5
0.35~0.5
0.17~0.25
高速钢
0.3~0.5
0.14~0.25
3）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1~3h，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，一般为10~20min；
α—加热系数（箱式电炉取2~2.5min/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（650—550℃）快冷，超过临界冷却速度，而在Ms（300—100℃）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、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℃/s
650—550℃区间
300—200℃区间
650—550℃区间
300—200℃区间
水（18℃）
600
270
10%NaCl水溶液
1100
300
水（26℃）
500
270
10%NaOH水溶液
1200
300
水（50℃）
100
270
10%Na2CO3水溶液
800
270
水（74℃）
30
200
10%Na2SO4水溶液
750
300
肥皂水
30
200
矿物油
150
30
10%油水乳化液
70
200
变压器油
120
25
三、实验材料与设备
1.实验材料
试样：
直径φ15mm，高度15mm的45钢圆柱状小试样，化学成分见表3.1
C
Si
Mn
Cr
Ni
S
P
Cu
不大于
0.42～0.50
0.17～0.37
0.50～0.80
≤0.25
≤0.30
0.035
0.035
0.25
表3.145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860℃
2）保温时间本45号钢样品直径为φ15mm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，α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（见表4.1常用冷却介质的冷却直径）的水作为冷却介质，才能避免冷却曲线与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φ15mm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）
10
20
16
21.5
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250～350℃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，α=1min/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℃
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