钢的热处理及硬度测定.docx
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钢的热处理及硬度测定
钢的热处理及硬度测定
一、实验目的
1.了解钢的基本热处理工艺。
2.了解布氏和洛氏硬度计的主要原理、结构及操作方法。
3.了解不同的热处理工艺对钢的性能的影响。
二、实验原理
热处理是充分发挥金属材料性能潜力的重要方法之一。
其工艺特点是把钢加热到一定温度，保温一段时间后，以某种速度冷却下来，通过改变钢的内部组织来改善钢的性能，其基本工艺包括退火、正火、淬火和回火等。
金属的硬度是材料表面抵抗硬物压入而引起塑性变形的能力。
硬度越大，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。
硬度是金属材料一项重要的力学性能指标。
硬度的试验方法很多，其中常用的有布氏法、洛氏法和维氏法三种硬度试验方法。
1.钢的退火、正火、淬火和回火
钢的退火通常是将钢加热到临界温度
或
线以上，保温后缓慢地随炉冷却的一种热处理工艺。
钢经退火处理后，其组织比较接近平衡状态，硬度较低（约180~22OHBS），有利于进行切削加工。
钢的正火是将钢加热到
或
线以上30~50℃，保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。
由于冷却速度稍快，与退火组织相比，所形成的珠光体片层细密，故硬度有所提高。
对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善其切削加工性能，降低加工表面的粗糙度；对高碳钢来说，正火可以消除网状渗碳体，为球化退火和淬火作准备。
钢的淬火就是将钢加热到
或
线以上30~50℃，保温后在不同的冷却介质中快速冷却，从而获得马氏体和（或）贝氏体组织的一种热处理工艺。
马氏体的硬度和强度都很高，特别适用于有较高耐磨性能要求的工模具材料。
淬火工艺包括三个重要参数，淬火加热温度、保温时间和冷却速度。
淬火加热温度过高时晶粒容易长大，而且还会产生氧化脱碳等缺陷，加热温度过低则会因组织中存在铁素体或珠光体而导致材料硬度不足。
保温时间与钢的成分、工件的形状、尺寸及加热介质等因素有关，一般可按照经验公式加以估算，保温时间过长或过短都会对钢的组织及性能造成不利的影响。
冷却是淬火的关键工序，它直接影响到淬火后的组织和性能。
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降低冷却速度，以减小内应力，防止变形和开裂。
因此，可根据C曲线图（见图1-3-1），使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650~550℃）进行快冷，而在较低温度（300~100℃）时的冷却速度则尽可能小些。
钢的回火是把经过淬火后的钢再加热到
线以下某一温度，保温一段时间，然后
冷却到室温的热处理工艺，其主要目的是改善淬火组织（马氏体）的韧性，消除淬火时产生
的残余内应力并减小钢件的变形。
回火温度和保温时间是回火工艺的两个重要参数，根据回
火温度的不同，回火又可分为低温回火（小于250℃），中温回火（250~500℃）和高温
回火（500~650℃）。
2.硬度试验原理、结构及操作方法
硬度测试方法很多，使用最广泛的是压入法。
压入法就是把一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。
压痕越大，则材料越软；反之，则材料越硬。
根据压头类型和几何尺寸等条件的不同，常用的压入法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。
1）布氏硬度
布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D钢的球压入被测金属表面后保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的压痕直径查表即可得硬度值。
用钢球压头所测出的硬度值用HBS表示；用硬质合金球压头所测出的硬度值用HBW表示。
布氏硬度的优点是测定结果较准确，缺点是压痕大。
目前布氏硬度计一般以钢球为压头，主要用于测定较软的金属材料的硬度。
布氏硬度值的计算式如下：
HBS（HBW）
式中P——试验力（N）；
D——压头球体直径（mm）；
d——相互垂直方向测得的压痕直径
、
的平均值（mm）。
布氏硬度试验机的外形结构如图1-3-2所示，其基本操作和程序是：
（1）将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头向试样表面直至手轮对下面螺母产生相对运动（打滑）为止。
此时试样已承受98.07N初载荷。
（2）按动加载按钮，开始加主载荷，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动。
达到所要求的持续时间后，转动即自行停止。
（3）逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d，以此查表即得HBS值。
2）洛氏硬度
洛氏硬度以顶角为120℃的金刚石圆锥体作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，通过测量压痕深度来确定其硬度。
被测材料的硬度可在硬度计刻度盘上读出。
洛氏硬度有HRA、HRB和HRC三种标尺，其中以HRC应用最多，一般用于测量经过淬火处理后较硬材料的硬度。
在实际使用中为了使硬材料的洛氏硬度值比软材料的高，以符合人们的习惯。
因此被测试材料的硬度值尚须用下式作适当变换：
式中，K——常数，采用金刚石压头时为0.2，采用1.5875mm（l/16”）钢球压头时为0.26；
c——常数，采用金刚石压头或钢压头时都为0.002；
、
——施加载荷前后的压痕深度（mm）。
常用的三种洛氏硬度试验规范见表1-3-1。
洛氏硬度试验机的结构如图1-3-4所示，其基本操作程序是：
（1）将试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“0”为止，然后将表盘上指针调零。
（2）按动按钮或转动手柄，加主载荷，当表盘大指针反转停止后，再顺时针旋转摇柄，卸除主载荷，此时表盘大指针即指示出该试样的HRC值。
（3）逆时针转动手轮，取出试样，硬度测定完毕。
3）维氏硬度
维氏硬度测定的基本原理和布氏硬度相同，区别在于压头采用锥面夹角为136℃的金刚石棱锥体，压痕是四方锥形（图1-3-5）。
维氏硬度用HV表示，HV的计算式为：
式中：
F——载荷（N）；
D——压痕对角线长度（mm）。
三、实验内容
1.退火、正火及淬火部分的内容及具体步骤
（1）根据处理条件不同，可按表1-3-2进行分组试验。
（2）表1-3-2中所用原始试样一律经退火处理后测定其HBS值，经淬火实验后一律用洛氏（HRC）硬度计测定。
（3）根据试样钢号及铁碳相图确定加热温度及保温时间。
（4）将退火、淬火及正火后的试样表面用砂纸磨平，测出硬度值（HRC）并填入表1-3-2中。
2.回火部分的内容及具体步骤
（1）将已经正常淬火并测过硬度的45钢试样分别按表1-3-3中指定的各温度值放入炉内加热，保温1小时，然后取出空冷。
（2）用砂纸磨光试样表面，测定其硬度值（HRC）。
（3）将测定的硬度值分别填入表1-3-3中。
四、实验报告要求
1.明确实验目的。
2.分析加热温度与冷却速度对钢的性能的影响
3.按照表1-3-2及表1-3-3记录各硬度值数据，并绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。
根据铁碳相图，共析钢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。
在实际热处理加热条件下，相变是在不平衡条件下进行的，其相变点与相图中的相变温度有一些差异。
由于过热和过冷现象的影响，加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后。
加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。
图6-1表示加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响。
通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。
因此掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化。
一、加热时奥氏体的形成过程
1．共析钢的加热转变
从铁碳相图中看到，钢加热到727℃（状态图的PSK线，又称A1温度）以上的温度珠光体转变为奥氏体。
这个加热速度十分缓慢，实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于A1，定义实际转变温度为Ac1。
Ac1高于A1，表明出现热滞后，加热速度愈快，Ac1愈高，同时完成珠光体向奥氏体转变的时间亦愈短。
共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行:
[IMG]
第一阶段：
奥氏体晶核的形成。
由Fe-Fe3C状态图知：
在A1温度铁素体含约0.0218%C，渗碳体含6.69%C，奥氏体含0.77%C。
在珠光体转变为奥氏体过程中，原铁素体由体心立方晶格改组为奥氏体的面心立方晶格，原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格。
所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。
基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交界处产生（见图6-2（a）），这两相交界面越多，奥氏体晶核越多。
第二阶段：
奥氏体的长大。
奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。
随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。
第三阶段：
残余渗碳体的溶解。
由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在（见图6-2（C）），还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。
第四阶段：
奥氏体成分的均匀化。
即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能均匀。
上述分析表明，珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件：
一是温度条件，要在Ac1以上加热，二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间。
在一定加热速度条件下，超过Ac1的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。
还要看到奥氏体晶粒由小尺寸变为大尺寸是一个自发过程，在Ac1以上的一定加热温度下，过长的保温时间会导致奥氏体晶粒的合并，尺寸变大。
相对之下，相同时间加热，高的加热温度导致奥氏体晶粒尺寸的增大倾向明显大于低的加热温度的奥氏体晶粒长大倾向。
奥氏体晶粒尺寸过大（或过粗）往往导致热处理后钢的强度降低，工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒，为此可以采用：
途径之一是在保证奥氏成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化温度；途径之二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的奥氏体来不及长大而冷却得到细小的晶粒。
工程上把奥氏体晶粒尺寸大小定义为晶粒度，并分为8级，其中1～4级为粗晶粒，5级以上为细晶粒，超过8级为超细晶粒。
2．非共析钢的加热转变
亚共析钢与过共析钢的珠光体加热转变为奥氏体过程与共析钢转变过程是一样的，即在Ac1温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的珠光体均要转变为奥氏体。
不同的是还有亚共析钢的铁素体的转变与过共析钢的二次渗碳体的溶解。
更重要的是铁素体的完全转变要在A3温度（Fe-Fe3C状态图的GS线）以上，考虑热滞后实际要在Ac3以上，二次渗碳体的完全溶解要在温度Acm（Fe-Fe3C状态图的ES线）以上，考虑热滞后要在Accm以上。
即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上，对过共析钢要在Accm以上。
如果亚共析钢仍仅在Ac1～Ac3温度之间加热，无论加热时间多长加热后的组织仍为铁素体与奥氏体共存。
对过共析钢在Ac1～Accm温度之间加热，加热后的组织应为二次渗碳体与奥氏体共存。
加热后冷却过程的组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变，其中的铁素体及二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。
铁碳平衡图
铁碳平衡图（iron-carbonequilibriumdiagram），又称铁碳相图或铁碳状态图。
它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。
简史早在1868年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。
至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度视加热或冷却（分别以Ac和Ar表示）过程而异。
奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。
1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即Ar1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，Ar3下降而与Ar2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与Ar1合为一点。
1904年又发现A4至熔点间为δ铁。
以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本（H.W.BakhiusRoozeboom）更首先在合金系统中应用吉布斯（Gibbs）相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。
随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。
目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。
当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。
铁碳平衡图释义纯铁有两种同素异构体,在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃（熔点）又呈体心立方结构,即δ－Fe。
当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体（F）、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体（A），碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体（Fe3C）形式存在。
Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。
但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700℃，Fe3C分解成稳定相也需几年（合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱），石墨虽然在铸铁（2～4％C）中大量存在,但在一般钢（0.03～1.5％C）中却较难形成这种稳定相。
Fe－Fe3C平衡图有重要的意义并得到广泛的应用。
图1中的实线绘出亚稳的Fe-Fe3C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C（石墨）系；平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。
Fe-Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成（见相图）。
①在1495℃（HJB线）发生包晶反应,LB+δH匊AJ。
此时液相LB（0.53％C），δ铁素体δH（0.09％C），奥氏体AJ（0.17％C）三相共存。
冷凝时反应的结果形成奥氏体。
②在1148℃（ECF线）发生共晶反应,LC匊AE+Fe3C。
此时液相LC（4.30％C），奥氏体AE（2.11％C）。
渗碳体（6.69％C）三相共存。
冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物，通称为莱氏体。
③在727℃（PSK线）发生共析反应,AS匊FP+Fe3C,此时奥氏体As（0.77％C），铁素体FP（0.0218％C），渗碳体（6.69％C）三相共存。
冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体的混合物，通称珠光体。
共析反应温度常标为A1温度。
其他几条线的含义如下:
①GS线,奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线,称A3温度。
②ES线,碳在奥氏体中的溶解限度线,称Acm温度。
在1148℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％,而在727℃时只为0.77％。
所以凡是碳含量大于0.77％的铁碳合金，在Acm温度以下时，奥氏体中将析出渗碳体,称为二次渗碳体,以区别于从液态中析出的一次渗碳体。
③PQ线,碳在铁素体中的溶解限度线。
在727℃时,碳在铁素体中最大溶解度为0.0218％，600℃时为0.0057％，400℃时为0.00023％,200℃以下时小于0.0000007％。
碳含量大于0.0218％的合金，在PQ线以下均有析出渗碳体的可能性。
通常称此类渗碳体为三次渗碳体。
④NJ线，奥氏体转变为δ铁素体，称A4温度，纯铁为1394℃，随碳含量增加而提高。
⑤ABCD线，合金的液相线。
⑥AHJE线，合金的固相线。
此外，770℃水平线表示铁素体的磁性转变温度,常称为A2温度。
在此温度以下,铁素体呈铁磁性。
230℃水平线表示渗碳体的磁性转变温度。
磁性转变时不发生晶体结构的变化，渗碳体在230℃以下呈铁磁性。
用途铁碳平衡图是研究碳钢和铸铁的基础，也是研究合金钢的基础，它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义，如在简单二元Fe-C系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。
当然，需要考虑到合金元素对这些相的形成和性质的影响，因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始。
工程上依据Fe-Fe3C平衡图把铁碳合金分为三类,即工业纯铁（C≤0.021％）、钢（0.021～2.11％C）和铸铁（2.11～6.69％C）。
其他在制定钢铁材料的铸造、锻轧和热处理工艺等方面，也常以铁碳平衡图为依据。
实际加热时钢铁的临界点往往高于Fe-Fe3C平衡图上的临界点,冷却时则低于平衡图的临界点。
如图3所示，习惯上以A表示平衡图上的临界点,沿用奥斯蒙以法文加热的首字母c及冷却的首字母r分别标志加热和冷却，Ac表示加热时的临界点,Ar表示冷却时的临界点。
铁碳合金相图
从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本相
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
1．铁素体
2．奥氏体
3．渗碳体
二、铁碳合金相图分析
1．Fe-Fe3C相图中的特性点
图4-14是Fe-Fe3C相图。
图中各点的温度、含碳量及其意义示于表4-1中。
Fe-Fe3C相图中的特性点均采用固定的字母表示。
重庆大学精品课程－工程材料
图4-14Fe-Fe3C相图
2．Fe-Fe3C相图中的特性线
相图中的ABCD线为液相线，AHJECFD为固相线，ES线是碳在γ-Fe中的固溶度曲线，又叫作Acm线。
PQ线是碳在α-Fe中的固溶度曲线。
GS线是冷却过程中，由奥氏体中析出铁素体的开始线，或者是加热时，铁素体溶入奥氏体的终止线，GS线又叫作A3线。
根据生成条件的不同，渗碳体可分为一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体五种。
它们的不同形态与分布，除对铁碳合金性能有不同影响外，就其本身来讲，并无本质区别。
三、铁碳合金的结晶过程
下面以几种典型的铁碳合金为例，分析其平衡结晶过程及组织。
由于工业纯铁的实际应用较少，所以这里不分析其结晶过程。
所选合金的成分如图4-15所示。
重庆大学精品课程－工程材料
图4-156个典型的铁碳合金结晶过程分析
重庆大学精品课程－工程材料
6个典型的铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢的结晶过程分析
图4-15中，合金①是共析钢，其结晶过程示于图4-16。
图4-16共析钢结晶过程示意图
共析钢结晶过程
2．亚共析钢的结晶过程分析
图4-15中的合金②是亚共析钢，其结晶过程如图4-17所示。
图4-17亚共析钢结晶过程示意图
3．过共析钢的结晶过程分析
图4-15中的合金③是过共析钢，其结晶过程如图4-18所示。
图4-18过共析钢结晶过程示意图
4．共晶白口铁的结晶过程分析
图4-15中的合金④是共晶白口铁，图4-19是其结晶过程示意图。
图4-19共晶白口铁结晶过程示意图
共晶白口铁结晶过程
5．亚共晶白口铁的结晶过程分析
图4-15中的合金⑤是亚共晶白口铁，其结晶过程如图4-20所示。
图4-20亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁结晶过程示意图
四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系如图4-21所示。
图4-21铁碳合金的含碳量与组织的关系
2．含碳量对机械性能的影响
渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。
图4-22所示为含碳量对钢的机械性能的影响。
图4-22含碳量对钢性能的影响
3．含碳量对工艺性能的影响
对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。
含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。
对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。
由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。
锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。
对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。
从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。
一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。
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