1、金屬材料及熱處理實(shí)驗(yàn)報告學(xué) 院： 高等工程師學(xué)院 專業(yè)班級： 冶金E111 姓名： 楊澤榮 學(xué)號：2014年6月7日45號鋼300回火后的組織觀察及洛氏硬度測定目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理11.加熱溫度的選擇12.保溫時間的確定23.冷卻方法3三、實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備41.實(shí)驗(yàn)材料42.實(shí)驗(yàn)設(shè)備4四、實(shí)驗(yàn)步驟41.試樣的熱處理41.1淬火41.2回火52.試樣硬度測定53.顯微組織觀察與拍照記錄53.1樣品的制備53.2顯微組織的觀察與記錄6五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析61.樣品硬度與顯微組織分析62.淬火溫度、淬火介質(zhì)對鋼組織和性能的影響62.1淬火溫度的影響62.2淬火介質(zhì)的影響73回火溫度對鋼組織與性

2、能的影響73.1回火溫度對45鋼組織的影響73.2回火溫度對 45 鋼硬度和強(qiáng)度的影響74合金元素對鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性的影響84.1合金元素對鋼的淬透性的影響84.2合金元素對鋼的回火穩(wěn)定性的影響95碳含量對鋼的淬硬性的影響9六、結(jié)論9參考文獻(xiàn)9一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握碳鋼的常用熱處理（淬火及回火）工藝及其應(yīng)用。2. 研究加熱條件、保溫時間、冷卻條件與鋼性能的關(guān)系。3. 分析淬火及回火溫度對鋼性能的影響。4. 觀察鋼經(jīng)熱處理后的組織，熟悉碳鋼經(jīng)不同熱處理后的顯微組織及形態(tài)特征。5. 了解金相照相的攝影方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。二、 實(shí)驗(yàn)原理鋼的熱處理就是利用鋼在固態(tài)范圍內(nèi)

3、的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能的一種操作。一般熱處理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。進(jìn)行熱處理時，加熱溫度、保溫時間和冷卻方式是最重要的三個基本工藝因素。正確選擇這三者的規(guī)范，是熱處理成功的基本保證。1. 加熱溫度的選擇1) 退火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3+(2030)（完全退火）；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1 +(2030)（球化退火），目的是得到球狀滲碳體，降低硬度，改善高碳鋼的切削性能。2) 正火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3 +(3050)；過共析鋼加熱至Accm +(3050)，即加熱到奧氏體單相區(qū)。退火和正火的加熱

4、溫度范圍選擇見圖2.1。3) 淬火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3+(3050)；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1+(3050)，見圖2.2。鋼的成分，原始組織及加熱速度等皆影響到臨界點(diǎn)的位置。在各種熱處理手冊或材料手冊中，都可以查到各種鋼的熱處理溫度。熱處理時不能任意提高加熱溫度，因?yàn)榧訜釡囟冗^高時，晶粒容易長大，氧化、脫碳和變形等都會變得比較嚴(yán)重。各種常用鋼的工藝規(guī)范見表2.1。4) 回火溫度的選擇 鋼淬火后都要回火，回火溫度決定于最終所要求的組織和性能（常常是根據(jù)硬度的要求）。按加熱溫度高低回火可分為三類：圖2.2 淬火的加熱溫度范圍 圖2.1 退火和正火的加熱溫度范圍 表2.1 常用鋼的

5、工藝規(guī)范鋼號臨界點(diǎn)退火正火淬火AAA加熱溫度冷卻方式加熱溫度冷卻方式加熱溫度冷卻方式35724802850-880爐冷850-890空冷850-890水或鹽水45724780820-840爐冷830-880空冷820850水或鹽水T7-T12750770爐冷空冷780-800水或油T8A730730740-760爐冷760-780空冷750780水、硝鹽、堿浴T10A730800800750-770爐冷800-850空冷760790水、硝鹽、堿浴T12A730820820750-770爐冷850-870空冷760790水、硝鹽、堿浴a 低溫回火 在150250的回火稱為低溫回火，所得組織為回火

6、馬氏體，硬度約為HRC60。其目的是降低淬火應(yīng)力，減少鋼的脆性并保持鋼的高硬度。低溫回火常用于高碳鋼的切削刀具、量具和滾動軸承件。b 中溫回火 在350500的回火稱為中溫回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRC4048。其目的是獲得高的彈性極限，同時有高的韌性。主要用于含碳0.50.8%的彈簧鋼熱處理。c 高溫回火 在500650的回火稱高溫回火，所得組織為回火索氏體，硬度約為HRC2535。其目的是獲得既有一定強(qiáng)度、硬度，又有良好沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。所以把淬火后經(jīng)高溫回火的處理稱為調(diào)質(zhì)處理，用于中碳結(jié)構(gòu)鋼。2. 保溫時間的確定為了使工件內(nèi)外各部分溫度約達(dá)到指定溫度，并完成組織轉(zhuǎn)變，使

7、碳化物溶解和奧氏體成分均勻化，必須在淬火加熱溫度下保溫一定的時間。通常將工件升溫和保溫所需時間算在一起，統(tǒng)稱為加熱時間。熱處理加熱時間必須考慮許多因素，例如工件的尺寸和形狀，使用的加熱設(shè)備及裝爐量，裝爐時爐子溫度、鋼的成分和原始組織，熱處理的要求和目的等等。1) 退火、正火保溫時間 實(shí)際工作中多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大致估算加熱時間。一般規(guī)定，在空氣介質(zhì)中，升到規(guī)定溫度后的保溫時間，對碳鋼來說，按工件厚度或直徑每毫米需一分鐘到一分半鐘估算；合金鋼按每毫米二分鐘估算。在鹽浴爐中，保溫時間則可縮短12倍。2) 淬火加熱保溫時間按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：式中 t保溫時間(min)； 加熱系數(shù)(min/mm) （見表2.

8、2）； K工件裝爐方式修正系數(shù)（一般 K = 11.5）； H工件有效厚度(mm)（尺寸最小部位）。表2.2 加熱系數(shù) (min/mm) 加熱溫度 及爐型材料750900鹽浴加熱或預(yù)熱800900箱式或井式爐加熱11001300高溫鹽浴爐加熱碳鋼直徑500mm0.30.40.40.451.01.21.21.5合金鋼直徑50mm0.450.50.50.551.21.51.51.8高合金鋼11.50.350.50.170.25高速鋼0.30.50.140.253) 回火時間 回火時間一般從工件入爐后爐溫升至回火溫度時開始計(jì)算?；鼗饡r間一般為13h，可參考經(jīng)驗(yàn)公式加以確定：式中 t回火保溫時間(mi

9、n)；D工件有效厚度(mm)；b附加時間，一般為1020min；加熱系數(shù)（箱式電爐取22.5min/mm）。3. 冷卻方法熱處理時的冷卻方式要適當(dāng)，才能獲得所要求的組織和性能。退火一般采用隨爐冷卻。正火（?；┎捎每諝饫鋮s，大件可采用吹風(fēng)冷卻。淬火冷卻方法非常重要，一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應(yīng)盡量緩慢，以減少內(nèi)應(yīng)力，避免變形和開裂。為了解決上述矛盾，可以采用不同的冷卻介質(zhì)和方法，使淬火工件在奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)（650550）快冷，超過臨界冷卻速度，而在Ms（300100）點(diǎn)以下溫度時冷卻較慢，理想的冷卻速度如圖2.3所示。常用淬火方法有單液

10、淬火、雙液淬火（先水冷后油冷）、分級淬火、等溫淬火，如圖2.4所示。表2.3中列出了幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力。圖2.3 淬火時的理想冷卻曲線示意圖 圖2.4 各種淬火冷卻曲線示意圖表2.3幾種常用淬火劑的冷卻能力冷卻介質(zhì)冷卻速度/s冷卻介質(zhì)冷卻速度/s650550區(qū)間300200區(qū)間650550區(qū)間300200區(qū)間水（18）60027010%NaCl水溶液1100300水（26）50027010%NaOH水溶液1200300水（50）10027010%Na2CO3水溶液800270水（74）3020010%Na2SO4水溶液750300肥皂水30200礦物油1503010%油水乳化液7020

11、0變壓器油12025三、 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備1. 實(shí)驗(yàn)材料試樣：直徑15mm，高度15mm的45鋼圓柱狀小試樣，化學(xué)成分見表3.1CSiMnCrNiSPCu不大于0.420.500.170.370.500.800.250.300.0350.0350.25表3. 1 45鋼化學(xué)成分表2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1) 熱處理加熱爐：箱式電阻爐（1300）2臺，箱型電阻爐（900）5臺；2) HR-1500洛式硬度計(jì)（洛氏硬度C標(biāo)尺）；3) 金相顯微鏡及數(shù)碼照相系統(tǒng)磨光機(jī)及金相砂紙；4) 拋光機(jī)及拋光液；5) 浸蝕劑、酒精、玻璃器皿、竹夾子、脫脂棉、濾紙等；四、 實(shí)驗(yàn)步驟利用箱式電阻爐、洛式硬度計(jì)、金相顯微鏡對45鋼

12、樣品進(jìn)行熱處理(淬火加300回火)、測硬度以及顯微組織觀察分析。本實(shí)驗(yàn)以得到馬氏體為目標(biāo)，需要經(jīng)過淬火加回火工藝獲得良好的性能及符合要求的組織。1 試樣的熱處理1.1 淬火1) 加熱溫度 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)熱處理的目的和圖2.2、表2.1，本實(shí)驗(yàn)選擇淬火加熱溫度為8602) 保溫時間 本45號鋼樣品直徑為15mm的小圓柱體，高度與直徑相差不大。所以不單獨(dú)考慮升溫時間，取2min/mm，k取1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的式子，計(jì)算得加熱時間為30min。 3) 冷卻介質(zhì) 由45鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線可知，碳鋼的臨界冷卻速度很大，應(yīng)選用具有較強(qiáng)冷卻能力（見表4.1 常用冷卻介質(zhì)的冷卻直徑）的水作為冷卻介質(zhì)，才能避免冷

13、卻曲線與C曲線相交，得到馬氏體組織。已查得45鋼淬火臨界直徑如表4.1所示，選擇水作為淬火冷卻介質(zhì)能保證15mm圓柱樣品被淬透。淬火介質(zhì)靜油20水40水20 5%NaCl 水溶液臨界直徑（mm）10201621.5表4.1 常用冷卻介質(zhì)的冷卻直徑具體操作：把樣品放入箱式電阻爐（型號SRJX-4-13）內(nèi)恒溫區(qū)的耐火磚上，調(diào)節(jié)加熱溫度，待測溫儀顯示為860時開始計(jì)時，保溫30min后，用火鉗夾出樣品迅速放入冷水槽中并劇烈攪拌，使樣品能淬透。1.2 回火1) 加熱溫度 實(shí)驗(yàn)要求的回火加熱溫度為300（但是通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，鋼淬火后在300左右回火時，易產(chǎn)生不可逆回火脆性，為避免它，一般不在2503

14、50 范圍內(nèi)回火。）2) 保溫時間 由公式確定，查得300以下，箱式電阻爐b=25min，=1 min/mm，樣品D=15mm，將數(shù)據(jù)代入得到回火保溫時間t為40min。3) 冷卻介質(zhì) 空氣，進(jìn)行空冷。具體操作：把經(jīng)過淬火處理后的樣品放入已調(diào)好溫度的300箱式電阻爐內(nèi)恒溫區(qū)的耐火磚上，待使?fàn)t溫穩(wěn)定后開始計(jì)時，保溫40min后，用火鉗夾出樣品放在已準(zhǔn)備好的耐火架上空冷至室溫。2 試樣硬度測定將冷卻至接近室溫的試樣在砂輪機(jī)上打磨，去掉表面氧化皮。用60#砂紙將試樣表面磨平，再依次使用150#、240#、400#、600#、800#砂紙打磨。然后，將樣品放在洛式硬度計(jì)的載物臺上，采用洛式硬度C標(biāo)尺測

15、量樣品硬度（硬度計(jì)壓頭為金剛石，量程2070HRC，加載載荷為150kg）。在試樣上不同位置取四個點(diǎn)，第一個點(diǎn)不計(jì)入數(shù)據(jù)，后三個點(diǎn)計(jì)入數(shù)據(jù)，若三個點(diǎn)硬度值相差不大說明組織較為均勻，最后對三個測量值求平均值。3 顯微組織觀察與拍照記錄3.1 樣品的制備1) 樣品的磨光。用一套金相砂紙（包括60#，150#，240#，400#，600#，800#）在玻璃板上先粗后細(xì)逐號磨光。注意每換上一號細(xì)一些的砂紙時，將磨光方向轉(zhuǎn)換90，以便于觀察原磨痕的消除情況。最后，將樣品在磨光機(jī)上用1200#砂紙磨光，注意手持樣品應(yīng)用力均勻，用力也不宜過大。2) 樣品的拋光。樣品在金相樣品拋光機(jī)上細(xì)拋，使樣品表面達(dá)到光亮

16、如鏡的光潔度。3) 顯微組織的顯示。將拋光好的樣品，直接在顯微鏡下觀察，應(yīng)基本上沒有磨痕和磨坑，而無法觀察到晶界、各類相和組織。本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)浸蝕法，將浸蝕液（4%硝酸酒精）和純酒精各倒入一個玻璃器皿中，用竹夾子夾脫脂棉、蘸浸蝕液在樣品表面擦試，當(dāng)光亮鏡面呈淺灰白色，立即用水沖洗，并用酒精擦洗后經(jīng)吸水紙吸干。3.2 顯微組織的觀察與記錄制備好的樣品用顯微鏡在40400倍不同放大倍數(shù)下觀察組織，體會放大倍數(shù)的不同對組織觀察的影響。選擇合適的放大倍數(shù)（500倍）利用數(shù)碼照相系統(tǒng)對45鋼樣品進(jìn)行數(shù)碼照相。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1. 樣品硬度與顯微組織分析45鋼300回火馬氏體組織如圖5.1所示?；鼗瘃R

17、氏體在光學(xué)顯微鏡下呈暗黑色板條狀組織，從圖中可看出樣品浸蝕效果較好，條片狀馬氏體組織清晰。圖5.1 45鋼300回火的顯微組織測得該樣品硬度為50.9HRC。根據(jù)其硬度和微觀組織形貌可以判斷，生成了回火屈氏體。因此，實(shí)驗(yàn)制定的熱處理工藝能得到要求的顯微組織，且硬度實(shí)驗(yàn)值也與手冊符合得較好。2. 淬火溫度、淬火介質(zhì)對鋼組織和性能的影響以下以45鋼為例，結(jié)合實(shí)驗(yàn)小組其他成員樣品熱處理工藝的顯微組織和硬度測量值（表5.1 45鋼不同處理工藝后硬度），分析淬火溫度、淬火介質(zhì)對鋼組織和性能的影響。顯微組織粗晶馬氏體細(xì)晶馬氏體鐵素體+馬氏體屈氏體網(wǎng)+馬氏體硬度/HRC55.450.952.822.3（樣品

18、有誤）24.721.3擬用工藝1000、30min、水冷860、30min、水冷770、30min、水冷860、30min、油冷表5.1 45鋼不同處理工藝后硬度測量值2.1 淬火溫度的影響45鋼的淬火加熱溫度應(yīng)在Ac3以上3050，淬火溫度選860可得細(xì)而均勻的奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。若在Ac3以上過高溫度如1000加熱，會使奧氏體晶粒粗化，淬火后馬氏體粗大，脆性增大，硬度下降，粗晶馬氏體的硬度反而比細(xì)晶馬氏體的硬度高。若在Ac1 Ac3之間的兩相區(qū)加熱，如770淬火后，高硬度的馬氏體中混雜有低硬度的鐵素體，造成硬度不足（見表 5.2），力學(xué)性能降低。2.2 淬火介質(zhì)的影響常

19、用淬火介質(zhì)及其冷卻能力如表 5.2 常用淬火介質(zhì)及其冷卻能力所示，可知水具有較大的冷卻能力，但在低溫區(qū)冷卻速度太快，工件容易淬裂，另外水冷卻能力對溫度變化敏感，水溫升高，冷卻能力急劇下降。油全程冷卻速度均比水小，在低溫區(qū)冷卻速度合適，但在高溫區(qū)冷卻能力卻很低。淬火介質(zhì)冷卻速度（/s）在 650550區(qū)間在 300200區(qū)間水（18） 600 270水（26） 500 270水（50） 100 270礦質(zhì)機(jī)油 10020表 5.2 常用淬火介質(zhì)及其冷卻能力碳鋼的臨界冷卻速度大，一般采用冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)如水，才能得到全部為馬氏體的顯微組織。若選用油作為淬火介質(zhì)，由于其冷卻速度小，冷卻曲線會與

20、CCT曲線“鼻尖” 處相交，轉(zhuǎn)變過程得到小部分屈氏體組織，因屈氏體沿原奧氏體晶界形核析出，并連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，室溫下得到屈氏體網(wǎng)+馬氏體顯微組織，使強(qiáng)度降低，硬度明顯下降（見表5.1 45鋼不同處理工藝后硬度測量值）。3. 回火溫度對鋼組織與性能的影響3.1. 回火溫度對45鋼組織的影響鋼經(jīng)淬火后的室溫組織是馬氏體和殘余奧氏體，都是亞穩(wěn)相。一旦進(jìn)行加熱，原子擴(kuò)散能力加 強(qiáng)，會自發(fā)向穩(wěn)定相鐵素體和滲碳體轉(zhuǎn)變。隨回火溫度升高，轉(zhuǎn)變大致分為五個階段：1.馬氏體中碳原子的偏聚；2.馬氏體的分解；3.殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變；4.碳化物的轉(zhuǎn)變；5.碳化物的聚集長大和相回復(fù)、再結(jié)晶。45鋼在150350低溫回火，得到

21、回火馬氏體組織?；鼗瘃R氏體在光學(xué)顯微鏡下呈暗黑色條片狀組織。低溫回火后，只是碳原子的偏聚，與淬火馬氏體沒有顯著區(qū)別，但回火馬氏體比淬火馬氏體易受腐蝕，故顯微組織比淬火馬氏體顏色更黑。在350500中溫回火后，得到回火屈氏體組織。由于馬氏體分解、過飽和固溶碳原子析出滲碳體，滲碳體聚集長大并球化，條狀相上分布著微細(xì)粒狀滲碳體，但光學(xué)顯微鏡下難以分辨。在500650高溫回火，得到回火索氏體組織。這時相發(fā)生再結(jié)晶，由等軸狀鐵素 體逐步代替針狀相。其顯微組織是由細(xì)粒狀滲碳體和等軸狀鐵素體所構(gòu)成的復(fù)相組織，光學(xué)顯微鏡下能分辨出滲碳體顆粒。若45鋼在650A1間回火，粒狀滲碳體明顯粗化，將得到粒狀珠光體組織

22、。3.2. 回火溫度對 45 鋼硬度和強(qiáng)度的影響組別12345回火溫度20030040050060045鋼回火后硬度(HRC)53.650.940.124.521.5340C rNi回火后硬度(HRC)51.9750.145.936.331.6表 5.3 不同回火溫度與測量硬度值圖 5.2 硬度變化曲線圖從表 5.3 不同回火溫度與測量硬度值，圖 5.2 硬度變化曲線圖可以看出，淬火鋼回火硬度隨回火溫度的升高而降低。45鋼在200以下回火，硬度下降緩慢，這是由于固溶體析出大量的碳化物，增大塑性變形抗力，使硬度下降延緩。200300 回火由于殘余奧氏體分解為回火馬氏體的硬化作用，硬度下降趨勢平緩

23、。300以上回火，隨著碳化物變?yōu)闈B碳體，共格破壞以及滲碳體聚集長大，使硬度快速下降。金屬材料的硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。通過黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值2，能將45鋼的硬度值換算成強(qiáng)度值，因此，隨著回火溫度升高，鋼的強(qiáng)度降低。4. 合金元素對鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性的影響以下以45鋼和40CrNi鋼為例，分析合金元素對鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性的影響。4.1. 合金元素對鋼的淬透性的影響淬透性是指奧氏體化后的鋼接受淬火的能力，其大小用一定條件下淬火時鋼的淬透層深度來表示，主要取決于鋼的臨界冷

24、卻速度的大小。比較45鋼和40CrNi鋼的淬透性曲線，在相同的淬火介質(zhì)下，40CrNi鋼的臨界淬火直徑明顯大于45鋼。這兩種鋼樣的碳含量相差不大，而對于40CrNi鋼，加入的Cr、Ni合金元素溶入奧氏體后，Cr為中強(qiáng)碳化物，會提高C原子的擴(kuò)散激活能，同時Ni還能提高原子的結(jié)合能，抑制了的轉(zhuǎn)變。由于合金元素的擴(kuò)散速度很緩慢，降低了原子擴(kuò)散速度，使過冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，馬氏體臨界冷卻速度變小，臨界淬火直徑增大，因此，合金元素能增大鋼的淬透性。4.2. 合金元素對鋼的回火穩(wěn)定性的影響淬火鋼在回火時，抵抗軟化的能力稱為回火穩(wěn)定性。不同的鋼在相同溫度回火后，強(qiáng)度、硬度下降也不同，下降少的其回火穩(wěn)定性較

25、高。比較圖 5.2 硬度變化曲線圖中45鋼和 40CrNi鋼硬度變化曲線可知，40CrNi鋼回火硬度的降低過程較緩，回火穩(wěn)定性較高。因?yàn)楹辖鹪刈璧K了回火過程馬氏體分解和碳化物聚集長大，使回火硬度降低過程變緩，從而提高了鋼的回火穩(wěn)定性。因此，由于合金鋼的 回火穩(wěn)定性比碳鋼高，若要得到相同的回火硬度，則合金鋼的回火溫度就要比同樣含碳量的碳鋼高，回火時間也要長。5. 碳含量對鋼的淬硬性的影響以45鋼和T8鋼為例分析碳含量對鋼的淬硬性的影響。淬硬性是指鋼在淬火后能夠達(dá)到的最高硬度，主要與鋼的含碳量有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)45鋼和T8鋼正常淬火得到細(xì)小馬氏體組織后，測其硬度值分別為56.5HRC和67.7（68.3）HRC。比較這兩數(shù)據(jù)可知，隨著鋼的含碳量增加，淬硬性增強(qiáng)。因?yàn)殇摯慊鸬玫降慕M織