实验四 综合性实验
一、实验目的
1、了解淬火、回火工艺对钢的显微组织和性能的影响；
2、熟悉热处理的基本操作规程。
二、实验说明
淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质
中快速冷却的金属热处理工艺
。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油
、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面
耐磨的零件（如齿轮
、轧辊、渗碳
零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能
）以满足不同的使用要求。另外淬火还可 使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。
回火是工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
回火一般紧接着淬火进行，其目的是：
(a)消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；
(b)调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；
(c)稳定组织与尺寸，保证精度；
(d)改善和提高加工性能。因此，回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。
按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。
（一） 碳钢热处理工艺
1、加热温度
亚共析钢加热温度一般为Ac3+30-50℃，过共析钢加热温度一般为Ac 1＋30-50℃（淬火）。
淬火后回火温度有三种，即：低温回火（150-250℃）、中温回火（350-500℃）、高温回火（500-650℃）。实际生产中可根据钢种及要求作适当调整。
2、保温时间
在实验室中，通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时间：
t=a•D
式中 t----加热时间（min）
a----加热系数（min/mm）
D---工件有效厚度（mm）
淬火后回火保温时间，要保证工件热透，使组织充分转变，一般为1~3小时，实验时，可酌情减少。
3、冷却方式
碳钢淬火时常用水或盐水冷却，合金钢常用油冷却。
（二） 碳钢及低合金钢淬火、回火后的组织
1、 珠光体型组织
过冷奥氏体在高温区（Ar1至C曲线鼻尖）转变的产物。随着奥氏体在冷却时过冷度的增加，依次得到珠光体、索氏体、屈氏体。他们都是铁素体与渗碳体的细密机械混合物，但
铁素体与渗碳体的片层间距依次减小，组织的强度、硬度递增。
2、 贝氏体型组织
过冷奥氏体在中温区（C曲线鼻尖与马氏体转变点Ms）进行等温淬火转变的产物。
贝氏体也是铁素体和渗碳体的机械混合物。
（1）上贝氏体：是在珠光体转变区稍下温度等温形成的。在光学显微镜下可观察到成束的铁素体向奥氏体晶内伸展，呈羽毛状。
（2）下贝氏体：是在马氏体转变点(Ms)稍上的温度形成的。在光学显微镜下呈灰黑针状或竹叶状。与上贝氏体相比，下贝氏体不仅具有较高的硬度、强度、耐磨性，且有较高的韧性及塑性。
3、 马氏体组织
过冷奥氏体在低温区（Ms以下）转变的产物。马氏体是碳在铁素体中的过饱和固溶体。马氏体组织形态主要有两种：
（1）片状马氏体：高碳马氏体，主要在高碳钢淬火组织中形成。在光学显微镜下观察呈针状或竹叶状。马氏体针的粗细程度取决于淬火加热温度。例如T10钢在淬火加热温度较低时（如760℃）由于奥氏体中的碳浓度不均匀，在光学显微镜下分辨不出它的形态，称之为隐针马氏体；淬火温度稍高时（820℃）可见到短针状马氏体；若淬火温度提高到1000℃，由于奥氏体晶粒粗大，从而获得粗大的马氏体。片状马氏体性能较硬且脆。
（2）板条马氏体：又称低碳马氏体。主要在低碳钢淬火组织中形成。在光学显微镜下观察呈一束束相互平行的细长条状。一个奥氏体晶粒内可由几束不同取向的马氏体，且束与束之间有较大的位相差。它不仅具有较高的强度与硬度，还具有良好的韧性与塑性。
淬火组织中总会有一定数量的残余奥氏体，并且随着钢中含碳量的增加，淬火温度的提高，残余奥氏体的相对量也会增加，残余奥氏体不易受硝酸酒精的侵蚀，在光学显微镜下呈白亮，无固定形态，难以与马氏体区分，因此常常需回火后才可分辨出马氏体间的残余奥氏体。
4、 回火组织：
钢淬火后一般都需要经回火才能满足性能要求。根据回火温度的高低，回火组织可分为以下几类：
（1）回火马氏体：在150-250℃回火时形成的组织为回火马氏体。它是由极细小的弥散的ε-碳化物和а-Fe组成。回火马氏体易于腐蚀，一般呈黑，且保留原淬火针状马氏体或淬火板条马氏体的形态，在光学显微镜下难以辨出其中的碳化物相。具有较高的强度及硬度，且脆性较低。
（2）回火屈氏体：在350-450℃回火时形成的组织为回火屈氏体。它是由细片状或细粒状渗碳体和铁素体组成。在光学显微镜下，碳化物颗粒仍不易分辨，但可观察到保持马氏体形态的灰黑组织，且马氏体形态的边界不十分清晰。它具有较高的屈服强度、弹性极限和韧性。
（3）回火索氏体：在550-650℃回火时形成的组织为回火索氏体。它是由粒状渗碳体和铁素体组成。在较高倍数的光学显微镜下可以观察到渗碳体的颗粒，此时马氏体形态已消失，600℃以上回火时，组织中的铁素体为等轴晶粒。工业上称之为调质处理。回火索氏体具有优良的综合性能。
三、实验设备及材料
1、箱式加热炉、井式加热炉、淬火水槽、淬火油槽、砂轮机、抛光机、布氏硬度计、读数显微镜、洛氏硬度计、金相显微镜；
2、φ20X50mm45钢或40Cr钢试样，金相图片、金相砂纸，侵蚀剂。
四、实验内容及步骤
1、 全班分五组，每组领取试样一套；
2、每组将两个φ20X50mm、45钢或40Cr试样加热到850℃并保温40ˊ后，分别进行油淬和水淬；
3、 把三个水淬后的φ20X20mm45钢或40Cr试样，再分别进行180℃、420℃、600℃加热保温1小时空冷；把三个油淬后的φ20X20mm45钢或40Cr试样，再分别进行180℃、420℃、600℃加热保温1小时空冷；
将以上试样分别用砂轮机磨平后测出硬度并记录在表4-2；
5、 按表4-1所列金相试样在显微镜下观察金相组织。
表7-1 45钢不同热处理下的显微组织特征
序号 | 钢号 | 处理方式 | 显微组织 |
1 | 45 | 840油淬 | 马氏体+屈氏体 |
2 | 45 | 840水淬 | 马氏体+残余奥氏体 |
3 | 45 | 840水淬+200回火 | 回火马氏体 |
4 | 45 | 840水淬+420回火 | 回火屈氏体 |
5 | 45 | 840水淬+600回火 | 回火索氏体 |
| | | |
以上试样均由4%硝酸酒精侵蚀。
五、实验报告与要求
1、 列出实验结果，并说明各种热处理工艺对碳钢的显微组织和性能的影响；
2、 绘出所给试样显微组织示意图，用箭头表明图中的各组织组成物，并注明成分、热处理工艺、显微组织、放大倍数及侵蚀剂；
3、 谈谈实验体会。
表3-2 45钢经不同热处理后的性能及显微组织
材质 | 热处理 工艺 | 洛氏（HRC）或布氏（HB）硬度 | 显微组织 |
1 | 2 | 3 | 平均 |
45 | 840℃水淬 | | | | | |
840℃油淬 | | | | | |
840℃水淬+180℃回 | | | | | |
840℃水淬+420℃回 | | | | | |
840℃水淬+600℃回 | | | | | |
| 840℃水淬+180℃回 | | | | | |
840℃水淬+420℃回 | | | | | |
840℃水淬+600℃回 | | | | | |
| | | | | | |
六、实验注意事项
1、试样淬火时，一定要用夹钳夹紧，动作要迅速，并在冷却介质中不断搅动；
2、测硬度前，必须用砂轮或砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。每个试样应在不同的部位测定三次硬度，取其平均值。退火、正火试样测HB值，其余测HRC值。
3、热处理时应注意：
（1）取放试样时，应切断电路电源；
（2）炉门开关要快，以免炉温下降和损坏炉膛的耐火材料与电阻丝的寿命；
（3）取放试样时，夹钳应擦干，不能沾有水或油；同时，操作者应带上手套，以免灼伤。
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