14金属热处理实验指导书

1、1.4材料固态相变及其组织结构综合实验木实验共12学时，其中材料热处理 4学时，材料试样制备 4学时，材料组织结构分 析及图象 处理4学时。实验内容分两部分说明，第一部分为材料固态相变；第二部分为材料组织结构分析及相关内容。第一部分金属热处理实验指导书实验目的1 ?了解不同材料的热处理工艺。2. 了解不同热处理工艺对材料硬度和拉伸性能的影响。3. 学会使用热处理设备和硬度计。4. 掌握各种热处理操作。二.自选实验内容下表为自选实验内容，每个实验小组任选 代B, C屮的一项，按照表格中的要 求进行试 验。硬度一栏山HRC为洛氏硬度，为布氏硬度，拉仲性能一 ？栏中，斜 线为不进行拉伸性能试 验。实

2、验内容选项材料热处理工艺W:（HRC、HB）拉伸愉：A45钢（碳素结构钢）淬火：850°C （AG以上）保温20分 水冷no）/淬火：750°C （AG? ACs）保温20分 水冷/淬火：850° C （AC3以上）保温20分油冷/未经热处理（供材状态）淬火：850° C （AG以上）保温20分 水冷 回火：600°C （AG以下）保温40分 空冷BZM6（嘶铸造状态固溶处理：530° C保温12小时 空冷吋效处理：200° C保温12小时 空冷H62（铜锌合金）未经热处理（供材状态）退火处理：65O C保温1. 5小时 空

3、冷C3Crl3（马氏林锈钢）未经热处理（供材状态）淬火：950° C保温1小时空冷回火：250°C保温1小时空冷ICrl8Ni9Ti（奥氏体不锈钢）未经热处理/固溶处理：1050° C保温1小时空冷 稳定化处理：850°C保温2小时空冷/试验说明以下对A, B, C选项分别说明1选项A45钢为普通碳素结构钢，常用于小型工程和小型机器制造构件。如：小型屋架，小型机器上的轴承等。使用中，要求材料具有良好的综合机械性能，即较高的韧性和一定的强度、硬度。获得以上性能的热处理工艺是淬火后高温回火。碳钢的淬火温度可按 Fe-FaC状态图来确定见图1。对于亚共析钢，淬

4、火加 热温度应 在AC3以上30? 50°C。如果在A Ci? AC3Z间某一温度加热，淬火后钢屮有铁索体存在，而不能获得高的硬度。淬火加热的保温时间必须保证钢件内外温度一致及相变完全进行，时间的长短主要根据钢的种类、钢件的大小、形状，加热温度的高低及采用什么类型的加热炉來确定。具体要求叮查阅热处理手册。碳钢的淬火必须采用水冷才能获得马氏体组织。如图2所示，若在汕中冷却，其 冷速小于临界冷却速度，部分奥氏体转变成屈氏体 组织（更细的珠光体），淬火后 钢的硬度仍然不足。i 1010*10* ID4 !<* 5 x Hl*淬火后回火是赋予钢以最后性能的热处 理，一般情况下，随着回火

5、温度的提图1 Fe-Fe3C状态图的一角t/n图2碳钢冷却曲线高，淬火钢的硕度下降，韧性增加。低温回火后为回火马氏体组织，淬火应力的消除不多，故硕度略有降低，韧性略有提高。屮温回火后为回火屈氏休组织，此时硬度的降低及韧性的提高比较显著。只有经过高温回火，获得索氏体组织后，因基本上消除了淬火应力，这时，韧性才大幅度提高，皱度和强度则继续下降。按照选项A的实验内容 做出单相区加热淬火和两相区加热淬火后硬度的比较。 做出单相区加热淬火水冷和单相区加热淬火油冷硬度的比较。 做出未经热处理和经过淬火高温冋火后硕度和拉伸性能的比较。2.选项B1) ZM6合金ZM6合金是以枚为主要元索的高强耐热镁合金，常用

6、于制造直升机发动机后减速机匣，飞机机翼翼肋和液压恒速装置支架以及30万KW汽轮发电机的转 子引线压板等另件，并可广泛用來制作各种受力构件。ZM6合金的化7成分见下表：化学成分()牌号代号技术标准REZnZrCuNi朵质总量ZMgRE2Z nZrZM6GB1177-912.0 ? 2.80.2 ? 0.70.4 ? 0.1000.010.30探RE:含钱不小于85%的钱混合稀土金属，其中的钱：加错不少T95%oZM6合金的基木固态和变形式是过饱和同溶休的分解，因此热处理工艺为淬火加时300rI I200i Ji10一 L J 11Mg JO 2030 40 50 CO 70Nd图3 MgNd相图

7、效。为了获得最大的过饱和固溶体,淬火加热温度 通常只比固相线略低。图 3是Mg-Nd相图，552 °为合金的共晶温度，ZM6淬火温度一般选 择在530°Co镁合金原 子扩散能力较弱，为保证 强化相充分I占I溶需耍较长的加热时间，加热 时炉内应保持 一定的中性气氛以防合金氧化。淬 火加热后通常采用在静止或流动空气中冷却。时 效是在200°C下进行的，亦需长时间加热。ZM6合金经过同溶时效处理后，因晶内弥散分布 着大量点状沉淀物 Mg 12(Nd. Zr)、ZrH?和a Zr等而使强度大为提高，与铸造状态相比高几 MPa。2) 1162黄铜H62黄铜是含Zn量为38%

8、的铜锌合金。强度高，塑性也比较好，广泛用于制造销丁、垫圈、螺帽、散热件及水管、油管等。H62黄铜的组织是由a + B '两相级成，B "相室温脆性大，冷变形能力很差，但当加 热到一定温度以上，8"相转变为0,而0相具有良好的塑性变形能力。因此1162黄铜的加工变形一般是在加热到 B相区进行的。£ 11 * ttb悴合鱼认心阳铜无同索异构转变。冃？铜一锌状态lv>l图中锌在铜中的固溶度随温度降低而 增大，见图4,所以普通黄铜不能热处理强化。黄铜的主要热处理是退火，其 中包括低温退火和再结晶退火。低温退19.1火，主要目的是消除内应力，防止黄铜 的应力腐

9、蚀开裂和工件在切割加工中 发生变形，低温退火温度为 260? 300°C,保温一定的时间。再结晶退火，包括各道冷加工工序之间的中间退火以及成品的最终退火。其目的是消除加工硕化和恢复塑性，常用的再结品退火温度为550? 650°C。退火的冷却方式为空冷或水冷。按照选项B的实验内容 做出ZM6合金固溶、时效热处理。 做岀ZM6铸态与ZM6固溶时效后硕度和拉伸性能的比较。 做出H62黄铜退火的热处理。 做岀黄铜未经热处理和退火处理后硬度和拉伸性能的比较。3.选项C1) 3Cr 133Crl3是珞13型不锈钢屮广泛 应用的一种。在銘 13型不锈钢中0Crl3>iai3、2Cr

10、l3、3CN3、和 4Crl3 之间的主要差别在于碳含量的不同，这类钢的一个共同特点是加热和冷却时具有a = Y的转变，因此可以用热处理的方法在比较宽的范围内改善它们的机构性能。在 应用方面，主 耍用丁耍求高硬度，同时 又要求耐 磨、耐蚀的零件，如医疗夹持 器，轴承部件、刃具等。3Crl3不锈钢常用的热处理工图5 Fe-Cr-C条状态图中含13%Cr的垂直截面艺为淬火加低温冋火。淬火温度的选择仍然由状态图來确定，图5是Fe-Cr-C系状态图中含!3%Cr的垂一直截面，与Fe-Fe3C状态图和比，G使共析点（S）左移，同时还使共析点的温度向 高温方向移动。使共析温度升至800°C,共析

11、成分降至 0. 3%Co这样3Crl3便成为共析钢。因钢屮含有大量的合金碳化物，为使碳化物充分溶入奥氏体中，加热温度应在 ACi以上100? 200°C,即950°C? 1000°加热 淬火，加热时可采取适当的保护措施，以防脱碳。加热后的冷却采用空冷， 即可得到全部马氏体组织，这是因为钢中的含钻量显著增加了过冷奥氏体的稳定性，使钢的C曲线右移所致见图6。钢经淬火后基体组织是马氏体，具有较大的应力，必须进行及时回火，否则会引起开裂，冋火温度常采用200? 250° C,得到冋火马氏体组织，此时由于大量的銘元素仍保持在固溶体中，因此在保证钢具有较高硬度的同时

12、，耐蚀性能也比较咼。2） ICrl8Ni9TiICrl8Ni9Ti是奥氏体不锈钢，与马氏体不锈钢3Crl3比较，除了具有很高的耐蚀性能外，还具有高的塑性，易于 加工变形成各种形状的钢材（薄板、管 图6 13%Cr不锈钢的C曲线材等）。加热时没有 丫 = a相变，不能用热处理方法强化。该钢种焊接性能良好韧性和低温韧性好；没有冷脆倾向奥氏体不锈钢的热处理有三种：1）0（7p + a C、0000. GU? 20.1C,%不具有磁性。常被用于液压管路等零件。 固溶 处理，消除应力退火和稳定化处理。这 种钢的平衡组织为：奥氏体+铁素体+ （Cr.Fe） 23C6, 固溶处理的目的是得到单 相奥氏体组织

13、以提高 合金的耐蚀性和冷加工性，因此加热温度要选 择在ES线以 上（见图7）,使强化相溶解。加 热吋的保护应在中性或稍具氧化性的气氛中进 行，而不用木碳，因为木碳保护会使钢的表面增碳，增碳就增大了晶间腐蚀的敏感性。固溶处理加热时间不宜过长，冷却可采用空冷，但对截面较大的锻件或对抗蚀性，塑性要求严格 的零件采用 水冷。消除应力退火，如果仅仅为 清除冷冲压（或切割加工）所造成的晶粒破四.实验条件:1 ?试验材料：图718-8A钢平衡图的一角碎和残余应力，可采用低冋退火 ， 即加热至300? 350°C保温1? 2小时，空冷。稳定化处理是为了提高合金的耐蚀性而设计的热处理工艺。生产中发现，

14、只经过固溶处理而未经稳定化处理的零件，仍然有可能产生晶间腐蚀，而经过稳定化处理后，才能完全消除晶间腐蚀，稳定化处理加热温度为850? 870°C,保温2? 6小时，然后于空气屮冷却或缓冷。按照选项C的内容做出3313不锈钢未经处理和淬火加低温回火后硬度和冲击性能的比 较。做岀3Crl3不锈钢和ICrl8Ni9Ti （ICrl8Ni9Ti两块金相试样，留做 组织比较）不锈钢热处理后硬度的比较。掌握两种不锈钢热处理工艺的特点。B 项：ZM6H62C 项：3Cr 13ICrl8Ni9Ti2.实验设备1）热处理炉：金相试样两块,金相试样两块,金相试样两块,金相试样两块。拉伸试样两根。拉仲试样

15、两根。拉伸试样两根。SRJXSX2-4-10箱式电阻炉六台，最高加热温度950°C,适用于950°C以下的热处理? 4? 13、SRJX-8-13箱式硅碳棒高温炉各一台，最高加热温度1300 C,用于 高温合金,耐热合金的热处理。2）硬度计:洛氏硬度计：压头为金刚石压头，型号分别为： TH300 -台，HRD 150型（电 动）一 台、HR-150A型（手动）一台。洛氏皱度计适用于测试钢材淬火及淬火加低温回火等硬度高的试件。布氏：压头为淬火钢球，电了布氏硬度计一台。 布氏硬度计适用于测试有色金属、同溶处理（软化处理）的材料及淬火加高温回火等硬度较低的试件。五实验设计路线组成

16、实验小组，每组 4人，按下面的路线进行试验。材料的热处理（包括金相试样和性能试样）一性能测试（包括硬度测试、拉伸性能的测试）一金和试样制备一金和组织分析一图像处理及拍摄。六. 实验结果及讨论本实验是材料固态相变及其组织结构综合实验的第一部分，因此仅就金屈热处理及热处理以后的性能进行讨论。要求每个小组对自己的选项内容完全掌握，其中包括掌握材料的类型，特点，应用泛围。掌握对材料性能的耍求及满足性能耍求的热处理工艺，并能解释该工艺（基木原理）。此外，还要求每小组对表格中其它选项内容有所了解。了解材料的类型、特点、应用范围。了解应实施的热处理工艺。七. 思考题A项：1. 45钢淬火时，若由奥氏体化炉向水中转移， 在空气中做短暂停留，材料的硬度有 何变化？ 为什么？2?钢的含碳量越高，硬度越高，这种说法对吗？为什么？B