碳鋼的熱處理及組織觀察實(shí)驗(yàn)

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)A2實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書江蘇科技大學(xué)材料機(jī)械與冶金學(xué)院2010年6月實(shí)驗(yàn)1：碳鋼的熱處理操作、組織觀察及硬度測定綜合實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解硬度計(jì)的原理、初步掌握布氏、洛氏硬度計(jì)的使用；2. 了解碳鋼的熱處理工藝操作； 3. 研究碳鋼加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對鋼性能的影響；4. 觀察熱處理后的組織及其變化。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1按表1中的熱處理工藝進(jìn)行操作，并對熱處理后的各樣品進(jìn)行硬度測定，將硬度值填入表1中。表1 各種熱處理工藝?yán)鋮s方式45鋼加熱溫度硬度水冷780水冷860油冷860空冷860 表2 45鋼回火工藝45鋼回火工藝/860水冷淬火回火溫度200400500600回火前硬

2、度回火后硬度注：保溫時間可按1分鐘/每毫米直徑計(jì)算；回火保溫時間均為30分鐘，然后取出空冷。2. 觀察下列表2熱處理后的金相試樣，并畫出組織示意圖。表3 熱處理后的金相試樣編號鋼號處理狀態(tài)顯微組織腐蝕劑145860正火F + P4%硝酸酒精245860油淬M + B上 + T + F少4%硝酸酒精345860水淬M4%硝酸酒精445780水淬M + F4%硝酸酒精545860水淬低溫回火回火M4%硝酸酒精645860水淬中溫回火回火T4%硝酸酒精745860水淬高溫回火回火S4%硝酸酒精三、實(shí)驗(yàn)原理（一）硬度計(jì)的原理1洛氏硬度洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體（或直徑為1.58

3、8的淬火鋼球）作壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面。試驗(yàn)時，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力。壓入試樣表面之后卸除主試驗(yàn)力，在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。 洛氏硬度值由h的大小確定，壓入深度h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說來，按照人們習(xí)慣上的概念，數(shù)值越大，硬度越高。因此采用一個常數(shù)c減去h來表示硬度的高低。并用每0.002mm的壓痕深度為一個硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號HR表示。 由此獲得的洛氏硬度值HR為一無名數(shù)，試驗(yàn)時一般由試驗(yàn)機(jī)指示器上直接讀出。 洛氏硬度的三種標(biāo)尺中，以HRC應(yīng)用最多，一般經(jīng)淬火處理的

4、鋼或工具都采用HRC測量。在中等硬度情況下，洛氏硬度HRC與布氏硬度HBS之間關(guān)系約為1：10，如40HRC 相當(dāng)于400HBS 。如50HRC，表示用HRC標(biāo)尺測定的洛氏硬度值為50。硬度值應(yīng)在有效測量范圍內(nèi)（HRC為2070）為有效。2布氏硬度布氏硬度是以一定的試驗(yàn)力如：187.5kg250kg3000kg等載荷把用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負(fù)荷與壓痕面積之比值，即為布氏硬度值（HBSHBW），單位為N/mm2。布氏硬度計(jì)適合測量鑄鐵等材料的工件。在鋼管標(biāo)準(zhǔn)中，布氏硬度用途最廣，往往以壓痕直徑d來表示該材料的硬度，既直觀又方便。（二） 鋼的熱處理工藝：鋼

5、的熱處理基本工藝有退火、正火、淬火和回火。進(jìn)行熱處理時，加熱是第一道工序，目的是為了得到奧氏體，因?yàn)殇摰淖罱K組織珠光體、貝氏體 和馬氏體都是由奧氏體轉(zhuǎn)變來的。二是保溫、目的使奧氏體均勻化。三是冷卻，是改變組織和性能的重要因素。因此，正確選擇三個基本因素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：根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定。對亞共析鋼，其加熱溫度為；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+（3050），即加熱到奧氏體單相區(qū)。（3）淬火加熱溫度

6、：一般亞共析鋼加熱至AC3+（3050），淬火后的組織為均勻細(xì)小的馬氏體。如果加熱溫度不足（如低于AC3）,則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，造成淬火后硬度不足；共析鋼和過共析鋼加熱至AC1+（3050），淬火后的組織為隱晶馬氏體與粒狀二次滲碳體。未溶的粒狀二次滲碳體可提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度（高于ACCM），會因得到粗大的馬氏體，過多的殘余奧氏體而導(dǎo)致硬度和耐磨性下降，脆性增加。（4）回火溫度：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（工廠中常常是根據(jù)硬度的要求）。按加熱溫度不同，回火可分為三類： 低溫回火：在150250回火，所得組織為回火馬氏體，硬度約為HRC57-60

7、，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。一般用于切削工具、量具、滾動軸承以及滲碳和氰化件。中溫回火：在350500回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRC40-48，其目的是獲得高的彈性極限，同時有高的韌性。因?yàn)樗饕糜诟鞣N彈簧及熱鍛模。高溫回火：在500650回火，所得組織為回火索氏體，硬度約為HRC25 -35，其目的是獲得既有一定強(qiáng)度、硬度、又有良好的沖擊韌性的綜合機(jī)械性能，常把淬火后經(jīng)高溫回火的處理稱為調(diào)質(zhì)處理，因此一般用于各種重要零件，如柴油機(jī)連桿螺栓、汽車半軸以及機(jī)床主軸等。2 保溫時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，使碳化物溶解和奧氏體成

8、分均勻化，就必須在加熱溫度下保溫一定時間，通常將鋼件升溫和保溫所需的時間計(jì)算在一起，統(tǒng)稱為加熱時間。在具體生產(chǎn)條件下，工件加熱時間與鋼的成分、原始組織、工件幾何形狀和尺寸，加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式等許多因素有關(guān)。對于本實(shí)驗(yàn)中箱式爐的碳鋼，保溫時間為：工件的有效加熱厚度1分鐘/毫米。圓柱形試樣有效加熱厚度以直徑計(jì)算，如果是鹽浴爐則縮短1-2倍。合金鋼加熱時間要增加25-40%?；鼗饡r的加熱、保溫時間，應(yīng)與回火溫度結(jié)合起來考慮。一般來說，低溫回火時，由于組織不穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力消除不充分，為了穩(wěn)定組織、消除內(nèi)應(yīng)力，使零件在使用過程中性能與尺寸穩(wěn)定，回火時間要長一些，一般不少于1.5-2小時。高溫回火時間

9、不宜過長，過長會使鋼過分軟化，對有的鋼種甚至造成嚴(yán)重的回火脆性，所以一般為0.5-1小時。3 冷卻速度的影響冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證得到馬氏體，另一方面又希望冷卻速度不要太大，以減小內(nèi)應(yīng)力，避免變形和開裂，為此，根據(jù)c曲線考慮，淬火工件必須在過于奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650 550）進(jìn)行快冷，以超過臨界冷卻速度，而在MS(300200)點(diǎn)以下，盡可能慢冷以減小內(nèi)應(yīng)力。為了保證淬火質(zhì)量，應(yīng)適當(dāng)選用適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)和淬火方法。（三）鋼熱處理后的基本特征：爐冷得到100%珠光體，空冷得到細(xì)片狀珠光體或稱索氏體。油冷得到少量屈氏體和馬氏體。水冷得到馬氏體和少量殘

10、余奧氏體。隨著成分和熱處理?xiàng)l件不同，鋼熱處理后的組織各不相同，基本組織特征如下： （1）索氏體（s）是鐵素體與片狀滲碳體的機(jī)械混合物，其層片分布比珠光體更細(xì)密，在顯微鏡的高倍（700 左右）放大下才能分辨出片層狀，它比珠光體具有更高的強(qiáng)度和硬度。（2）屈氏體（T）也是鐵素體與片狀滲碳體的機(jī)械混合物，片層分布比索氏體更細(xì)密，在一般光學(xué)顯微鏡下無發(fā)分辨，只能看到黑色組織如墨菊狀，當(dāng)其少量析出時，沿晶界分布呈黑色網(wǎng)狀包圍馬氏體，當(dāng)析出量較多時則呈大塊黑色晶粒狀。只有在電子顯微鏡下才能分辨出其中的片層狀。（3）貝氏體（B）也是鐵素體與滲碳體的兩相混合，但其金相形態(tài)與珠光體不同，因鋼的成分和形成溫度不同

11、，其組織形態(tài)主要有三種：上貝氏體，下貝氏體，粒狀貝氏體。 (4) 馬氏體（M） 是碳在-Fe中的過飽和固溶體，馬氏體的組織形態(tài)是多種多樣的，歸納起來分為兩大類，即板條狀馬氏體和片狀馬氏體。板條狀馬氏體 在光學(xué)顯微鏡下，板條馬氏體的形態(tài)呈現(xiàn)一束束相互平行的細(xì)長條狀馬氏體群，在一個奧氏體晶粒內(nèi)可有幾束不同取向的馬氏體群。每束內(nèi)的條與條之間的小角度晶界分開，束與束之間具有較大的相位差，如圖所示，由于條狀馬氏體形成溫度較高，在形成過程中常有碳化物析出，即產(chǎn)生自回火現(xiàn)象，故在金相實(shí)驗(yàn)時，易被腐蝕而呈現(xiàn)較深的顏色。因含碳低的奧氏體形成的馬氏體呈板條狀，故板條馬氏體又稱低碳馬氏體。圖1 板條狀馬氏體顯微組織

12、片狀馬氏體 在光學(xué)顯微鏡下，片狀馬氏體呈現(xiàn)針狀或竹葉狀，其立體形態(tài)為雙透鏡狀，因此成溫度較低沒有自回火現(xiàn)象故其顯微組織不易被浸蝕，所以顏色較淺，在顯微鏡下呈白亮色。透射電鏡觀察片狀馬氏體晶體內(nèi)部為孿晶亞結(jié)構(gòu)，故片狀馬氏體又稱孿晶馬氏體，因含較高的奧氏體形成的馬氏體呈片狀，故片狀馬氏體又可稱高碳馬氏體。馬氏體的粗細(xì)取決于原奧氏體晶粒的大小，即取決于淬火加熱溫度如高碳鋼在正常溫度下淬火加熱，淬火后可得到細(xì)小針狀的馬氏體，在光學(xué)顯微鏡下，僅能隱約見其針狀，故又稱為陷晶馬氏體。如淬火溫度較高，奧氏體晶粒粗大，則得到粗大針狀如圖2所示。圖2 粗大竹葉狀馬氏體+Ar（5）殘余奧氏體（Ar） 當(dāng)奧氏體中含碳

13、量>0.5%時，淬火時總有一定量的奧氏體不能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而保留到室溫，這部分奧氏體就是殘余奧氏體，它不易受硝酸酒精腐蝕劑的浸蝕，在顯微鏡下呈白亮色，分布在馬氏體之間，無固定形態(tài)，淬火后未經(jīng)回火，Ar與馬氏體很難區(qū)分，都呈白亮色，只有馬氏體回火后才能分辨出馬氏體間的殘余奧氏體。（6）回火馬氏體（Mr） 高碳馬氏體經(jīng)低溫回火后，馬氏體分解，析出了與母相共格的極細(xì)小彌散的碳化物。這種組織稱為回火馬氏體。由于極小的碳化物析出使回火馬氏體易受浸蝕，所以在光學(xué)顯微鏡下觀察回火馬氏體仍保持針狀馬氏體形態(tài)，只是顏色比淬火馬氏體深，但極細(xì)小的碳化物分辨不清。在電子顯微鏡下則可觀察到細(xì)小的碳化物。（7）回

14、火屈氏體 淬火鋼進(jìn)行中溫回火以后，得到回火屈氏體。它的金相組織特征是：在鐵素體基體上彌散分布著微小的粒狀滲碳體，鐵素體，鐵素體仍然基本保持原來的條狀或片狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體顆粒很細(xì)小，在光學(xué)顯微鏡下不易分辨清楚，故呈暗黑色。用電子顯微鏡可以肯到這些滲碳體的質(zhì)點(diǎn)，而且回火屈氏體仍然保持針狀馬氏體的位向。（8）回火索氏體 淬火鋼高溫回火得到回火索氏體，金相組織特征是已經(jīng)聚集長大了的滲碳體顆粒均勻分布在再結(jié)晶的鐵素體基體上。但是某些合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鐵素體仍然保持針狀形態(tài)，因合金元素對于鐵素體的再結(jié)晶有阻礙作用，須更高的溫度才能完成再結(jié)晶。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料（1） 箱式電阻爐和控溫儀表；（2）

15、金相顯微鏡；（3） 洛氏硬度計(jì)；布氏硬度計(jì)；布氏洛氏硬度試塊；（4） 淬火水桶、油桶、火鉗、砂紙等, 45鋼試樣若干。（5） 金相試樣一套。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、測量標(biāo)樣的布氏、洛氏硬度。1、領(lǐng)取試樣進(jìn)行熱處理工藝實(shí)驗(yàn)。2. 45鋼試樣放入860、780爐子內(nèi)加熱，保溫后分別進(jìn)行水冷、空冷操作。3. 將860水冷試樣中取出4塊45鋼試樣分別放入200、400、500、600的爐中進(jìn)行回火、回火保溫時間為30分鐘。4. 洛氏硬度測試。5. 觀察金相組織,畫示意圖。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及觀察到的顯微組織綜合分析a、加熱溫度與冷卻速度對鋼性能的影響；b. 不同回火溫度對材料組織和性能的影響,繪制45鋼回火溫度與硬度的關(guān)系曲線。c. 觀察熱處理后的金相組織，并畫出組織示意圖七、 其它說明（1）實(shí)驗(yàn)前仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。（2）熱處理操作及注意事項(xiàng)裝取試樣時爐子要斷電，裝取試樣后爐門要及時關(guān)好，并立即通電。試樣加熱時，盡量靠近熱電偶測出的溫度接近試樣溫度。實(shí)驗(yàn)中注意計(jì)算保溫時間；保溫時要注意溫度控制儀表是否正常，以免跑溫或升溫太慢，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)報(bào)告老師檢查。淬火冷卻時，將試樣迅速入油或入水。并不停地移動試樣，且不要拿出液面。熱處理后測定硬