碳鋼的熱處理工藝對(duì)組織與性能的影響

1、實(shí)驗(yàn)三 碳鋼的熱處理工藝對(duì)組織與性能的影響一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解碳鋼熱處理工藝操作。2. 學(xué)會(huì)使用洛氏硬度計(jì)測(cè)量材料的硬度性能值。3. 掌握熱處理后鋼的金相組織分析。4. 探討淬火溫度、淬火冷卻速度、回火溫度對(duì) 45 和 T12 鋼的組織和性能（硬度）的影響。5. 鞏固課堂教學(xué)所學(xué)相關(guān)知識(shí)，體會(huì)材料的成分-工藝 -組織 -性能之間關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 45 和 T12 鋼試樣淬火、回火操作，用洛氏硬度計(jì)測(cè)定試樣熱處理前后的硬度。工藝規(guī) 范見(jiàn)表 61。2. 制備并觀察標(biāo) 62 所列樣品的顯微組織。3. 觀察幻燈片或金相圖冊(cè)，熟悉鋼熱處理后的典型組織：上貝氏體、下貝氏體、片狀馬氏 體、條狀馬氏體

2、、回火馬氏體等的金相特征。三、概述1 淬火、回火工藝參數(shù)的確定 。Fe Fe3C狀態(tài)圖和 C曲線是制定碳鋼熱處理工藝的重要依據(jù)。熱處理工藝參數(shù)主要 包括加熱溫度，保溫時(shí)間和冷卻速度。（1）加熱溫度的確定淬火加熱溫度決定鋼的臨界點(diǎn)，亞共析鋼，適宜的淬火溫度為Ac3以上3050 C,淬火后的組織為均勻而細(xì)小的馬氏體。如果加熱溫度不足（<Ac3），淬火組織中仍保留一部分原始組織的鐵素體，造成淬火硬度不足。過(guò)共析鋼，適宜的淬火溫度為 Aci以上3050C,淬火后的組織為馬氏體十二次滲碳體 （分布在馬氏體基體內(nèi)成顆粒狀） 。二次滲碳體的顆粒存在，會(huì)明顯增高鋼的耐磨性。而且 加熱溫度較Acm低，這樣

3、可以保證馬氏體針葉較細(xì)，從而減低脆性?；鼗饻囟?，均在Aci以下，其具體溫度根據(jù)最終要求的性能 （通常根據(jù)硬度要求） 而定。（2）加熱，保溫時(shí)間的確定加熱、 保溫的目的是為了使零件內(nèi)外達(dá)到所要求的加熱溫度，完成應(yīng)有的組織轉(zhuǎn)變。 加熱、保溫時(shí)間主要決定于零件的尺寸、形狀、鋼的成分、原始組織狀態(tài)、加熱介質(zhì)、零件的 裝爐方式和裝爐量以及加熱溫度等。 本試驗(yàn)用圓形薄片試樣， 在馬福電爐中加熱， 加熱溫度 在800900 C之間，按直徑每毫米保溫一分鐘計(jì)算。回火加熱保溫時(shí)間， 應(yīng)與回火溫度結(jié)合起來(lái)考慮， 一般來(lái)說(shuō)， 低溫回火時(shí)， 由于所得組 織并不是穩(wěn)定的， 內(nèi)應(yīng)力消除也不充分， 為了使組織和內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定，

4、 從而使零件在使用過(guò)程 中性能與尺寸穩(wěn)定，所以回火時(shí)間要長(zhǎng)一些，不少于 1.52 小時(shí)。高溫回火時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)， 過(guò)長(zhǎng)會(huì)使鋼過(guò)分軟化，有的鋼種甚至造成嚴(yán)重的回火脆性，一般在0.51 小時(shí)。本試驗(yàn)淬火后的試樣分別不同溫度回火（見(jiàn)表 6 2），保溫時(shí)間均在 1 小時(shí)內(nèi)。（3）冷卻介質(zhì)冷卻介質(zhì)是影響鋼最終獲得組織與性能的重要工藝參數(shù)，同一種碳鋼， 在不同冷卻介質(zhì)中冷卻時(shí)， 由于冷卻速度不同， 奧氏體在不同溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變，并得到不同的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。淬 火介質(zhì)主要根據(jù)所要求的組織和性能來(lái)確定。常用的介質(zhì)有水、鹽水、油、空氣等。對(duì)碳鋼 而言， 退火常采用隨爐緩慢冷卻，正火為空氣中冷卻，淬火為在水或鹽水中冷卻，回

5、火為在 空氣中冷卻。2基本組織的金相特征碳鋼經(jīng)退火、正火后可得到平衡組織，淬火后則得到各式各樣的不平衡組織，這樣，在研究鋼熱處理后的組織時(shí)，不僅要參考鐵碳狀態(tài)圖和 C曲線，從而還要熟悉以下基本組織 的金相特征。 索氏體 ：是鐵素體與片狀滲碳體的機(jī)械混合物。片層分布比珠光體細(xì)密，在高倍（700 X左右）顯微鏡下才能分辨出片層狀。 屈氏體 ：也是鐵素體與片狀滲碳體的機(jī)械混合物。片層分布比索實(shí)體更細(xì)密，在 一般光學(xué)顯微鏡下無(wú)法分辨， 只能看到黑色組織如墨菊狀。 當(dāng)起少量析出時(shí)， 沿晶界分布呈 黑色網(wǎng)狀包圍馬氏體； 當(dāng)析出量較多時(shí)， 則成大塊黑色晶粒狀。 只有在電子顯微鏡下才能分 辨其中的片層狀。層片

6、愈細(xì)，則塑性變形的抗力愈大，強(qiáng)度及硬度愈高，另一方面，塑性及 韌性則有所下降。 貝氏體 ：從金相形態(tài)看，貝氏體主要有三種形態(tài)，即羽毛狀上貝氏體和針狀下貝 氏體、粒狀貝氏體。（ a）上貝氏體基本特征：條狀鐵素體大致平行排列，在鐵素體條間分布與鐵素體條軸相平行的條狀滲碳體。 同時(shí)鐵素體條內(nèi)有較高的位錯(cuò)密度。 （照片 63，參照照片 123） 在上貝氏體中， 滲碳體條間距決定與鐵素體條的寬度， 通常比珠光體的片間距大， 且滲碳體 的分布是斷斷續(xù)續(xù)的。 上貝氏體的強(qiáng)度較低， 同時(shí)由于在鐵素體條間存在有狹長(zhǎng)的碳化物沉 淀，使條間易于斷裂，故生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免這一組織產(chǎn)生。（ b）下貝氏體：黑色針狀，有一定

7、取向，比淬火馬氏體易腐蝕，極相似于回火馬氏體。下貝氏體特征： 針狀鐵素體內(nèi)沉淀有碳化物， 碳化物的趨向與鐵素體的長(zhǎng)軸成 5560°。 （照片 64，照片 124）（ c） 粒狀貝氏體 ：在低中碳合金鋼中，特別是連續(xù)冷卻時(shí)（如正火、熱軋空冷或 焊接熱影響區(qū)） 往往出現(xiàn)這種組織， 在等溫冷卻時(shí)也可能形成。 其形成溫度在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)的 較高溫度。是由鐵素體和它所包圍的小島狀組織所組成。島狀組織剛形成時(shí)為富碳奧氏體， 隨后的轉(zhuǎn)變可以有三種情況： 分解為鐵素體和碳化物； 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變； 仍然保持為富碳的 奧氏體。（照片 6 5） 馬氏體：所謂馬氏體就是碳在a -Fe中的過(guò)飽和固溶體。馬氏體組織

8、 形態(tài)按其碳含量的高低分為兩種，即板條狀馬氏體和片狀馬氏體。（ a） 板條狀馬氏體： 一般低碳鋼或低碳合金鋼淬火后得到板條狀馬氏體組織。 其組 織特征： 尺寸大致相同的細(xì)馬氏體條定向平行排列組成馬氏體束或馬氏體領(lǐng)域。在領(lǐng)域與領(lǐng)域之間位向差較大， 一顆原始的奧氏體晶粒內(nèi)可形成幾個(gè)不同的馬氏體領(lǐng)域。條狀馬氏體具有較低的硬度，好的韌性。 （照片 61，照片 121）（b）片狀馬氏體： 含炭量較高的鋼中淬火后馬氏體成片狀 （針狀、透鏡狀、 竹葉狀）存在。 它區(qū)別于條狀馬氏體的主要特征是： 條狀馬氏體中毗鄰的一根根馬氏體是平行的、 長(zhǎng) 度大致相同的狹條； 而在片狀馬氏體中片間不互相平行， 在一個(gè)奧氏體晶

9、粒內(nèi)形成的第一片 馬氏體較粗大， 往往橫穿整個(gè)奧氏體晶粒， 將奧氏體晶粒加以分割， 使以后形成的馬氏體片 的大小受到限制。 因此片狀馬氏體的大小不一。 同時(shí)有些馬氏體有一條中脊面， 并在馬氏體 片周圍有殘留奧氏體存在。 （照片 62，照片 122） 片狀馬氏體具有高的硬度，低的韌性。 回火馬氏體：片狀馬氏體經(jīng)低溫回火（150250C）后，得到回火馬氏體。它仍 具有針狀特征， 由于有極小的碳化物析出使回火馬氏體極易浸蝕， 所以在光學(xué)顯微鏡下， 顏 色比淬火馬氏體深。 （照片 66） 回火屈氏體：淬火鋼在中溫回火（350500C）后，得到回火屈氏體組織。其金相特征是：原來(lái)?xiàng)l狀或片狀馬氏體的形態(tài)仍基

10、本保持，第二相析出在其上。回火屈氏體中的滲碳體顆粒很細(xì)小，以至在光學(xué)顯微鏡下難以分辨，用電鏡觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)滲碳體已明顯長(zhǎng)大。（照片67） 回火索氏體：淬火鋼在高溫回火（500650C）回火后得到回火索氏體組織。它 的金相特征是：鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體。 碳鋼調(diào)質(zhì)后回火索氏體中的鐵素體已成 等軸狀，一般已沒(méi)有針狀形態(tài)。 （照片6 8）必須指出：回火屈氏體、回火索氏體是淬火馬氏體回火時(shí)的產(chǎn)物，它的滲碳體是顆粒狀的，且均勻的分布在a相基體上；而屈氏體、索氏體是奧氏體過(guò)冷時(shí)直接形成，它的滲碳體是呈片層狀?；鼗鸾M織較淬火組織在相同硬度下具有較高的塑性及韌性。四、方法指導(dǎo)1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備45、T12

11、鋼試樣，尺寸分別為馬福電爐。洛氏硬度計(jì)。?10X 15 伽、?10X 12 伽。淬火水槽、油槽各一只。砂紙、玻璃板、拋光機(jī)等金相制鐵絲、鉗子。樣設(shè)備，按表62已制備好金金相顯微鏡。相試樣一套。2 .實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前應(yīng)仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（包括附錄四預(yù)習(xí)洛氏硬度計(jì)的原理、構(gòu)造及操作），明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、任務(wù)。全班分兩大組，第一組：學(xué)號(hào) 21號(hào)以前同學(xué)12人；第二組：其余學(xué)好同學(xué)12人，各組，每人均完成以下表列內(nèi)容之一。組織觀察在普通顯微鏡上進(jìn)行，確定后再貸數(shù)據(jù)采集的顯微鏡上各人保存成電子文檔。（1）熱處理與性能（硬度）測(cè)試表6 1 實(shí)驗(yàn)方案材料編號(hào)熱處理工藝硬度 HRC最終組織加熱溫度c

12、冷卻方 法回火溫度c處理前處理后451860爐冷2860空冷3860油冷4860水冷5860水冷2006860水冷4007860水冷6008750水冷T129900爐冷10900空冷11900水冷12780水冷13780水冷200注意事項(xiàng)： 按組每人領(lǐng)取已編好號(hào)碼的試樣一塊 ,扎好鐵絲 ,按表 6 1 中規(guī)定條件進(jìn)行處 理。 各試樣處理的加熱爐已預(yù)先開好， 注意選用合適的加熱溫度。 試樣加熱時(shí)， 應(yīng) 盡量靠近加熱電偶端點(diǎn)附近， 以保證熱電偶測(cè)出的溫度盡量接近式樣溫度。 開 爐門放試樣時(shí)要停電。 當(dāng)試樣顏色和爐膛顏色一致時(shí)，開始計(jì)算保溫時(shí)間，保溫 10 分鐘后，立即取 出正火或淬火。淬火槽應(yīng)盡量靠近爐門，鉗子不許直接夾試樣，操作要迅速， 并攪動(dòng)試樣，否則有可能淬不硬。試樣出爐開爐門時(shí)也應(yīng)停電。 試樣經(jīng)處理后， 必須用紗布磨去氧化皮， 擦凈，然后在洛氏硬度計(jì)上測(cè)硬度值。 進(jìn)行回火操作的同學(xué)，將正常淬火的試樣，測(cè)定淬火后的硬度值，再按表 6 1 中所指定的溫度回火，保溫一小時(shí)，回火后再測(cè)硬度值。 每位同學(xué)把自己測(cè)出的硬度數(shù)據(jù)填入預(yù)先畫好的