金属材料及热处理实验报告.docx

金属材料及热处理实验报告.docx

《金属材料及热处理实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料及热处理实验报告.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

金属材料及热处理实验报告

属材料及热处理实验报告

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

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℃箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上，待使炉温稳定后开始计时，保温40min后，用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。

2试样硬度测定

将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨，去掉表面氧化皮。

用60#砂纸将试样表面磨平，再依次使用150#、240#、400#、600#、800#砂纸打磨。

然后，将样品放在洛式硬度计的载物台上，采用洛式硬度C标尺测量样品硬度（硬度计压头为金刚石，量程20～70HRC，加载载荷为150kg）。

在试样上不同位置取四个点，第一个点不计入数据，后三个点计入数据，若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀，最后对三个测量值求平均值。

3显微组织观察与拍照记录

3.1样品的制备

1）样品的磨光。

用一套金相砂纸（包括60#，150#，240#，400#，600#，800#）在玻璃板上先粗后细逐号磨光。

注意每换上一号细一些的砂纸时，将磨光方向转换90°，以便于观察原磨痕的消除情况。

最后，将样品在磨光机上用1200#砂纸磨光，注意手持样品应用力均匀，用力也不宜过大。

2）样品的抛光。

样品在金相样品抛光机上细抛，使样品表面达到光亮如镜的光洁度。

3）显微组织的显示。

将抛光好的样品，直接在显微镜下观察，应基本上没有磨痕和磨坑，而无法观察到晶界、各类相和组织。

本实验采用化学浸蚀法，将浸蚀液（4%硝酸酒精）和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中，用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试，当光亮镜面呈浅灰白色，立即用水冲洗，并用酒精擦洗后经吸水纸吸干。

3.2显微组织的观察与记录

制备好的样品用显微镜在40～400倍不同放大倍数下观察组织，体会放大倍数的不同对组织观察的影响。

选择合适的放大倍数（500倍）利用数码照相系统对45钢样品进行数码照相。

五、实验结果与分析

1.样品硬度与显微组织分析

45钢300℃回火马氏体组织如图5.1所示。

回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色板条状组织，从图中可看出样品浸蚀效果较好，条片状马氏体组织清晰。

图5.145钢300℃回火的显微组织

测得该样品硬度为50.9HRC。

根据其硬度和微观组织形貌可以判断，生成了回火屈氏体。

因此，实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织，且硬度实验值也与手册符合得较好。

2.淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响

以下以45钢为例，结合实验小组其他成员样品热处理工艺的显微组织和硬度测量值（表5.145钢不同处理工艺后硬度），分析淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响。

显微组织

粗晶马氏体

细晶马氏体

铁素体+马氏体

屈氏体网+马氏体

硬度/HRC

55.4

50.9

52.8

22.3（样品有误）

24.7

21.3

拟用工艺

1000℃、

30min、水冷

860℃、

30min、水冷

770℃、

30min、水冷

860℃、

30min、油冷

表5.145钢不同处理工艺后硬度测量值

2.1淬火温度的影响

45钢的淬火加热温度应在Ac3以上30～50℃，淬火温度选860℃可得细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。

若在Ac3以上过高温度如1000℃加热，会使奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体粗大，脆性增大，硬度下降，粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。

若在Ac1～Ac3之间的两相区加热，如770℃淬火后，高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体，造成硬度不足（见表5.2），力学性能降低。

2.2淬火介质的影响

常用淬火介质及其冷却能力如表5.2常用淬火介质及其冷却能力所示，可知水具有较大的冷却能力，但在低温区冷却速度太快，工件容易淬裂，另外水冷却能力对温度变化敏感，水温升高，冷却能力急剧下降。

油全程冷却速度均比水小，在低温区冷却速度合适，但在高温区冷却能力却很低。

淬火介质

冷却速度（℃/s）

在650～550℃区间

在300～200℃区间

水（18℃）

600

270

水（26℃）

500

270

水（50℃）

100

270

矿质机油

100

20

表5.2常用淬火介质及其冷却能力

碳钢的临界冷却速度大，一般采用冷却能力较强的淬火介质如水，才能得到全部为马氏体的显微组织。

若选用油作为淬火介质，由于其冷却速度小，冷却曲线会与CCT曲线“鼻尖”处相交，转变过程得到小部分屈氏体组织，因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出，并连成网状结构，室温下得到屈氏体网+马氏体显微组织，使强度降低，硬度明显下降（见表5.145钢不同处理工艺后硬度测量值）。

3.回火温度对钢组织与性能的影响

3.1.回火温度对45钢组织的影响

钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体，都是亚稳相。

一旦进行加热，原子扩散能力加强，会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。

随回火温度升高，转变大致分为五个阶段：

1.马氏体中碳原子的偏聚；2.马氏体的分解；3.残余奥氏体的转变；4.碳化物的转变；5.碳化物的聚集长大和α相回复、再结晶。

45钢在150～350℃低温回火，得到回火马氏体组织。

回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。

低温回火后，只是碳原子的偏聚，与淬火马氏体没有显著区别，但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀，故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。

在350～500℃中温回火后，得到回火屈氏体组织。

由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体，渗碳体聚集长大并球化，条状α相上分布着微细粒状渗碳体，但光学显微镜下难以分辨。

在500～650℃高温回火，得到回火索氏体组织。

这时α相发生再结晶，由等轴状铁素体逐步代替针状α相。

其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织，光学显微镜下能分辨出渗碳体颗粒。

若45钢在650℃～A1间回火，粒状渗碳体明显粗化，将得到粒状珠光体组织。

3.2.回火温度对45钢硬度和强度的影响

组别

1

2

3

4

5

回火温度

200℃

300℃

400℃

500℃

600℃

45钢回火后硬度（HRC）

53.6

50.9

40.1

24.5

21.53

40CrNi回火后硬度（HRC）

51.97

50.1

45.9

36.3

31.6

表5.3不同回火温度与测量硬度值

图5.2硬度变化曲线图

从表5.3不同回火温度与测量硬度值，图5.2硬度变化曲线图可以看出，淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。

45钢在200℃以下回火，硬度下降缓慢，这是由于α固溶体析出大量的ε碳化物，增大塑性变形抗力，使硬度下降延缓。

200～300℃回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用，硬度下降趋势平缓。

300℃以上回火，随着ε碳化物变为渗碳体，共格破坏以及渗碳体聚集长大，使硬度快速下降。

金属材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。

硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。

通过《黑色金属硬度及强度换算值》[2]，能将45钢的硬度值换算成强度值，因此，随着回火温度升高，钢的强度降低。

4.合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响

以下以45钢和40CrNi钢为例，分析合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响。

4.1.合金元素对钢的淬透性的影响

淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力，其大小用一定条件下淬火时钢的淬透层深度来表示，主要取决于钢的临界冷却速度的大小。

比较45钢和40CrNi钢的淬透性曲线，在相同的淬火介质下，40CrNi钢的临界淬火直径明显大于45钢。

这两种钢样的碳含量相差不大，而对于40CrNi钢，加入的Cr、Ni合金元素溶入奥氏体后，Cr为中强碳化物，会提高C原子的扩散激活能，同时Ni还能提高原子的结合能，抑制了γ—α的转变。

由于合金元素的扩散速度很缓慢，降低了原子扩散速度，使过冷奥氏体的稳定性增加，马氏体临界冷却速度变小，临界淬火直径增大，因此，合金元素能增大钢的淬透性。

4.2.合金元素对钢的回火稳定性的影响

淬火钢在回火时，抵抗软化的能力称为回火稳定性。

不同的钢在相同温度回火后，强度、硬度下降也不同，下降少的其回火稳定性较高。

比较图5.2硬度变化曲线图中45钢和40CrNi钢硬度变化曲线可知，40CrNi钢回火硬度的降低过程较缓，回火稳定性较高。

因为合金元素阻碍了回火过程马氏体分解和碳化物聚集长大，使回火硬度降低过程变缓，从而提高了钢的回火稳定性。

因此，由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要得到相同的回火硬度，则合金钢的回火温度就要比同样含碳量的碳钢高，回火时间也要长。

5.碳含量对钢的淬硬性的影响

以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。

淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，主要与钢的含碳量有关。

本实验45钢和T8钢正常淬火得到细小马氏体组织后，测其硬度值分别为56.5HRC和67.7（68.3）HRC。

比较这两数据可知，随着钢的含碳量增加，淬硬性增强。

因为钢淬火得到的组织为马氏体，马氏体的硬度主要取决于含碳量，随碳含量的增加，马氏体的硬度增大，这主要是由于碳的固溶强化作用，另外，随碳含量的增加，马氏体转变点Ms和Mf都降低，促进了自回火现象的发生，使碳化物弥散析出产生时效强化。

因此，提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。

六、结论

根据所做实验及其结果可得以下结论：

1.淬火条件影响样品的组织和性能。

淬火温度及冷却速度（选择有效的冷却介质）适宜时，生成细小的马氏体组织，回火后强度高，塑性不差，力学性能较好。

淬火温度低，发生不完全淬火，组织为马氏体+铁素体组织，强度低，硬度也低，力学性能较差。

淬火温度较高时，形成粗大奥氏体，由于组织的遗传性，淬火后形成粗晶马氏体组织。

冷却速度过快，形成巨大内应力，可能发生淬裂现象。

冷却速度过慢，形成的马氏体不完全，有珠光体形成（珠光体，索氏体，屈氏体）。

2.回火温度影响样品的组织和性能。

根据回火温度分为低温回火，中温回火，高温回火（不同钢种，所对应的温度有差异，一般合金元素越多，温度越高）。

生产回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体。

回火马氏体晶粒最细小，硬度强度最高；回火屈氏体晶粒介于两者之间，硬度强度中等，根据资料显示具有极好的弹性；回火索氏体板条最粗大，强硬度最低，但具有较高的塑韧性。

3.合金元素影响样品的组织和性能。

合金元素影响碳原子的迁移和铁原子的扩散系数，从而提高了回火稳定性。

同时由于固溶强化，析出强化提高了样品的强硬度。

细小的碳化物还能起到细化晶粒的作用。

4.碳元素影响样品的组织和性能。

碳原子能起到固溶强化作用，对马氏体形成来说，基体的强度硬度越大，马氏体越不易形成从而降低了Ms点。

同时，最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。

七、参考文献

[1]中国机械工程学会热处理学会。

热处理手册（第4版）。

第1卷，工艺基础。

北京:

机械工业出版社，2008。

1

[2]中国计量科学研究院。

黑色金属硬度及强度换算值。

中华人民共和国国家标准。

GB/T1172-1999。