金属材料实验预习报告.docx
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金属材料实验预习报告
材料成分和热处理工艺对钢组织与性能的影响实验预习报告
材科1104张明康
一、实验目的
1.了解热处理设备和几种热处理工艺的实际操作。
2.了解材料成分、热处理工艺、组织和性能之间的关系。
3.培养学生综合运用所学理论知识和实验技术独立分析和解决实际问题的能力。
4.培养学生分工合作的团队意识。
二、实验材料与设备
1.45（Φ15mm）、40CrNi（Φ13mm）和T8（Φ16mm）钢试样
2.箱式加热炉
3.硬度计
4.金相显微镜及数码照相系统
5.磨光机及金相砂纸
6.抛光机及抛光液
7.浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等
三、热处理设备
热处理设备是对工件进行退火、回火、淬火、加热等热处理工艺操作的设备。
按电阻炉的结构主要可以分为台车炉、箱式炉、井式炉等。
箱式电阻炉一般工作在自然气氛条件下，多为内加热工作方式，采用耐火材料和保温材料做炉衬，用于对工件进行正火、退火、淬火等热处理及其他加热用途。
1、箱式电阻炉按照加热温度的不同一般分为三种类型：
温度高于1000℃称为高温箱式电阻炉，温度在600一1000℃之间称为中温箱式电阻炉，温度低于600℃称为低温箱式电阻炉，以满足不同热处理温度的需要。
2、箱式电阻炉结构：
由炉门、电热元件、炉壳、控制箱、炉衬等五个部分组成。
3、箱式电阻炉使用步骤：
1 通电前，先检查接线有否符合，控制器上等接线螺丝有否松落现象。
2 称好试样放与炉内，并关闭炉门，打开电炉开关；
3 将控制器上的开关拔至“设定”位置，设定试验温度；
4 设定完成后开关拔回至“测量”位置，电炉开始升温工作，此时仪表由绿指示灯显示；
5 工作时间到后关掉电炉开关，待冷却后取出样品。
四、45、40CrNi、T8钢的化学成分及其临界点温度
表1三种钢的化学成分
材料
成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
45钢
0.42~
0.50
0.17~
0.37
0.50~
0.80
≤0.040
≤0.045
≤0.25
≤0.25
≤0.25
40CrNi
0.37～0.44
0.17～0.37
0.50～0.80
—
—
0.45～0.75
1.00～1.40
—
T8
0.75～0.84
≤0.35
≤0.40
≤0.030
≤0.020
≤0.25
≤0.20
≤0.30
表2三种钢的临界点温度
材料
临界点
℃
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
45钢
724
780
682
751
345
40CrNi
731
769
660
702
271
T8
730
_
700
_
225~250
五、45、40CrNi、T8钢保温时间的确定
保温时间的长短受多种因素的影响，主要有：
（1）零件的有效厚度；
（2）加热介质；
（3）钢材所含的合金元素，
（4）加热温度；
（5）装炉方式。
一般情况下，常选用经验数据进行计算。
如碳素钢在箱式电炉中常用1分／1毫米来计算。
在盐浴炉中常用15—20秒／1毫米来计算。
合金钢是碳素钢的1．3—1．8倍，合金元素含量多，就用大系数。
但在高温时（超过1000℃），有效厚度大的，系数取下限值；有效厚度小的，系数取上限值。
常用的热处理保温时间计算公式：
t=α·K·D
其中t——保温时间
α——加热系数（min/mm）
K——工件加热时的修正系数
D——工件有效厚度
工件有效厚度的计算原则：
薄板工件的厚度即为有效厚度；长的圆棒料直径为其有效厚度；正方形工件的边长为其有效厚度；矩形工件的高为其有效厚度；带锥度的圆柱形工件的有效厚度是距小端2L/3（L为工件的长度）处的直径，带有通孔的工件，其壁厚为有效厚度。
表3加热系数α数值
钢种
加热方式
有预热
无预热
气体介质炉
盐浴炉
气体介质炉
盐浴炉
碳素钢
b=1.4~1.8
a=0.7~0.9
b=0.3~0.36
a=0.10~0.17
a=1.0~1.6
直径<50mm
a=0.30~0.40
直径>50mm
a=0.4~0.45
合金钢
b=1.5~2.0
a=1.0~1.2
b=0.30~0.40
a=0.15~0.20
a=1.2~1.6
直径<50mm
a=0.45~0.50
直径>50mm
a=0.5~0.55
注：
b为达到预热温度550~650℃时的加热系数。
六、热处理工艺
本次实验所选钢种为45号钢，组织为回火马氏体1。
回火马氏体：
淬火钢在150℃~250℃之间回火时，片状马氏体分解为含碳过饱和的α固溶体和ε（或μ）碳化物的两相组织。
故需要淬火、回火热处理工艺相结合进行热处理。
1、淬火工艺参数选择
1 加热温度
45号钢为亚共析钢，亚共析钢的淬火加热温度一般采用Ac3以上30~50℃，而45号钢Ac3=780℃，故选择加热温度T=780℃+40℃=820℃。
2 保温时间
加热方式为箱式电阻炉，无预热，故加热系数a=1.0~1.6，选择a=1.3；由于工件为Φ15mm圆柱钢试样，故工件有效厚度D=15；由保温时间计算公式
t=α·D=1.3*15=19.5min，故选择保温时间t=30min。
3 淬火介质及冷却方法
根据其组织要求，选择双液淬火的冷却方法，冷却介质为水（50℃）+油。
双液淬火利用了水、油两种冷却介质的优点，既保证了工件发生完全的马氏体转变，又防止了工件的淬火变形与开裂。
根据水（50℃）和油的冷却能力，其冷却时间分别为5s和5s。
2、回火工艺参数选择
为了获得回火马氏体，故需要在淬火之后进行低温回火，回火温度范围为150~250℃，此次实验选择回火温度T=200℃，回火时间1h，空冷，以获得回火马氏体1。
3、热处理工艺流程
1 淬火
打开1号箱式电阻炉电源，将温度设置为820℃，待炉温升到预设值后，打开炉门，用铁钳将45号钢试样夹住放进炉里，关闭炉门，保温30min。
用铁钳将试样取出，立即伸进水槽冷却5s，后取出伸进油里冷却5s以上。
2 回火
打开2号箱式电阻炉电源，将温度设置为200℃，待炉温升到预设值后，打开炉门，用铁钳将经上述处理后的试样夹住放进炉里，关闭炉门，保温1h。
用铁钳将试样取出，放在试样平台上，空冷至室温。
3 测量硬度
用洛式硬度计进行测量：
a.将丝杠顶面及工作台上下端面擦净,将工作台置于丝杠台上;
b.将试件支撑面擦净置于工作台上,旋转手轮使工作台缓慢上升并顶起压头,至小指针指向红点,大指针旋转3圈垂直向上为止;
c.旋转指示器外壳,使C,B之间长刻线与大指针对正;
d.拉动加荷手柄,施加主试验力,指示器的大指针按逆时针方向转动;
e.当指示针转动停止下来后,即可将卸荷手柄推回,卸除主试验力;
f.从指示器上相应的标尺读数;
4 磨光、抛光和浸蚀
a.磨光
砂纸平铺在玻璃板上一手按住砂纸，另一手握住试样，砂纸平铺在玻璃板上，一手按住砂纸，另一手握住试样，使试样平铺在玻璃板磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下向前推行磨制。
磨面朝下并与砂纸接触，轻微压力作用下向前推行磨制。
作用下向前推行磨制磨制以“单程单向”方式重复进行。
磨制以“单程单向”方式重复进行。
在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并使试样的磨制方向调转磨制方向调转90°并使试样的磨制方向调转90°。
b.抛光
将试样磨面均匀地、平整地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，将试样磨面均匀地、平整地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，并沿盘的边缘到中心不断作径向往复移动。
并沿盘的边缘到中心不断作径向往复移动。
抛光时间不宜过长，磨面上磨痕全部消除而呈光亮的镜面后，即抛光时间不宜过长光亮的镜面后抛光时间不宜过长，磨面上磨痕全部消除而呈光亮的镜面可停止抛光。
可停止抛光。
抛光后的试样用水冲洗干净，然后进行浸蚀。
c.浸蚀
将抛光好的试样磨面用化学浸蚀剂进行一定时间浸蚀，浸蚀后用酒精清洗浸蚀面，再用吹风机吹干浸蚀面及试样整浸蚀后用酒精清洗浸蚀面，随后观察。
5 金相显微镜观察和数码照相
a.将制备好的试样放在金相显微镜的载物台上，选择目镜，物镜的倍数，然后用粗调旋钮调整焦距，直至观察到物象，进而调节细调旋钮，直至观察到清晰的物象为止。
b.打开数码照相机，对其进行拍照。
七、45、40CrNi、T8三种钢在退火、正火、淬火和不同温度回火后的力学性能。
表445号钢热处理后的力学性能
热处理
力学性能
HRC
淬火温度/℃
回火温度/℃
830~850
200
48~54
300
40.5~46.5
400
33.5~40.5
500
26.5~32
600
23~25.5
700
<17
840~860℃正火
630~650
<17
740~760℃退火
—
<17
表540CrNi钢回火温度与硬度关系
40CrNi
回火温度/℃
200~250
360~420
420~450
470~500
510~540
580~600
硬度HRC
55
45
40
35
30
25
表6T8钢回火温度与硬度关系
T8
回火温度/℃
200
300
400
500
600
硬度HRC
58.8
56.8
45
36.9
25.5
参考文献：
1.胡立光等，《钢的热处理（原理和工艺）》，西北工业大学出版社，2012
2.张玉庭等，《实用热处理操作技术问答》，机械工业出版社，2010
3.吴承建等，《金属材料学》，冶金工业出版社，2009
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