碳钢的热处理实验(材料.材控专业)-石油大学.ppt

1、碳钢的热处理操作、组织观察及碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定硬度测定材料、材控专业材料、材控专业一、实验目的一、实验目的 1、了解碳钢的热处理操作；、了解碳钢的热处理操作；2、研究加热温度、冷却速度、回火温度对、研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响；碳钢性能的影响；3、观察热处理后钢的组织及其变化；、观察热处理后钢的组织及其变化；4、了解硬度计的原理，初步掌握洛氏硬度、了解硬度计的原理，初步掌握洛氏硬度计的使用。计的使用。二、概二、概 述述（一）钢的热处理工艺（一）钢的热处理工艺 钢的热处理就是通过加热、保温和冷却三钢的热处理就是通过加热、保温和冷却三个步骤来改变其内部组织，而

2、获得所需性能的个步骤来改变其内部组织，而获得所需性能的一种加工工艺。一种加工工艺。淬火、回火是钢件的重要热处理工艺。所淬火、回火是钢件的重要热处理工艺。所谓淬火就是将钢件加热到谓淬火就是将钢件加热到Ac或或Acl以上，保温以上，保温后放入放入各种不同的冷却介质中快速冷却，后放入放入各种不同的冷却介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理操作。以获得马氏体组织的热处理操作。钢件，特别是高碳钢件经淬火后得到马氏钢件，特别是高碳钢件经淬火后得到马氏体组织时，材质硬而脆，并且工件内部存在很体组织时，材质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出大的内应力，如果直接进行磨削加工往往

3、会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会引现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此钢件起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此钢件淬火后必须立即进行回火处理。淬火后必须立即进行回火处理。加热温度的选择加热温度的选择 （1）淬火加热温度：根据）淬火加热温度：根据FeFe3C相图确相图确定，如图定，如图61所示。对亚共析钢，其加热温度所示。对亚共析钢，其加热温度为为Ac3十十3050，淬火后的组织为均匀细小的，淬火后的组织为均匀细小的马氏体。如果加热温度不足马氏体。如果加热温度不足(如低于如低于Ac3)，则淬，则淬火组织中将出现铁素体，造成淬火后硬度不足。火组织中

4、将出现铁素体，造成淬火后硬度不足。对于共析钢、过共析钢其加热温度为对于共析钢、过共析钢其加热温度为Ac13050，淬火后的组织为隐晶马氏体与粒状二，淬火后的组织为隐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次渗碳体。未溶的粒状二次渗碳体可以提高钢的硬度和耐磨性。过高的加热温度的硬度和耐磨性。过高的加热温度(如高于如高于Acm)，会因得到粗大的马氏体，过多的残余，会因得到粗大的马氏体，过多的残余A而导致硬度和耐磨性的下降，脆性增。而导致硬度和耐磨性的下降，脆性增。图-碳钢正常淬火温度范围 图 在共析钢C曲线上估计连续冷却速度的影响各种不同成分碳钢的临界温度列于表各种不同成分碳钢的临

5、界温度列于表61中。中。（2）回火温度：回火温度决定于要求的组织及性能。）回火温度：回火温度决定于要求的组织及性能。按加热温度不同，回火可分为三类：按加热温度不同，回火可分为三类：低温回火：在低温回火：在150250回火，所得组织为回火马回火，所得组织为回火马氏体。硬度约为氏体。硬度约为HRC5760，其目的是降低淬火应力，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。具、滚动轴承以及渗碳和氰化件。中温回火：在中温回火：在3505000C回火，所得组织为回火屈氏回火，所得组织为回火屈氏体，

6、硬度约为体，硬度约为HRC4048，其目的是获得高的弹性极限，其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。因此它主要用于各种弹簧及热锻模。同时有高的韧性。因此它主要用于各种弹簧及热锻模。高温回火：在高温回火：在500650；回火，所得组织为回火索；回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为氏体，硬度约为HRC2535。其目的是获得既有一定强度、。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力调质处理，因此一般用于各种重要经高温回火的处理称力调质处理，因此一般用于各种重要零件，如柴油机连扦螺栓，汽车半轴以

7、及机床主轴等。零件，如柴油机连扦螺栓，汽车半轴以及机床主轴等。2、保温时间的确定、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，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，称为加钢件升温和保温所需的时间计算在一起，称为加热时间。热时间。在具体生产条件下，工件加热时间与钢的成在具体生产条件下，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、分，原始组织、工件几何形状和尺寸、

8、加热介质、炉温、装炉方式等许多因素有关。炉温、装炉方式等许多因素有关。对于碳钢件，放进预先巳加热至规定淬火温度的对于碳钢件，放进预先巳加热至规定淬火温度的炉内加热，如果是火焰炉、电炉所需加热及保温炉内加热，如果是火焰炉、电炉所需加热及保温时间大约为时间大约为1分钟毫米直径，如果是盐浴炉则缩分钟毫米直径，如果是盐浴炉则缩短短12倍。合金钢加热时间要增加倍。合金钢加热时间要增加2540。表表61 碳钢的临界点碳钢的临界点类别钢 号临 界 点（）Ac1Ac3或AccmAr1Ar3碳素结构钢20735855680835307328136778354072479068079645724780682760

9、5072576069075060727766695721碳素工具钢T7730770700743T8730700T10730800700T12730820700T13730830700 回火时的加热、保温时间，应与回火温度结合起来考回火时的加热、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，虑。一般来说，低温回火时，由于所得组织不稳定，内应由于所得组织不稳定，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，一般不少用过程中性能与尺寸稳定，回火时间要长一些，一般不少1.52小时。高温回火时

10、间不宜过长，过长会使钢过分软小时。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，所以一般为化，对有的钢种甚至造成严重的回火脆性，所以一般为0.5l小时。小时。3、冷却速度的影响、冷却速度的影响 冷却是淬火的关键工序，一方面冷却速度耍大于临界冷却是淬火的关键工序，一方面冷却速度耍大于临界冷却速度，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，根不要太大，以减小内应力，避免变形和开裂，为此，根据据c曲线考虑，淬火工件必须在过冷奥氏体最不稳定温度曲线考虑，淬火工件必须在过冷奥氏体最

11、不稳定温度范围范围(650550)进行快冷，以超过临界冷却速度，而在进行快冷，以超过临界冷却速度，而在Ms(300200)点以下，尽可能慢冷以减少内应力。为点以下，尽可能慢冷以减少内应力。为保证淬火质量，应适当选用淬火介质和淬火方法。常用淬保证淬火质量，应适当选用淬火介质和淬火方法。常用淬火介质的特性见表火介质的特性见表62。表表62 常用淬火介质的冷却能力常用淬火介质的冷却能力淬淬 火火 介介 质质冷却速度冷却速度秒秒65055030020018的水的水60027020的水的水50027050的水的水10027074的水的水3020010NaCl水溶液水溶液18110030010NaOH水溶

12、液水溶液18120030010Na2CO3水溶液水溶液18800270肥皂水肥皂水30200矿物油矿物油15030变压器油变压器油12025 共析钢连续冷却后的显微组织如图共析钢连续冷却后的显微组织如图62所示。炉冷得所示。炉冷得到到100珠光休。空冷得到细片状珠光体或称索氏体。油珠光休。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。奥氏体。钢随成分和热处理条件不同，热处理后的组织各不相钢随成分和热处理条件不同，热处理后的组织各不相同，其基本组织特征如下：同，其基本组织特征如下：（1）索氏体（）索氏

13、体（S）是铁素体与片状渗碳体的机械混合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，在显微镜的高倍物，其层片分布比珠光体更细密，在显微镜的高倍(700 x左右左右)放大下才能分辨出片层状，它比珠光体具有更高的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。强度和硬度。（2）屈氏体）屈氏体 也是铁素体与片状渗破体的机械混合物，也是铁素体与片状渗破体的机械混合物，片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无法分辨，片层分布比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无法分辨，只能看到黑色组织如墨菊状，当其少量析出时，沿晶界分只能看到黑色组织如墨菊状，当其少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状

14、包围马氏体当析出量较各时则是大块黑色布呈黑色网状包围马氏体当析出量较各时则是大块黑色晶粒状。只有布电子显微镜下观察才能分辨其中的片层状。晶粒状。只有布电子显微镜下观察才能分辨其中的片层状。（3）贝氏体）贝氏体 也是铁索素体与渗碳体的两相混台物，也是铁索素体与渗碳体的两相混台物，但其金相形态与珠光体不同，因钢的成分和形成温度不同，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：其组织形态主要有三种：A 上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间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。当转变量不多时，断断续续地分布着细条状渗碳体所组成

15、。当转变量不多时，在光学显搬镜下可观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内在光学显搬镜下可观察到成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状持征，如照片伸展，具有羽毛状持征，如照片61所示。在电镜下观察所示。在电镜下观察可看到铁素体以几度到十几度的小位向差相互平列着，渗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。碳体沿条的长轴方向排列成行。(照片照片15一一1)上贝氏体中上贝氏体中铁素体的亚结构是位错。铁素体的亚结构是位错。B 下贝氏体下贝氏体 是在具有一定过饱和的针状铁素体的内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，由部沉淀有碳化物的组织，由 于下

16、贝氏体易受浸蚀，所以在于下贝氏体易受浸蚀，所以在显微镜下观察呈黑色针状，如照片显微镜下观察呈黑色针状，如照片62所示。在电镜下观所示。在电镜下观察可以看到，它是以针片状铁章体为基，其中分布着很细察可以看到，它是以针片状铁章体为基，其中分布着很细的的碳化物片，这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈碳化物片，这些碳化物片大致与铁素体片的长轴呈5565的角度的角度(照片照片152)。下贝氏体中的铁索体亚结构是。下贝氏体中的铁索体亚结构是位错。位错。C 粒状贝氏体粒状贝氏体 粒状贝氏体是最近十几年才被确定的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组织。在低中碳合金钢中，特别是在连续冷却时(如正火、如正火、热扎空冷或焊接热影响区、往往会出现这种组织，在等温热扎空冷或焊接热影响区、往往会出现这种组织，在等温冷却时也可能形成。它的形成温度范围大致在上贝氏体相冷却时也可能形成。它的形成温度范围大致在上贝氏体相变温度区的上面。粒状贝氏体的金相组织，其特征是较粗变温度区的上面。粒状贝氏体的金相组织，其特征是较粗大的铁素体块内有大的铁素体块内有些孤立的小岛状组织，照片些孤立的小