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1、实验七碳钢的热处理及硬度测定以及金相分析实验项目名称： 碳钢的热处理及硬度测定、金相分析实验项目性质：综合实验所属课程名称：金属材料与热处理实验计划学时： 4一、实验目的（ 1）熟悉碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。（ 2）了解含碳量、加热温度、冷却速度等因素与碳钢热处理后性能的关系。（ 3）分析淬火及回火温度对钢性能的影响。（ 4）学会洛氏硬度计的使用。（ 5）学会采用不同的热处理工艺，将会得到不同的组织结构，从而使钢的性能发生变化。二、实验内容和要求热处理是一种很重要的金属加工工艺方法， 热处理的主要目的是改善钢材性能，提高工件使用寿命。 钢的热处理工艺特点是将钢加热到一
2、定的温度， 经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来， 通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。热处理之所以能使钢的性能发生显著变化， 主要是由于钢的内部组织发生了质的变化。采用不同的热处理工艺过程， 将会使钢得到不同的组织结构， 从而获得所需要的性能。普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数， 是热处理成功的基本保证。 Fe-FeC 相图和 C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。1、加热温度（ 1）退火加热温度： 完全退火加热温度， 适用于亚共析钢， Ac3+（ 3050）；球
3、化退火加热温度，适用于共析钢和过共析钢，Ac1+（3050）。（ 2）正火加热温度：对亚共析钢是Ac3+（ 3050）；过共析钢是Accm+（ 3050），也就是加热到单相奥氏体区。退火和正火的加热温度范围见图 2-1 所示。（ 3）淬火加热温度：对亚共析钢是Ac3+（3050）；对共析钢和过共析钢是Ac1+（3050），见图 2-2 。钢的临界温度Ac1、 Ac3 及 Accm，在热处理手册或合金钢手册中均可查到。再经计算可求出钢的热处理温度。也可以利用铁碳相图决定A1、 A3 及 Acm点的温度再加上 1020即近似 Ac1、Ac3 及 Accm，然后再计算热处理温度。表2-1 是各种碳钢
4、的临界温度。1200AA cm图 2-1退火与正火的加热温度）（度温11001000900800A 3A+ Fe C3F+ A700A 16000.81.62.40W(C)%图 2-2 淬火加热温度范围表 2-1 各种碳钢的临界温度类别钢号临界点温度（）淬火温度Ac1Ac3 或 ACcmAR1AR3碳20735855680835860880素30732813677835850870结40724790680760840860构45724682682751840860钢5072569069075077080060725695695743860880碳T7730770700-780800素T8730
5、-700-780800工T10730800700-760800具T12730820700-760800钢T13730830700-760800（ 4）回火温度： 钢淬火后必须要回火。 回火温度决定于最终所要求的组织和性能。按加热温度，回火可分为低温、中温及高温回火三类。低温回火在150250进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60，常用于切削刀具和量具；中温回火是在 350500进行回火， 硬度约为 HRC3545，主要用于各类弹簧热处理；高温回火是在 500650进行，所得组织为回火索氏体，硬度为 HRC2535，用于结构零件的热处理；高于 650的回火为珠光体，硬度较低。例如，
6、45 钢的回火温度经验公式如下T=200+K（60-X）式中 K 系数，当回火后要求的硬度值大于HRC30时， K=11；当硬度值小于 HRC30时， K=12；X所要求的硬度值（ HRC）。2、加热时间热处理加热时间与许多因素有关， 例如工件的尺寸、 形状、使用的加热设备、装炉量、钢的种类；热处理类型、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。上述因素都要综合考虑，具体参考数据可查有关手册。3、冷却方法热处理的冷却方法至关重要，控制不同的冷却速度（即采用不同的冷却方式），可得到不同的组织，从而有不同的性能。（ 1）退火 一般采用随炉冷却，冷到 500左右，可以出炉空冷，不必在炉中冷到室温。（ 2
7、）正火 多采用在空气中冷却，大件常进行吹风冷却。（ 3）淬火 采用急冷方式， 即冷却速度应超过钢的临界冷却速度， 以保证得到马氏体组织， 另一方面冷却速度应当尽量缓慢， 以减少内应力， 避免变形和开裂。为了调和上述矛盾， 可以采用适当的冷却剂和冷却方式。 常用的淬火方法有双液淬火、分级淬火、单液淬火、等温淬火等。常用的淬火介质有清洁的自来水、浓度为 510%的 NaCl 水溶液、矿物油等。三、实验主要仪器设备和材料1、 箱式电炉及控温仪表；2. 水银温度计；3. 洛氏硬度机；4. 抛光机；5. 金相显微镜；6. 冷却剂：水、油；7试样： 20 钢、 45 钢、 T12 钢。四、实验方法、步骤及
8、测试结果1淬火部分的内容及具体操作步骤（1） 根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表3-2（2） 加热前先将全部试样测定硬度，一律用洛氏硬度测定。（3） 根据试样钢号，按照Fe-Fe3C 相图确定淬火加热温度和保温时间（可按 1 分钟 / 每毫米直径计算）。（4） 各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸磨平，以测出硬度值（HRC）填入表 2-2 。表 2-2淬火实验组淬火加冷却20 钢45 钢T12 钢别热温度方式处理前处理后处理前处理后处理前硬处理后（）硬度硬度硬度硬度度硬度11000水冷2750水冷3860空冷4860油冷5860水冷注： 14 组各种钢号一块， 5 组除 20、T12 钢各一
9、块外， 45 钢取五块，以供回火用。2回火部分的内容及具体步骤：（ 1）根据回火温度不同，分五个小组进行，见表3-3 。各小组将已经正常淬火并测定过硬度的45 钢试样分别放入指定温度的炉内加热，保温30 分钟，然后取出空冷。（ 2）有砂纸磨光表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值。（ 3）将测定的硬度值分别填入表 2-3 中。表 2-3回火实验组别135回火温度200400600回火前 HRC回火后 HRC3洛氏硬度计测量方法：（1） 选择合适的压头及载荷。（2） 根据试件大小和形状选择载物台。（3） 试件上下两面磨平，然后置于载物台上。（4） 加预载荷，按顺时针方向转动升降机构的手轮，将试样与压
10、头接触，并观察读数百分表上小针移动至小红点上为止。（5） 调整读数表盘，使百分表盘上的长针对准硬度值的起点，如测HRC、HRA硬度时，把长针与表盘上的黑字G处对准；测量 HRB时，使长针与表盘上红字 B 对准。（6） 加主载荷。平稳地扳动加载手柄，手柄自动长高至停止位置（时间为57 秒），并停留 10 秒。（7） 卸除主载荷。扳回加载手柄至原来位置。（8） 读数。表上长针指示的数字为硬度的读数。HRC、 HRA读黑数字； HRB读红数字。（9） 下降载物台，取出试样。（10）用同样方法在试件的不同位置测三个数据， 取其算术平均值为试件的硬度值。4各试样金相组织观察。观察和并绘画各碳钢不同热处理
11、条件下的显微组织特征；5注意事项（ 1）本实验加热和用的都为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。（ 2）往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。（ 3）试样由炉中取出淬火时， 动作要迅速， 以免温度下降， 影响淬火质量。（ 4）试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。（ 5）淬火时水温应保持 2030左右，水温过高要及时换水。（ 6）淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。（7）试件的准备：试件表面应磨平、且无氧化皮和油污等；试件形
12、状应能保证试验面与压头轴线相垂直，测试过程应无滑动。（8）压痕间距或压痕与试件边缘HRA>2.5mm；HRC>2.5mm；HRB>4mm。不同的洛氏硬度有不同的适用范围，应按附录表 2 选择压头及载荷。这是因为超出规定的测量范围时，硬度计的精确度及灵敏度均较差，以致结果的准确性较差。例如HRB102，HRC18等的写法是不准确的，是不宜使用的。五、实验报告要求：1实验报告要求内容包括实验目的，实验内容和要求、实验主要仪器设备和材料、实验方法、步骤及结果测试。2绘画各种碳钢不同热处理条件的组织特征。3分析实验中存在的问题。六、思考题1结合本次实验，分析加热温度与冷却速度对钢性能的影响。2结合本次实验，分析含碳量对钢性能的影响。3结合本次实验，绘制出45 钢回火温度与硬度的关系曲线图。