碳钢的热处理及性能分析

一、实验目的

1、了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。
2、研究冷却条件对碳钢性能的影响。
3、分析淬火及回火温度对碳钢性能的影响。

二、实验原理

1、钢的淬火
所谓淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1(过共析钢)以上30～50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中（ V冷应大于V临），以获得马氏体组织。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。
为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬火加热的温度、保温时间和冷却速度。

（1）淬火温度的选择
选定正确的加热温度是保证淬火质量的重要环节。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据相图确定（如图仿真国画4所示）。对亚共析钢，其加热温度为＋30～50℃，若加热温度不足（低于），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。对过共析钢，加热温度为＋30～50℃，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。

（2）保温时间的确定
淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如表1所示。

表1 碳钢在箱式电炉中加热时间的确定

加热温度(℃)	工件形状
	圆柱形	方形	板形
	保温时间
	分钟/每毫米直径	分钟/每毫米厚度	分钟/每毫米厚度
700	1.5	2.2	3
800	1.0	1.5	2
900	0.8	1.2	1.6
1000	0.4	大氮肥0.6	0.8

（3）冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图（如图2所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等).不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。各种冷却介质的特性见表2. 表2 几种常用淬火介质的冷却能力

冷却介质	在下列温度范围内的冷却速度（℃/秒）
冷却介质	650～550℃	300～200℃
18℃的水	600	270
50℃的水	100	270
10％NaCl水溶液（18℃）	1100	300
10％NaoH水溶液（18℃）	1200	300
10％NaoH水溶液（18℃）	湖北省最新任免决定 800	270
蒸馏水（50℃）	250	200
硝酸盐（200℃）	350	10
菜籽油（50℃）	200	35
矿务机油（50℃）	150	30
变压器油（50honeys中国℃）	120	25

2、钢的回火
钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会由于变形引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此钢淬火后必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的性能。表4－2为45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能。

表3 45钢经淬火及不同温度回火后的组织合和性能

类型	回火温度（℃)	回火后的组织	回火后硬度（HRC）	性能特点
低温回火	150～250	回火马氏体＋残余奥氏体＋碳化物	60～57	硬度高，内应力减小
中温回火	350～500	回火屈氏体	35～45	硬度适中，又较高的弹性
高温回火	500～650	回火索氏体	20～33	具有良好塑性、韧性和一定强度相配合的综合性能

对碳钢来说，回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。
回火温度：在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据。各种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅。几种常用的碳钢（45、T8、T10和T12钢）回火温度与硬度的关系如表4所示。

表4各种不同温度回火后的硬度值（HRC）

回火温度（℃）	45钢	T8钢	T10钢	T12钢
150～200℃	60国家专利数据库～54	64～60	64～62	65～62
200～300℃	50～40	55～45	56～47	62～57
300～400℃	50～40	55～45	56～47	57～49
400～500℃	40～33	45～35	47～38	49～38
500～600℃	33～24	35～27	38～27	38～28

也可以采用经验公式近似地估算回火温度。例如45钢回火温度的经验公式为：

T（℃）≈200＋K（60－χ）

式中：K——系数，当回火后要求的硬度值＞HRC30时，K=11；＜HRC时，K=12。
χ——所要求的硬度值（HRC）。
保温时间：回火保温时间与工件材料、尺寸及工艺条件等因素有关，通常采用1～3小时。由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为30分钟，回火后在空气中冷却。

三、实验内容及步骤

1、淬火、正火部分的内容及具体步骤：
① 根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表5。
② 加热前先对所有试样进行硬度测定。为便于比较，一律用洛氏硬度测定。
③ 根据试样钢号,按照相图确定淬火加热温度及保温时间（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（或砂轮）磨平,并测出硬度值（HRC）填入表5中。

表5 不同钢淬火及正火前后的硬度值

组别	淬火加热温度（℃）	冷却方式	20钢		45钢		T12钢2010冷笑话
组别	淬火加热温度（℃）	冷却方式	处理前硬度	处理后的硬度	处理前硬度	处理后硬度	处理前硬度	处理后硬度
1	1000℃	水冷
2	750℃	水冷
3	860℃	空冷
4	860℃	油冷
5	860℃	水冷

2、回火部分的内容及具体步骤：
① 根据回火温度不同，分为五个小组进行，见表4－5。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 用砂纸磨光表面，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6中。

表6 45钢不同温度回火后的硬度

组别	1	2	3	4	5
回火温度	200℃	300℃	400℃	500℃	600℃
回火前HRC
回火后HRC

四、实验设备及材料

1、箱式电炉及控温仪表；
2、洛氏硬度机；
3、冷却介质：水、油（使用温度约20℃）；
4、试样材料：20钢，45钢，T12钢。

五、注意事项

1、本实验加热所用设备为电炉，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。
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，以免试样表面由于冷却不均而出现软化点。
5、淬火时水温应保持20～30℃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。

六、实验报告要求

1、实验目的。
2、分析加热温度与冷却速度对钢性能的影响。
3、绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。
4、分析实验中存在的问题。

实验二金相试样的制备与观察

一、实验目的

1. 学习金相试样的制备方法。

二、实验设备、仪器及材料用品

抛光机、各型号砂纸、抛光磨料、试样、浸蚀剂、吹风等。

三、实验步骤

金相试样的制备包括取样、磨制、抛光、浸蚀四个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、水迹。

1.取样取样的部位和磨面应根据检验目的选取具有代表性的部位。例如，检验表面脱碳层的厚度应取横向截面、观察纵裂纹就要取纵向截面。试样的截取方法很多，例如用手锯、机床截取、线切割等，但必须注意的是在取样过程中要防止试样受热或变形而引起的组织变化，破坏了其组织的真实性。为防止受热可在截取过程中用冷却液冷却试样。

金相试样的尺寸要便于手握持和易于磨制，常用的试样尺寸为：Φ12×10或12×12×10，如果不是观察表面组织，可以倒角便于磨制。

根据需要，例如观察表面渗碳层的厚度，为防止在磨制过程中发生倒角，应采用镶嵌法，把试样镶嵌在热塑性塑料或热固性塑料中。

我们所用试样为车削好的Φ10×20的45钢试样。

2.磨制这是最关键的步骤，磨制质量的好坏直接决定了试样的好坏。

① 粗磨将试样在砂轮上或用粗砂纸之成平面。磨制时使试样受力均匀，压力不要太大。

② 精磨粗磨好的试样用清水冲干后，依次用01、02、03、04号金相砂纸把磨面磨光。磨制时应把砂纸放在玻璃板或平整的桌面上，左手按住砂纸，右手握住试样，用力均匀、平稳，沿一个方向反复进行，直到旧的磨痕被去掉，不要来回磨制。

注意：在调换更细一号砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并转动90º角，使新、旧磨痕垂直。

3.抛光抛光的目的是去除磨面上细的磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。

机械抛光是在抛光机上进行的。在抛光盘上固定一层织物，如毛织物、丝织物或人造纤维织物等。抛光盘以200-600转/分的速度旋转，将抛光磨料（Al2O3或其他）加在上面即可进行抛光。注意抛光时用力要均匀，不要太大，以免试样飞出。抛光后先用清水冲洗再用无水酒精清洗，然后用吹风吹干。

4.浸蚀采用化学浸蚀法，常用的浸蚀剂见表2.1。碳钢及低合金钢一般采用4%的硝酸酒精溶液浸蚀15-20秒中左右即可。浸蚀后用清水冲洗干净再用无水酒精冲洗，然后吹干。

四、实验报告及要求

1.写出金相试样的制备的步骤及应注意的问题。

2.如果观察到许多平行的条纹而金相组织不清晰，为什么？

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