材料科学基础综合实验

1、实验五材料科学基础综合性实验一、实验目的了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。研究冷却条件对碳钢硬度的影响。观察和研究碳钢经不同条件淬火热处理后显微组织变化了解淬火热处理工艺对碳钢硬度的影响。二、实验原理1退火：是将钢件加热到Ac1或Ac3以上（30-50C）定温度并保温一段时间，奥实体化后，使它慢慢冷却，得到接近平衡组织的热处理工艺称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既

2、为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。生产上常用的退火操作种类（1）完全退火（俗称退火）：主要用于亚共桥钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有的也用做焊接结构件，其目的是细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低硬度、提高塑性，改善切削加工性能，完全退火是一种时间很长的退火工艺，为了缩短其退火时间，目前常采用等温火（冷至500-600空冷）的工艺来取代完全退火工艺，同完全退火比较，等温火的目的与完全退火相同，但它大大缩短了退火时间。（2）球化退火：主要用于过共析钢及合金工具钢（如刀具、量具、模具以及轴承等所有钢种）。其目的主要是

3、降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。（3）去应力退火（又称低温退火）主要用来消除铸件、锻件及焊接件、热轧件等内应力。（4）再结晶退火：用来消除冷加工（冷拉、冷冲、冷轧等）产生的加工硬化。目的是消除内应力，提高塑性，改善组织。（5）扩散退火：主要用于合金钢，特别是合金钢的铸件和钢锭。目的是利用高温下原子具有较大的扩散能力来减轻或消除钢中化学成分不均匀的现象。100*00图11/d+聃匚q70060丢应力500800700喝20.40-60,SL01r2C.%5）加热飆玻范園完全退火/：J人化退火110Q1000900正火：是将钢件加热到Ac3或Acm以上（30-50C），保温一定时间

4、，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。1、钢的淬火所谓淬火就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acl（过共析钢）以上3050C，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

5、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Fe-Fe3C相图确定（如图4所示）。对亚共析钢，其加热温度为Ac3+3050C，若加热温度不足（低于Ac3），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Acl+3050C，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。（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

6、。表1碳钢在箱式电炉中加热时间的确定加热温度（C）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7001.52.238001.01.529000.81.21.610000.40.60.8（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（650550C）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300100C）时冷却速度则尽可能小

7、些。冷却介质在下列温度范围内的冷却速度（C/秒）650550C300200C18C的水60027010%NaCl水溶液（18C）110030010%NaoH水溶液（18C）800270蒸馏水（50C）250200硝酸盐（200C）35010矿务机油（50C）15030MsV1相当于炉冷，冷却速度约为10C/min,V1与C曲线相交于710650C范围内，过冷奥氏体转变产物为100%珠光体，HRC=12V2相当于空冷，冷却速度约为10C/S,V2与C曲线相割于650600C范围内，过冷奥氏体转变产物为索氏体组织，HRC=26V3相当于油冷，冷却速度约为150C/S,V3只与C曲线的转变起始线相交

8、，表明一部分过冷奥氏体转变为屈氏体，而剩余部分过冷奥氏体随后冷却到Ms下，转变为马氏体，从而获得屈氏体与马氏体混合组织，其HRC=4555V4相当于水冷，冷却速度600C/S，它与C曲线不相交，而直接与Ms相交，过冷奥氏体转变为马氏体（还有效部分残余奥氏体），HRC=6064Vk与C曲线相切，称为临界冷却速度，它表示过冷奥氏体不转变为珠光体类产物，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。Vk取决于C曲线的位置，C曲线右移，Vk降低，容易获得马氏体组织，即易淬火。2、钢的回火将淬火钢，再加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且

9、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3为45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能。表345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（C）回火后的组织回火后硬度（HRC）性能特点低温回火150250回火马氏体+残余奥氏体+碳化物6057硬度咼，内应力减小中温回火350500回火屈氏体3545硬度适中，又较高的弹性高温回火500650回火索氏体2033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

10、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（C）45钢T8钢T10钢T12钢150200C6054646064626562200300C5040554556476257300400C5040554556475749400500C4033453547384938500600C3324352738273828也可以采用经验公式近似地估算回火温度。例

11、如45钢回火温度的经验公式为：T（C）200+K（60X）式中：K系数，当回火后要求的硬度值HRC30时，K=11；VHRC时，K=12。X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13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。调质：为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。三、实验设备及材料1、箱式电炉及控温仪表；2、洛氏硬度机；3、金相显微4、冷却介质：水、10%Nacl水溶液（使用温度约20C）；5、试样材料：45钢四、实验过程1、每人领取一块45钢试样2、将试样放进马弗炉中间位置，设置炉温为840C，温度到达后保温20min。3、准备冷却介质：水、10%Nacl水溶液（使用温度约20C）；5、关闭马弗炉电源，一半试样快速水冷却淬火，一半试样快速盐水冷却淬火6、拿出试样打磨氧化皮，抛光，腐蚀。7、观察金相显微组织，打硬度。8、分析实验数据。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