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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
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。
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