熱處理原理與工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、熱處理原理與工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書張學(xué)萍 高景龍沈 陽(yáng) 理 工 大 學(xué)二 零 一一 年 三 月目 錄實(shí)驗(yàn)一 鋼的淬透性曲線測(cè)定3 實(shí)驗(yàn)二 鋼的普通熱處理工藝與顯微組織觀察6實(shí)驗(yàn)三 鋼的滲碳工藝與顯微組織觀察13 前 言熱處理原理與工藝學(xué)這門課的實(shí)驗(yàn)是該課的重要組成部分，是該理論課的基礎(chǔ)，正確地掌握實(shí)驗(yàn)的理論和方法，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決問題的能力有重要意義。編寫本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，是根據(jù)熱處理原理與工藝學(xué)教學(xué)大綱及教材的有關(guān)內(nèi)容、又根據(jù)我院設(shè)備、儀器實(shí)際情況編寫的，這樣與教材的內(nèi)容相一致，便于安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書將部分單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)改為綜合實(shí)驗(yàn)，鋼的普通熱處理工藝與顯微組織觀察綜合實(shí)驗(yàn)將多個(gè)

2、知識(shí)點(diǎn)連在一起，不僅使學(xué)生建立比較完整的知識(shí)體系，還能有效地提高學(xué)生的整體思維能力和總結(jié)概括能力。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書適用于：金屬材料專業(yè) 編者 2011年3月實(shí)驗(yàn)一 端淬法測(cè)量鋼的淬透性曲線一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、建立淬透性的概念，熟悉測(cè)定結(jié)構(gòu)鋼淬透性的方法。2、了解淬透性及淬透性曲線在熱處理工藝上的一些應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理 所謂鋼的淬透性，是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。它是鋼材本身固有的一個(gè)屬性。 淬透性的大小是用淬透層深度來表示的。從理論上講，淬透性應(yīng)以全部馬氏體（或含少量殘余奧氏體)組織的深度來定。但實(shí)際土，要用測(cè)硬度的辦法來確定這一深度很困難。因?yàn)楫?dāng)馬氏體組織中含有少量非馬氏體組織時(shí)，在硬度值上并無

3、明顯變化。只有當(dāng)鋼中含有50馬氏體組織時(shí)，硬度才會(huì)發(fā)生明顯變化，且在宏觀腐蝕時(shí)，此區(qū)域又是白亮層與未硬化區(qū)的分界，容易確認(rèn)。因此，在實(shí)踐中人為地把工件表面到半馬氏體組織的深度作為淬透層深度。半馬氏體組織的硬度主要取決于鋼的含碳量。圖1-3表明了含碳量與半馬氏體組織硬度的關(guān)系。 鋼的淬透性的大小對(duì)其熱處理后的機(jī)械性能有很大的影響，對(duì)合理選材及正確制定熱處理工藝都是十分重要的。 影響鋼的淬透性的因素很多，如鋼的化學(xué)成分、奧氏體化溫度及鋼的原始組織等。 應(yīng)當(dāng)指出，鋼的淬透性與淬硬性是兩個(gè)不同的概念。淬硬性是指鋼淬火后獲得馬氏體的最大硬度值，與鋼的含碳量有關(guān)，含磷量高，淬硬性相應(yīng)就好。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 淬

4、透性的測(cè)定分為計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)法兩種。 計(jì)算法是根據(jù)鋼材的主要成分與奧氏體晶粒度，通過一系列對(duì)鋼淬透性影響系數(shù)的連乘累積來估算鋼的理想臨界直徑Di。 實(shí)驗(yàn)法在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了常用的兩個(gè)測(cè)定方法： l、斷口法 根據(jù)GB227-63碳素工具鋼淬透性實(shí)驗(yàn)的規(guī)定，應(yīng)在退火鋼棒截面中部截取23個(gè)試樣。方形試樣尺寸為2020mm。圓形為2223mm,長(zhǎng)1005mm。試樣中間一側(cè)開一個(gè)深度為35mm的V形槽，以便淬火后打斷觀察斷口。試樣分別在760C、800 C、840 C下加熱1520分鐘后水冷。通過觀察斷口上脆斷區(qū)的深度，對(duì)照相應(yīng)的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)圖來評(píng)定淬透性等級(jí)。 2、末端淬火法（也稱端淬法）： 本實(shí)驗(yàn)只做末端

5、淬透性實(shí)驗(yàn)。材料為45鋼和40Cr。GB225-63中規(guī)定了試樣的形狀和尺寸（見圖2-1）。將試樣按熱處理工藝規(guī)范進(jìn)行加熱并保溫后，迅速?gòu)臓t中取出，放在頂端淬火器上（見圖2-1）。同時(shí)打開噴水閥門進(jìn)行噴水，噴水時(shí)間不應(yīng)少于10分鐘，水溫應(yīng)保持在1030，自由水柱高度以65mm為準(zhǔn)。淬火后將試樣圓柱表面相對(duì)稱的兩側(cè)各磨去0.4mm的深度，以得到兩個(gè)相互平行的平面。磨制過程中要進(jìn)行冷卻，以免試樣產(chǎn)生回火而影響硬度的測(cè)量。用洛氏硬度計(jì)從試樣末端起每隔1.5mm測(cè)其硬度值。當(dāng)硬度值下降趨于平穩(wěn)時(shí)，可每隔3rnm測(cè)量一次。一般約測(cè)到4050mm處。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，繪制硬度值（縱坐標(biāo)）與水冷端距離（橫

6、坐標(biāo)）曲線，即鋼的淬透性曲線，如圖2-2所示。 由于材料的化學(xué)成分有一定的波動(dòng)，硬度 圖2-1 端淬試驗(yàn)原理圖值也在一定范圍內(nèi)變化，因此淬透性曲線通常為淬透性帶。 至水冷端距離：mm 含碳量： 圖2-2 淬透性曲線 圖 2-3 含碳量與半馬氏體硬度的關(guān)系鋼的淬透性以“”表示。其中J表示末端淬透性試驗(yàn)，d表示距試樣末端的距離，HRC是指在距離d處所測(cè)得的硬度值（即指該鋼的半馬氏體硬度)。末端淬火實(shí)驗(yàn)測(cè)得的淬透性曲線并不能直接用來確定鋼的臨界直徑。而臨界直徑又是衡量鋼的淬透性的重要標(biāo)準(zhǔn)。為此，還需借助其它圖表進(jìn)行換算。圖2-4是圓棒700C時(shí)，在水中和油中淬火時(shí)，其截面不同位置與端淬距離的關(guān)系圖。

7、根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的d值，再利用圖2-4，查出鋼的實(shí)際淬火臨界直徑D臨。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料設(shè)備：箱式電阻加熱爐；端淬裝置。材料：45鋼和40Cr鋼制成的標(biāo)準(zhǔn)端淬試樣若干個(gè)。 至水冷端局距離：mm 圖 2-4 圓棒在水中（）及油中（b）淬火時(shí)，其截面 不同位置處與端淬距離的關(guān)系五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟；2.按實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果（詳見實(shí)驗(yàn)報(bào)告）；3認(rèn)真回答分析討論題（詳見實(shí)驗(yàn)報(bào)告）。六、實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的具體要求，根據(jù)每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程中操作情況及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量，綜合給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)二 鋼的普通熱處理工藝與顯

8、微組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解碳鋼的基本熱處理操作方法；2了解含碳量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度等主要因素對(duì)碳鋼熱處理性能（硬度）的影響；3熟悉洛氏硬度計(jì)的使用；4觀察碳鋼經(jīng)不同熱處理后的基本組織，認(rèn)識(shí)其形態(tài)及特征。二、概述 （一）制定熱處理工藝規(guī)范鋼的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻三個(gè)步驟來改變其內(nèi)部組織，而獲得所需性能的一種熱加工工藝，它的基本過程包括：將鋼加熱到選定溫度，在該溫度下保持一段時(shí)間，然后用選定的速度冷卻。 由于工件的成份、形狀、大小不同，所以應(yīng)該選擇不同的加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。熱處理的工藝參數(shù)主要包括：加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度。通常，工件的熱處理工藝規(guī)范均采用溫

9、度與時(shí)間的坐標(biāo)表示(見圖1-1)。圖1-1反映了鋼件熱處理加熱溫度的高低、加熱和冷卻速度的快慢、保溫時(shí)間的長(zhǎng)短。圖1-2是5mm的亞共析鋼完全退火工藝規(guī)范圖， 圖1-1 熱處理工藝規(guī)范基本模式 圖1-2亞共析鋼完全退火工藝規(guī)范 1加熱溫度的選擇(1)淬火加熱溫度根據(jù)FeFe3C相圖來確定，如圖1-3所示。對(duì)亞共析鋼，合適的淬火加熱溫度為Ac3+30 50 ，淬火后的組織為均勻細(xì)小的馬氏體。如果加熱溫度不足(低于Ac3)則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，造成淬火后硬度不足。對(duì)過共析鋼和共析鋼，合適的淬火加熱溫度為ACl+3050 。淬火后的組織為隱晶馬氏體與粒狀二次滲碳體，組織中的粒狀二次滲碳體可以明顯

10、提高鋼的硬度和耐磨性。過高的淬火加熱溫度(高于Accm)，會(huì)使淬火后得到粗大馬氏體和較多的殘余奧氏體組織使材料的耐磨性下降，脆性增加，這是因?yàn)楣参鲣摵剂扛?，加熱到Accm以上時(shí)，碳化物全部溶解，使奧氏體晶粒易于長(zhǎng)大，淬火后的馬氏體粗大同時(shí)，奧氏體內(nèi)的含碳量越高，則淬火后的馬氏體量越少，殘余奧氏體量越多。（2）回火溫度將淬火后的鋼重新加熱到Ac1以下某個(gè)溫度，在該溫度下保溫一定時(shí)間，然后在空氣或油中冷卻，這一操作過程叫回火?；鼗鸬哪康牡厥窍慊饡r(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，降低鋼的脆性，提高鋼的韌性。按加熱溫度不同， 回火可分為三類。見圖1-4。 圖1-3 碳鋼淬火加熱溫度范圍（3）鋼的退火和正火溫度 對(duì)

11、于不重要的工件，退火、正火可作為最終熱處理。對(duì)于重要的工件，退火、正火是中間熱處理，用來消除或改善鑄、鍛、焊過程中的造成的缺陷，為下一道工序作組織準(zhǔn)備。圖中a低溫回火。主要用于高碳鋼和高碳合金鋼，回火后保持高硬度和高耐磨性，內(nèi)應(yīng)力和脆性降低?；鼗鸷蟮慕M織為回火馬氏體，硬度約為HRC5864。一般用于切削工具量具滾動(dòng)軸承及滲碳和氰化。b中溫回火。主要用于0.50.7C的碳鋼和合金鋼，回火后內(nèi)應(yīng)力基本消除，有一定的韌性和較高的彈性于屈服強(qiáng)度?；鼗鸷蟮慕M織為回火屈氏體，硬度約為HRC3545.一般用于各種彈簧及熱鍛模。c高溫回火。主要用于0.30.5C的碳鋼和合金鋼，回火后既有較高的強(qiáng)度、硬度，又有

12、較好的塑性和韌性。回火后的組織為回火索氏體。硬度約為圖1-4 回火種類示意圖 HRC2035。一般用于軸、螺栓等重要零件。鋼的退火是將鋼加熱到Ac1或Ac3，以上保溫后隨爐冷卻(見圖1-5)。鋼的正火是將鋼加熱到Ac3或Accm以上3050保溫后空冷(見圖1-5)。正火的冷卻速度比退火大正火得到的組織比退火得到的組織細(xì)，強(qiáng)度、硬度也較高。2保溫時(shí)間的確定為了使鋼件內(nèi)外各部分溫度均勻一致，并完成組織轉(zhuǎn)變，必須在加熱溫度下保溫一定時(shí)間。在具體生產(chǎn)件下，工件加熱、保溫時(shí)間與鋼的成分、原始組織、工件尺寸、加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式等許多因素有關(guān)。表1-1 各種不同成分碳鋼的臨界溫度（部分）類別鋼 號(hào)臨

13、界 點(diǎn)（）Ac1Ac3 或 AccmAr1A r3碳素結(jié)構(gòu)鋼207358556808353073281367783540724790680796457247806827605072576069075060727770695721碳素工具T7730770700743T8730700T10730800700T12730820700鋼于碳鋼件，放進(jìn)預(yù)先已加熱至選定加熱溫度的爐內(nèi)加熱。如果是火焰爐、電爐，所需保溫時(shí)間大經(jīng)為1分鐘/毫米（直徑或厚度），如果是鹽浴爐，時(shí)間度范圍可縮短l-2倍，合金鋼保溫時(shí)間應(yīng)增加25-40?；鼗饡r(shí)的加熱、保溫時(shí)間，應(yīng)與回火溫度結(jié)合起來考慮。一般來

14、講，低溫回火時(shí)，為了穩(wěn)定組織、消除內(nèi)應(yīng)力，使零件在使用過程中性 圖1-5 正火和各種退火的加熱溫度 1-6在共析鋼C曲線上估計(jì)連續(xù) 冷卻速度的影響能與尺寸穩(wěn)定，回火時(shí)間要長(zhǎng)一些，一般不少于1.52小時(shí)。高溫回火時(shí)可不宜過長(zhǎng)，過長(zhǎng)會(huì)使鋼過分軟化，對(duì)有的鋼種甚至造成嚴(yán)重的回火脆性，一般為1小時(shí)左右。3冷卻速度的選擇 冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，它是決定鋼的最終組織與性能的重要工藝參數(shù)，同一種碳鋼在不同冷卻速度下冷卻，會(huì)得到不同的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（見圖1-6）。常采用的冷卻介質(zhì)有爐冷、空冷、風(fēng)冷、油冷、水冷、等溫鹽浴冷卻等，表1-2是常用淬火介質(zhì)的冷卻能力。 (二)鋼熱處理后的質(zhì)量檢查鋼的硬度取決于鋼的含碳量及

15、熱處理，同一種鋼在退火后的硬度最低，正火后硬度增高，而淬火后硬度最高。在實(shí)際生產(chǎn)中，工件熱處理后的質(zhì)量檢查都是通過硬度檢驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛捕燃床粨p壞試樣，又可通過查表或公式換算出強(qiáng)度或其它機(jī)械性能值（見表1-3）。對(duì)于較軟的鋼(如退火、正火)，可用洛氏硬度計(jì)測(cè)出HRB值。HRB的測(cè)量范圍：25100。對(duì)于較硬的鋼(如淬火、調(diào)質(zhì))，可用洛氏硬度計(jì) 測(cè)出HRC值。HRC的測(cè)量范圍：2057。 無論HRC還是HRB都可通過查表(表1-3)，換算成HB值，以便進(jìn)行硬度比較。 (三)鋼經(jīng)普通熱處理后的基本組織 碳鋼合金經(jīng)緩冷后的顯微組織基本上與鐵碳相圖所預(yù)料的各種平衡組織相符合，但 碳鋼在不平衡狀態(tài)，即

16、在快冷條件下的顯微組織就不能用鐵碳合金相圖來加以分析，而應(yīng)由過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖C曲線來確定。圖1-6為共析碳鋼的C曲線。按照不同的條件，過冷奧氏體將在不同的溫度范圍內(nèi)發(fā)生不同類型的轉(zhuǎn)變，通過金相顯微鏡觀察，可以看出過冷奧氏體各種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)各不相同。1. 共析鋼連續(xù)冷卻后的組織如圖1-6所示。2. 45鋼正常淬火(Ac3+3050水冷)后的顯微組織是細(xì)針狀馬氏體和少量殘余奧氏體。3 45鋼油淬（Ac3+30 50 油冷）后的顯微組織是針狀馬氏體和少量屈氏體。4. 45鋼不完全淬火(Ac1與Ac3之間水冷)后的顯微組織是馬氏體和鐵素體。5. 45鋼正火(Ac3+3050 空冷)后的顯

17、微組織是馬氏體和鐵素體。6. 45鋼正常淬火后再經(jīng)500650 高溫回火(常稱做調(diào)質(zhì)處理)，其顯微組織是回火索氏體。7. 45鋼正常淬火后再經(jīng)350500 中溫回火，其顯微組織是回火屈氏體。8. T10鋼正常淬火(Acl+3050 水冷)后的顯微組織是針狀馬氏體、未溶碳化物(呈白亮色顆粒)、殘余奧氏體。9. T10鋼正常淬火后再經(jīng)150250 低溫回火，其顯微組織是回火馬氏體、未溶碳化物及殘余奧氏體。10. T10鋼過熱淬火(Accm以上)后的顯微組織是粗大馬氏體和1530的殘余奧氏體(呈亮白色，存在于馬氏體針之間)。下面將過冷奧氏體各種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)做以介紹：(1)鋼的退火和正火組織屬于

18、亞共析成分的碳鋼（40、45鋼等）一般采用完全退火，經(jīng)退火后可以得到接近于平衡狀態(tài)的組織，其組織特征已在以前加以分析和觀察（附圖）。過共析成分的碳素工具鋼（如T10、T12鋼等）則采用球化退火，T12鋼等經(jīng)球化退火后組織中的二次滲碳體及珠光體中的滲碳體都將變成顆粒狀，從金相照片中可觀察出均勻而分散的細(xì)小粒狀組織就是粒狀滲碳體（附圖）。45鋼經(jīng)正火后的組織要比退火的細(xì)，珠光體的含量也比退火組織中的多（附圖3），原因在于正火的冷卻速度稍大于退火的冷卻速度。(2)鋼的淬火組織將45鋼加熱到760（即c1以上，但低于c3）然后在水中冷卻，這種淬火稱為不完全淬火，根據(jù)Fe-Fe3C相圖可知，在這個(gè)溫度加

19、熱，部分鐵素體尚未溶入奧氏體當(dāng)中，經(jīng)淬火后將達(dá)到馬氏體和鐵素體組織。在金相顯微鏡中觀察到的將是呈暗色針狀馬氏體基本上分布有白色塊狀鐵素體（附圖）。45鋼經(jīng)正常淬火后將得到細(xì)針狀馬氏體（附圖5）。由于馬氏體針非常細(xì)小，在顯微鏡中不易分清。若將淬火溫度提高到1000 C（過熱淬火）。由于奧氏體晶粒的粗化，經(jīng)淬火后將得到粗大針狀馬氏體組織（附圖6）。若將45鋼加熱到正常淬火溫度，然后在油冷卻，則由于冷卻速度不足（冷k）,得到的組織將是馬氏體和部分屈氏體（或混有少量貝氏體）（附圖7）。T12鋼在正常淬火后的顯微組織除了細(xì)小的馬氏體外上有部分未溶入奧氏體中的滲碳體（呈白色顆粒）（附圖8）。當(dāng)T12鋼在較

20、高溫度淬火時(shí)，顯微組織出現(xiàn)粗大的馬氏體。并且還有一定數(shù)量（1530%）的殘余奧氏體（呈亮白色）存在于馬氏體之間。(3)淬火后的回火組織 鋼經(jīng)過淬火后得到的馬氏體和殘余奧氏體均為不穩(wěn)定組織，它們具有向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體的兩相混合物組織轉(zhuǎn)變的傾向。通過回火將鋼加熱 ，提高原子活動(dòng)能力，可促進(jìn)這個(gè)轉(zhuǎn)變過程的進(jìn)行。淬火鋼經(jīng)不同溫度回火后得到的組織不同，通常按組織特征分為以下三種：1）回火馬氏體淬火鋼經(jīng)低溫回火（150250），馬氏體內(nèi)的碳原子脫溶沉淀，析出與母相保持著共格聯(lián)系的碳化物，這種組織稱為回火馬氏體。回火馬氏體仍保持著針狀特征，但容易受侵蝕，故顏色要比淬火馬氏體深一些，是暗黑色針狀組織（附圖

21、）。2）回火屈氏體淬火鋼 中溫回火（350500），得到在鐵素體基體中彌散分布的微小粒狀滲碳體組織，稱為回火屈氏體。回火屈氏體中的鐵素體仍然保持原來針狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體則呈細(xì)小的顆粒狀，在光學(xué)顯微鏡下不易分辨清楚，故呈暗黑色（附圖10）。用電子顯微鏡可以看到這些滲碳體質(zhì)點(diǎn)，并可以看出回火屈氏體仍保持有針狀馬氏體的位相。3）回火索氏體淬火鋼高溫回火（500650 ），得到的組織稱為回火索氏體，其特征是已經(jīng)聚集長(zhǎng)大了的滲碳體顆粒均勻分布在鐵素體基體上（附圖11）。用電子顯微鏡可以看出回火索氏體中的鐵素體已不呈針狀形態(tài)而呈等軸狀。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1. 制定出表2-4所列材料的熱處理工藝規(guī)范。 2.

22、 分組進(jìn)行熱處理操作。 3. 測(cè)定熱處理后樣品的硬度值。 4. 將測(cè)得的硬度值與應(yīng)得到的顯微組織一起填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 5. 觀察熱處理后的顯微組織。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料 箱式電爐和控溫儀表 洛氏硬度計(jì) 金相顯微鏡 45、T10鋼樣五、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng) 1. 實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。2. 制定好的熱處理工藝規(guī)范要經(jīng)教師檢查無誤后方可進(jìn)行熱處理操作。3. 當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)計(jì)溫度后(或從控溫儀表上讀出)，將工件裝入爐內(nèi)，保溫時(shí)要注意控溫儀表是否正常，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)告教師。 4. 淬火冷卻時(shí)，應(yīng)迅速地將試樣放入水或油中，并不停地?cái)噭?dòng)試樣，注意不要將試樣露出液面。 5. 淬火后的試樣用砂布磨掉氧化皮，然后測(cè)

23、定硬度疽，同時(shí)將本次實(shí)驗(yàn)的全部硬度值記在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。 6. 需要回火的工件在淬火后要進(jìn)行回火操作。 7. 完成全部熱處理操作后，觀察熱處理后的顯微組織。 8. 根據(jù)顯微鏡中組織的特點(diǎn)，面出熱處理后顯微組織示意圖。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟；2.按實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果（詳見實(shí)驗(yàn)報(bào)告）；3認(rèn)真回答分析討論題（詳見實(shí)驗(yàn)報(bào)告）。表1-2常用淬火介質(zhì)的冷卻能力淬 火 的 介 質(zhì)冷 卻 速 度 /秒650550300200180的水60027020的水50027050的水10027074的水3020010NaCl的水溶/p>

24、NaOH的水溶aC O3的水溶液18800270肥皂水30200礦物油15030變壓器油12025表1-4材料工藝要求熱處理工藝規(guī)范硬度值預(yù)計(jì)金相組織HRCHB45正常淬火+高溫回火T10正常淬火+高溫回火七、實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的具體要求，根據(jù)每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程中操作情況及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量，綜合給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)三 鋼的滲碳工藝與顯微組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解碳鋼的滲碳熱處理操作方法；2了解滲碳處理工藝對(duì)鋼的組織和性能的影響；3觀察和研究鋼經(jīng)過滲碳處理后顯微組織的特點(diǎn)、認(rèn)識(shí)其形態(tài)及特征。二、概述化學(xué)熱處理是將工件置于一定介質(zhì)加熱和保溫，是使介質(zhì)中

25、的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而改變表層性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理種類很多，根據(jù)滲入元素不同，可分為滲碳、滲氮（氮化）、碳、氮共滲、滲硼等。我們主要進(jìn)行滲碳實(shí)驗(yàn)。將低碳鋼件或低合金鋼放入滲碳介質(zhì)中，在900950C加熱保溫，使活性碳原子滲入鋼件表面并獲得高碳滲層的工藝方法叫做滲碳。齒輪、凸輪、活塞、軸類等許多重要的機(jī)器零件經(jīng)過滲碳及隨后的淬火并低溫回火后，可以獲得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度。而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韌性。按照滲碳介質(zhì)的狀態(tài)，滲碳工藝分為氣體滲碳、液體滲碳和固體滲碳三類，我們做的實(shí)驗(yàn)為氣體滲碳。1.常用滲碳鋼及其選

26、擇常用滲碳鋼的含碳量為0.100.25%，含碳量低是為了保證零件心部具有高的或較高的韌性。為了提高鋼的力學(xué)性能和淬透性，以及其它熱處理性能，常在鋼中添加合金元素，例如添加鉻、錳、鎳、鉬、硼可提高鋼的淬透性，利于大型零件實(shí)現(xiàn)滲碳后的淬火強(qiáng)化，即淬火零件的表層和心部均可獲得馬氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能，即表層具有高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，而心部具有高的強(qiáng)韌性。此外，鋼的高淬透性，還有利于零件淬火時(shí)選擇較低冷卻能力的淬火介質(zhì)，可在保證淬火質(zhì)量的同時(shí)，減少零件的淬火變形，因此低合金鋼常也被用于滲碳鋼。所以常用的滲碳鋼為低碳鋼、低合金鋼。2氣體滲碳工藝氣體滲碳是把零件放入含油氣體滲碳介質(zhì)的密

27、封高溫爐罐中進(jìn)行碳的滲入，這種滲碳方法通常把煤油、甲醇等液態(tài)碳?xì)浠衔镏苯拥稳敫邷貪B碳爐內(nèi)，使其熱裂分解為活性碳原子并滲入零件的表面。滲碳溫度900950C（一般為930C）。滲碳保溫時(shí)間視層深要求確定，常常需要十幾個(gè)小時(shí)。一般滲層深度要求為11.5mm。滲碳只能提高零件表面的含碳量，要使其具有高的硬度和耐磨性，以及零件表面具有高的強(qiáng)韌性。零件在滲碳之后必須進(jìn)行淬火和低溫回火，使零件表面為高碳回火馬氏體組織、心部為低碳回火馬氏體組織。因此，實(shí)現(xiàn)滲碳強(qiáng)化的目的，必須正確地完成滲碳、淬火和低溫回火一組熱處理工藝。滲碳后的淬火有三種方法：1) 直接淬火：工件從滲碳溫度取出，預(yù)冷到870 C淬火，然后

28、在170200 C低溫回火。2) 一次淬火：將工件置滲碳溫度空冷后再加熱到850900 C淬火與低溫回火。此法可使心部晶粒細(xì)化，提高韌性，而表層組織較粗。3) 二次淬火：將工件一次淬火（或正火）后，再在760780 C淬火與低溫回火。第一次淬火（或正火）使心部晶粒細(xì)化，第二次淬火時(shí)表層組織細(xì)化，這樣可獲得較好的機(jī)械性能。3滲碳后的組織1）滲碳后空冷后所得到的組織大致可分為三個(gè)區(qū)域（附圖12）：（1）表層區(qū)（滲碳區(qū)）通常為過共析層（珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體）、共析層（珠光體）組織； （2）過渡層區(qū)為（珠光體鐵素體）組織；（3）中心區(qū)（又稱原始組織區(qū)）：心部的顯微組織為鐵素體和珠光體。滲層厚度按（過

29、共析層共析層1/2過渡層）。2) 滲碳后的淬火的組織：直接淬火與一次淬火表層為回火馬氏體組織，二次淬火的表層為少量均勻分布的小顆粒狀的碳化物加回火馬氏體，三種熱處理后的硬度可達(dá)HRC5864(HV700以上)，次層回火馬氏體或回火馬氏體和回火屈氏體，心部低碳鋼滲碳件為鐵素體加索氏體，合金鋼可得到低碳馬氏體（附圖13、附圖14）。2滲氮（氮化）（只觀察組織、選做）鋼的滲氮可獲得較高等耐磨性和表面硬度，滲氮后的表面硬度可達(dá)HV9501200（相當(dāng)于HRC6572），而且到600C仍可維持相當(dāng)高的硬度。滲氮溫度較低（500570C）,故變形很小。滲氮的工件或試件不須熱處理，滲氮也可以提高工件的抗腐蝕

30、能力。氮除能溶于-Fe或-Fe外，還可以與鐵形成三種化合物：相：相當(dāng)于氮化物Fe4N; 相：相當(dāng)于氮化物Fe3N 相：相當(dāng)于氮化物Fe2N。氮和許多元素都能形成穩(wěn)定的金屬氮化物，以Ti、Al、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe為序，這些彌散的合金氮化物具有高的硬度和耐磨性，同時(shí)又具有高的抗腐蝕能力。氮在-Fe鐵中達(dá)到飽和后，便形成金屬氮化物，之后繼續(xù)滲氮時(shí)，才依次形成相、相及相。最常用的滲氮鋼是38CrMoAl，38CrMoAl鋼滲氮后表層是白亮層（簡(jiǎn)稱白層），主要是層（多相化合物，如Fe4N（相）、Fe3N（相）和Fe2N（相），它們不易腐蝕，故呈白亮色；白層下面是高度彌散的合金氮化物的高硬度層

31、，是氮化層的主要部分，氮化層的主要部分很像按馬氏體方位排列的索氏體組織，用硝酸酒精腐蝕受蝕特別嚴(yán)重顏色黑暗，據(jù)此可測(cè)滲層深度。鋁鉻鋼滲氮后，在層下還有繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散的針狀相；擴(kuò)散層中大致平行于表面的“脈狀組織”為和相，氮表面氮濃度很高時(shí)，（特別在試件棱角處）或調(diào)質(zhì)后沒有得到均勻的索氏體組織時(shí)，脈狀組織沿晶界呈網(wǎng)狀分布，使?jié)B氮層脆性增大；在往心部是鋼的原始組織（氮化前調(diào)質(zhì)的組織）（附圖15、附圖16）。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 解氣體滲碳爐的構(gòu)造及操作方法；2. 行氣體滲碳實(shí)驗(yàn)3. 觀察滲碳后（滲碳后空冷及淬火）的顯微組織，滲氮后的顯微組織（選做）4. 測(cè)滲碳層的深度（該項(xiàng)選做）。5. 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫入實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料 .RQ3-25-9井式氣體滲碳爐 表面洛氏硬度計(jì) 金相顯微鏡 15、25鋼 滲碳處理后試樣（空冷以及淬火） 甲醇 煤油五、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。2. 滲碳前認(rèn)真清除零件表面油污。滲碳面用砂紙磨光（600、800號(hào)砂紙）。3. 空爐應(yīng)預(yù)先升溫到滲碳溫度，即高溫裝爐，縮短加熱時(shí)間和減少零件氧化，滲碳6小時(shí)（由于時(shí)間問題，可做演示）。將工件裝入爐內(nèi)