碳钢的热处理操作实验.docx
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碳钢的热处理操作实验
实验五碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定
实验学时：
4
实验类型：
综合
实验要求：
必修
一、实验目的
1.了解碳钢的热处理工艺操作；
2.研究碳钢加热温度、冷却速度、回火温度对钢性能的影响；
3.观察热处理后的显微组织变化；
4.了解硬度计的原理、初步掌握洛氏硬度计的使用。
二、实验内容
1．按表1中的热处理工艺进行操作，并对热处理后的各样品进行硬度测定，将硬度值填入表1中。
表1各种热处理工艺
加热温度℃
45钢T12
冷却
方式
20钢
45钢
T12钢
学号
硬度
学号
硬度
学号
硬度
920
水冷
780
水冷
860780
灰冷
860780
空冷
860780
油冷
860
水冷
45钢回火工艺
学号
回火温度℃
200
300
400
500
600
回火前硬度
回火后硬度
注：
保温时间可按1分钟/每毫秒直径计算；回火保温时间均为30分钟，然后取出空冷。
2.观察下列表2热处理后的金相试样，并画出组织示意图。
表2热处理后的金相试样
编号
钢号
处理状态
显微组织
腐蚀剂
1
20
920℃水淬
板条M
4%硝酸酒精
2
45
退火
F+P
4%硝酸酒精
3
45
正火
F+P
4%硝酸酒精
4
45
860℃油淬
M+B上+T+F少
4%硝酸酒精
5
45
860℃水淬
M
4%硝酸酒精
6
45
780℃水淬
M+F
4%硝酸酒精
7
T12
1000水淬+180℃回火
竹叶状M+Ar
4%硝酸酒精
8
T12
780℃水淬
隐晶M+颗粒状Fe3C+Ar
4%硝酸酒精
9
T12
780℃水淬+180℃回火
回火M+颗粒状Fe3C
4%硝酸酒精
10
T12
760℃球化退火
球状P
4%硝酸酒精
11
45
860℃水淬低温回火
回火M
4%硝酸酒精
12
45
860℃水淬中温回火
回火T
4%硝酸酒精
13
45
860℃水淬高温回火
回火S
4%硝酸酒精
三、实验原理、方法和手段
（一）钢的热处理工艺：
钢的热处理基本工艺有退火、正火、淬火和回火。
进行热处理时，加热是第一道工序，目的是为了得到奥氏体，因为钢的最终组织珠光体、贝氏体和马氏体都是由奥氏体转变来的。
二是保温、目的使奥氏体均匀化。
三是冷却，是改变组织和性能的重要因素。
因此，正确选择三个基本因素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：
根据Fe-Fe3C相图确定。
对亚共析钢，其加热温度为；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+（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。
（3）淬火加热温度：
一般亚共析钢加热至AC3+（30～50）℃，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。
如果加热温度不足（如低于AC3）,则淬火组织中将出现铁素体，造成淬火后硬度不足；共析钢和过共析钢加热至AC1+（30～50）℃，淬火后的组织为陷晶马氏体与粒状二次渗碳体。
未溶的粒状二次渗碳体可以提高钢的耐摩性。
的粒状二次渗碳体可提高钢的硬度和耐磨性。
过高的加热温度（高于ACCM），会因得到粗大的马氏体，过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性下降，脆性增加。
（4）回火温度：
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（工厂中常常是根据硬度的要求）。
按加热温度不同，回火可分为三类：
低温回火：
在150～250℃回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC57-60，其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。
一般用于切削工具、量具、滚动轴承以及渗碳和氰化件。
中温回火：
在350～500℃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。
因为它主要用于各种弹簧及热锻模。
高温回火：
在500～650℃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、又有良好的冲击韧性的综合机械性能，常把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，因此一般用于各种重要零件，如柴油机连杆螺栓、汽车半轴以及机床主轴等。
2．保温时间的确定
为了使钢件内外各部分温度均匀一致，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，就必须在淬火加热温度下保温一定时间，通常将钢件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。
在具体生产条件下，工件加热时间与钢的成分、原始组织、工件几何形状和尺寸，加热介质、炉温、装炉方式等许多因素有关。
对于本实验中的碳钢，保温时间为：
工件的有效加热厚度
1分钟/毫米。
如果是火焰炉、电炉所需加热及大约直径，如果是盐浴炉则缩短1-2倍。
合金钢加热时间要增加25-40%。
回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考虑。
一般来说，低温回火时，由于组织不稳定，内应力消除不充分，为了稳定组织、消除内应力，使零件在使用过程中性能与尺寸稳定，回火时间要长一些，一般不少于1.5-2小时。
高温回火时间不宜过长，过长会使钢过分软化，对有的钢种甚至造成严重的回火脆性，所以一般为0.5-1小时。
3．冷却速度的影响
冷却是淬火的关键工序，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体，另一方面又希望冷却速度不要太大，以减小内应力，避免变形和开裂，为此，根据c曲线考虑，淬火工件必须在过于奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷，以超过临界冷却速度，而在MS（300～200℃）点以下，尽可能慢冷以减小内应力。
为了保证淬火质量，应适当选用适当的淬火介质和淬火方法,见表3常用淬火介质的冷却能力
表3常用淬火介质的冷却能力
淬火
介质
冷却速度℃/秒
650～550℃300～200℃
18℃的水600270
20℃的水500270
50℃的水100270
74℃的水30200
10%NaCl水溶液18℃1100300
10%NaOH水溶液18℃1200300
10%NaCO3水溶液18℃800270
肥皂水30200
矿物油15030
变压器油12025
（二）钢热处理后的基本特征：
共析钢连续冷却曲线如图1所示。
炉冷得到100%珠光体，空冷得到细片状珠光体或称索氏体。
油冷得到少量屈氏体和马氏体。
水冷得到马氏体和少量残余奥氏体。
随着成分和热处理条件不同，钢热处理后的组织各不相同，基本组织特征如下：
（1）索氏体（s）是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，其层片分布比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700左右）放大下才能分辨出片层状，它比珠光体具有更高的强度和硬度。
（2）屈氏体（T）也是铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无发分辨，只能看到黑色组织如墨菊状，当其少
图1共析钢连续冷却曲线
量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体，当析出量较多时则呈大块黑色晶粒状。
只有在电子显微镜下才能分辨出其中的片层状。
（3）贝氏体（B）贝氏体也是铁素体与渗碳体的两相混合，但其金相形态与珠光体不同，因钢的成分和形成温度不同，其组织形态主要有三种：
上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断断续续地分布着细条状渗碳体所组成。
当转换量不多时，在光学显微镜下可以观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征，如图2所示。
在电子显微镜下可看到铁素体以几度到十几度的小位向差相互平列着，渗碳体沿条的长轴方向排列成行。
上贝氏体中铁素体的亚结构是位错。
下贝氏体是在具有一定过饱和的针状铁素体的内部沉淀有碳化物的组织，由于下贝氏体易受浸蚀，所以在显微镜下观察呈黑色针状。
图2上贝氏体显微组织（羽毛状）
在电镜下观察可以看到，它是以片状铁素体为基，其中分布着很细的s碳化物片，这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈55-65°的角度。
下贝氏体中的铁素体亚结构是位错。
粒状贝氏体粒状贝氏体是最近十几年才被确定的组织。
在低中碳合金钢中，特别是在连续冷却时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往回出现这种组织，在等温冷却时也可能形成。
其特征是较粗大的铁素体块内有一些孤立的小岛状组织，原先富碳的奥氏体区在其随后的转变可以有三种情况（a）分解为铁素体和碳化物，（b）发生马氏体转变，（c）仍然保持为富碳的奥氏体。
（4）马氏体（M）是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体的组织形态是多种多样的，归纳起来分为两大类，即板条状马氏体和片状马氏体。
板条状马氏体在光学显微镜下，板条马氏体的形态呈现一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群。
每束内的条与条之间的小角度晶界分开，束与束之间具有较大的相位差，如图3所示，由于条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现象，故在金相实验时，易被腐蚀而呈现较深的颜色。
在透射电镜下观察可以看到马氏体群是由许多平行的板条所组成，且发现板条马氏体晶内亚结构是高密度的位错，因此条状马氏体又称为位错马氏体，因含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。
图3条状马氏体显微组织
片状马氏体在光学显微镜下，片状马氏体呈现针状或竹叶状，其立体形态为双透镜状，因此成温度较低没有自回火现象故其显微组织不易被浸蚀，所以颜色较浅，在显微镜下呈白亮色。
透射电镜观察片状马氏体晶体内部为孪晶亚结构，故片状马氏体又称孪晶马氏体，因含较高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故片状马氏体又可称高碳马氏体。
马氏体的粗细取决于原奥氏体晶粒的大小，即取决于淬火加热温度如高碳钢在正常温度下淬火加热，淬火后可得到细小针状的马氏体，在光学显微镜下，仅能隐约见其针状，故又称为陷晶马氏体。
如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大，则得到粗大针状如图4所示。
（5）残余奥氏体（Ar）当奥氏体中含碳量>0.5%时，淬火时总有一定量的奥氏体不能转变为马氏体，而保留到室温，这部分奥氏体就是残余奥氏体，它不易受硝酸酒精腐蚀剂的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，淬火后未经回火，Ar与马氏体很难区分，都呈白亮色，只有马氏体回火后才能分辨出马氏体间的残余奥氏体。
图4粗大竹叶状马氏体+Ar
（6）回火马氏体（Mr）高碳马氏体经低温回火后，马氏体分解，析出了与母相共格的极细小弥散的碳化物。
这种组织称为回火马氏体。
由于极小的碳化物析出使回火马氏体易受浸蚀，所以在光学显微镜下观察回火马氏体仍保持针状马氏体形态，只是颜色比淬火马氏体深，但极细小的碳化物分辨不清。
在电子显微镜下则可观察到细小的碳化物。
（7）低碳条状马氏体低温回火以后，马氏体只发生碳原子的偏聚，尚未析出碳化物，在光学和电子显微镜下观察，低碳回火马氏体仍然保持条状形态。
中碳钢淬火以后得到条状马氏体和片状马氏体的混合组织，回火后其中片状马氏体易受浸蚀，颜色变深。
（8）回火屈氏体淬火钢进行中温回火以后，得到回火屈氏体。
它的金相组织特征是：
在铁素体基体上弥散分布着微小的粒状渗碳体，铁素体，铁素体仍然基本保持原来的条状或片状马氏体的形态，渗碳体颗粒很细小，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色。
用电子显微镜可以肯到这些渗碳体的质点，而且回火屈氏体仍然保持针状马氏体的位向。
（9）回火索氏体淬火钢高温回火得到回火索氏体，金相组织特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在再结晶的铁素体基体上。
但是某些合金钢经调质处理后，铁素体仍然保持针状形态，因合金元素对于铁素体的再结晶有阻碍作用，须更高的温度才能完成再结晶
四、实验组织运行要求
根椐本实验的特点要求及具体条件，采用集中运行模式组织教学
五、实验设备和材料
（1）箱式电阻炉和控温仪表；
（2）金相显微镜：
（3）洛氏硬度计；
（4）淬火水桶、油桶、火钳、砂纸等,20钢、45钢、T12钢试样若干，尺寸分别为12x12mm、13x14mm；15x14mm
（5）金相试样一套；
（6）金相图谱一套。
六、实验步骤
1、领取试样进行热处理工艺实验，炉冷试样由灰冷来代替。
2.同一加热温度的20钢、45钢和T12钢试样放入920℃、860℃、780℃、炉子内加热，保温后分别进行水冷、油冷、空冷和灰冷操作。
3.将水冷试样中取出5块45钢试样分别放入200℃300℃400℃500℃600℃的炉中进行回火、回火保温时间为30分钟。
4.洛氏硬度测试
5.观察金相组织,画示意图
七、思考题
1．试分析T12钢780℃水淬200℃回火与T12钢1100℃水淬200℃回火的组织区别,性能区别,说明过共析钢淬火温度如何选择？
2．分析45钢760℃水淬与45钢860℃油淬组织区别。
若45钢淬火后硬度不足，如何根据组织分析原因是淬火加热温度不足还是冷却速度不够？
八、实验报告
1.实验目的。
2.根据实验测试数据及观察到的显微组织综合分析
a、加热温度与冷却速度对钢性能的影响；
b.不同回火温度对材料组织和性能的影响,绘制45钢回火温度与硬度的关系曲线,
c.观察热处理后的金相组织，并画出组织示意图
九、其它说明
（1）实验前仔细阅读实验指导书。
（2）热处理操作及注意事项
装取试样时炉子要断电，装取试样后炉门要及时关好，并立即通电。
试样加热时，尽量靠近热电偶测出的温度接近试样温度。
实验中注意计算保温时间；保温时要注意温度控制仪表是否正常，以免跑温或升温太慢，发现问题应报告老师检查。
淬火冷却时，将试样迅速入油或入水。
并不停地移动试样，且不要拿出液面。
热处理后测定硬度，并填写在表2中。
测硬度前要将试样的氧化皮磨掉。
（3）观察显微试样的基本步骤：
根据试样的成分、热处理工艺，对照相图和C曲线分析可能出现的组织。
正确选择放大倍数，组织粗的可选低倍，组织细的可选高倍。
先用低倍。
低倍观察视场，组织特征较明显，观察较全面，然后对其中有代表性的区域用高倍观察，高倍观察范围较局限，但能看到局部组织的细节。
显微镜观察时要根据观察重点深入的原则，选择其中有代表性的区域进行重点观察。
根据组织的形成特点和组织的特征画出组织示意图，注明材料、热处理工艺、放大倍数、腐蚀剂、组织名称等。
图1共析钢连续冷却曲线
量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体，当析出量较多时则呈大块黑色晶粒状。
只有在电子显微镜下才能分辨出其中的片层状。
（3）贝氏体（B）贝氏体也是铁素体与渗碳体的两相混合，但其金相形态与珠光体不同，因钢的成分和形成温度不同，其组织形态主要有三种：
上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断断续续地分布着细条状渗碳体所组成。
当转换量不多时，在光学显微镜下可以观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征，如图2所示。
在电子显微镜下可看到铁素体以几度到十几度的小位向差相互平列着，渗碳体沿条的长轴方向排列成行。
上贝氏体中铁素体的亚结构是位错。
下贝氏体是在具有一定过饱和的针状铁素体的内部沉淀有碳化物的组织，由于下贝氏体易受浸蚀，所以在显微镜下观察呈黑色针状。
图2上贝氏体显微组织（羽毛状）
在电镜下观察可以看到，它是以片状铁素体为基，其中分布着很细的s碳化物片，这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈55-65°的角度。
下贝氏体中的铁素体亚结构是位错。
粒状贝氏体粒状贝氏体是最近十几年才被确定的组织。
在低中碳合金钢中，特别是在连续冷却时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往回出现这种组织，在等温冷却时也可能形成。
其特征是较粗大的铁素体块内有一些孤立的小岛状组织，原先富碳的奥氏体区在其随后的转变可以有三种情况（a）分解为铁素体和碳化物，（b）发生马氏体转变，（c）仍然保持为富碳的奥氏体。
（4）马氏体（M）是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体的组织形态是多种多样的，归纳起来分为两大类，即板条状马氏体和片状马氏体。
板条状马氏体在光学显微镜下，板条马氏体的形态呈现一束束相互平行的细长条状马氏体群，在一个奥氏体晶粒内可有几束不同取向的马氏体群。
每束内的条与条之间的小角度晶界分开，束与束之间具有较大的相位差，如图3所示，由于条状马氏体形成温度较高，在形成过程中常有碳化物析出，即产生自回火现象，故在金相实验时，易被腐蚀而呈现较深的颜色。
在透射电镜下观察可以看到马氏体群是由许多平行的板条所组成，且发现板条马氏体晶内亚结构是高密度的位错，因此条状马氏体又称为位错马氏体，因含碳低的奥氏体形成的马氏体呈板条状，故板条马氏体又称低碳马氏体。
图3条状马氏体显微组织
片状马氏体在光学显微镜下，片状马氏体呈现针状或竹叶状，其立体形态为双透镜状，因此成温度较低没有自回火现象故其显微组织不易被浸蚀，所以颜色较浅，在显微镜下呈白亮色。
透射电镜观察片状马氏体晶体内部为孪晶亚结构，故片状马氏体又称孪晶马氏体，因含较高的奥氏体形成的马氏体呈片状，故片状马氏体又可称高碳马氏体。
马氏体的粗细取决于原奥氏体晶粒的大小，即取决于淬火加热温度如高碳钢在正常温度下淬火加热，淬火后可得到细小针状的马氏体，在光学显微镜下，仅能隐约见其针状，故又称为陷晶马氏体。
如淬火温度较高，奥氏体晶粒粗大，则得到粗大针状如图4所示。
（5）残余奥氏体（Ar）当奥氏体中含碳量>0.5%时，淬火时总有一定量的奥氏体不能转变为马氏体，而保留到室温，这部分奥氏体就是残余奥氏体，它不易受硝酸酒精腐蚀剂的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，淬火后未经回火，Ar与马氏体很难区分，都呈白亮色，只有马氏体回火后才能分辨出马氏体间的残余奥氏体。
图4粗大竹叶状马氏体+Ar
（6）回火马氏体（Mr）高碳马氏体经低温回火后，马氏体分解，析出了与母相共格的极细小弥散的碳化物。
这种组织称为回火马氏体。
由于极小的碳化物析出使回火马氏体易受浸蚀，所以在光学显微镜下观察回火马氏体仍保持针状马氏体形态，只是颜色比淬火马氏体深，但极细小的碳化物分辨不清。
在电子显微镜下则可观察到细小的碳化物。
（7）低碳条状马氏体低温回火以后，马氏体只发生碳原子的偏聚，尚未析出碳化物，在光学和电子显微镜下观察，低碳回火马氏体仍然保持条状形态。
中碳钢淬火以后得到条状马氏体和片状马氏体的混合组织，回火后其中片状马氏体易受浸蚀，颜色变深。
（8）回火屈氏体淬火钢进行中温回火以后，得到回火屈氏体。
它的金相组织特征是：
在铁素体基体上弥散分布着微小的粒状渗碳体，铁素体，铁素体仍然基本保持原来的条状或片状马氏体的形态，渗碳体颗粒很细小，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色。
用电子显微镜可以肯到这些渗碳体的质点，而且回火屈氏体仍然保持针状马氏体的位向。
（9）回火索氏体淬火钢高温回火得到回火索氏体，金相组织特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在再结晶的铁素体基体上。
但是某些合金钢经调质处理后，铁素体仍然保持针状形态，因合金元素对于铁素体的再结晶有阻碍作用，须更高的温度才能完成再结晶
四、实验组织运行要求
根椐本实验的特点要求及具体条件，采用集中运行模式组织教学
五、实验设备和材料
（7）箱式电阻炉和控温仪表；
（8）金相显微镜：
（9）洛氏硬度计；
（10）淬火水桶、油桶、火钳、砂纸等,20钢、45钢、T12钢试样若干，尺寸分别为12x12mm、13x14mm；15x14mm
（11）金相试样一套；
（12）金相图谱一套。
六、实验步骤
1、领取试样进行热处理工艺实验，炉冷试样由灰冷来代替。
2.同一加热温度的20钢、45钢和T12钢试样放入920℃、860℃、780℃、炉子内加热，保温后分别进行水冷、油冷、空冷和灰冷操作。
3.将水冷试样中取出5块45钢试样分别放入200℃300℃400℃500℃600℃的炉中进行回火、回火保温时间为30分钟。
4.洛氏硬度测试
观察金相组织,画示意图
七、思考题
1．试分析T12钢780℃水淬200℃回火与T12钢1100℃水淬200℃回火的组织区别,性能区别,说明过共析钢淬火温度如何选择？
2．分析45钢760℃水淬与45钢860℃油淬组织区别。
若45钢淬火后硬度不足，如何根据组织分析原因是淬火加热温度不足还是冷却速度不够？
八、实验报告
1.实验目的。
2.根据实验测试数据及观察到的显微组织综合分析
a、加热温度与冷却速度对钢性能的影响；
b.不同回火温度对材料性能的影响,绘制45钢回火温度与硬度的关系曲线,
c.观察热处理后的金相组织，并画出组织示意图
九、其它说明
（1）实验前仔细阅读实验指导书。
（2）热处理操作及注意事项
装取试样时炉子要断电，装取试样后炉门要及时关好，并立即通电。
试样加热时，尽量靠近热电偶测出的温度接近试样温度。
实验中注意计算保温时间；保温时要注意温度控制仪表是否正常，以免跑温或升温太慢，发现问题应报告老师检查。
淬火冷却时，将试样迅速入油或入水。
并不停地移动试样，且不要拿出液面。
热处理后测定硬度，并填写在表2中。
测硬度前要将试样的氧化皮磨掉。
（3）观察显微试样的基本步骤：
根据试样的成分、热处理工艺，对照相图和C曲线分析可能出现的组织。
正确选择放大倍数，组织粗的可选低倍，组织细的可选高倍。
先用低倍。
低倍观察视场，组织特征较明显，观察较全面，然后对其中有代表性的区域用高倍观察，高倍观察范围较局限，但能看到局部组织的细节。
显微镜观察时要根据观察重点深入的原则，选择其中有代表性的区域进行重点观察。
根据组织的形成特点和组织的特征画出组织示意图，注明材料、热处理工艺、放大倍数、腐蚀剂、组织名称等。
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