工程材料實(shí)驗(yàn)二碳鋼的熱處理及硬度測(cè)試(發(fā)送)(1)

1、碳鋼的熱處理及硬度測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解碳鋼的熱處理工藝規(guī)程，并能動(dòng)手操作簡(jiǎn)單的熱處理工藝。2、分析碳鋼在熱處理時(shí)：1）含碳量對(duì)淬火硬度的影響；2）不同的冷卻速度對(duì)鋼的組織與性能的影響；3）不同的回火溫度對(duì)淬火鋼組織和性能的影響。3、了解金屬材料的硬度測(cè)試方法。二、預(yù)習(xí)內(nèi)容1、 鋼的淬火。所謂淬火就是將鋼加熱到 Ac3（亞共析鋼）或Ac1 (過(guò)共析鋼)以上3050，保溫后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中（ V冷應(yīng)大于V臨 ），以獲得馬氏體組織。碳鋼經(jīng)淬火后的組織由馬氏體及一定數(shù)量的殘余奧氏體所組成。為了正確地進(jìn)行鋼的淬火，必須考慮下列三個(gè)重要因素：淬火加熱的溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。（1）淬火溫度的

2、選擇選定正確的加熱溫度是保證淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。淬火時(shí)的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，可根據(jù) 相圖確定（如圖1所示）。對(duì)亞共析鋼，其加熱溫度為 3050，若加熱溫度不足（低于），則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體而造成強(qiáng)度及硬度的降低。對(duì)過(guò)共析鋼，加熱溫度為 3050，淬火后可得到細(xì)小的馬氏體與粒狀滲碳體。后者的存在可提高鋼的硬度和耐磨性。圖1（2）保溫時(shí)間的確定     淬火加熱時(shí)間是將試樣加熱到淬火溫度所需的時(shí)間及在淬火溫度停留保溫所需時(shí)間的總和。加熱時(shí)間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所需的加熱介質(zhì)及加熱方法等因素有關(guān)，一般可按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，碳鋼在電爐中

3、加熱時(shí)間的計(jì)算如表1所示。表1 碳鋼在箱式電爐中加熱時(shí)間的確定 加 熱溫度()工 件 形 狀圓 柱 形方 形板 形保 溫 時(shí) 間分鐘/每毫米直徑分鐘/每毫米厚度分鐘/每毫米厚度7001.52.238001.01.529000.81.21.610000.40.60.83）冷卻速度的影響冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它直接影響到鋼淬火后的組織和性能。冷卻時(shí)應(yīng)使冷卻速度大于臨界冷卻速度，以保證獲得馬氏體組織；在這個(gè)前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減少鋼中的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂。為此，可根據(jù)C曲線圖（如圖2所示），使淬火工作在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650550）進(jìn)行快冷（即與C曲線的“鼻尖”相切），而在較

4、低溫度（300100）時(shí)冷卻速度則盡可能小些。  為了保證淬火效果,應(yīng)選用合適的冷卻方法（如雙液淬火、分級(jí)淬火等）.不同的冷卻介質(zhì)在不同的溫度范圍內(nèi)的冷卻速度有所差別。各種冷卻介質(zhì)的特性見(jiàn)表2. 圖2 表2幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力冷卻介質(zhì)在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度（/秒）65055030020018的水60027050的水10027010NaCl水溶液（18）110030010NaoH水溶液（18）120030010NaoH水溶液（18）800270蒸餾水（50）250200硝酸鹽（200）35010菜籽油（50）20035礦務(wù)機(jī)油（50）15030變壓器油（50）120

5、252、鋼的回火  鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織硬而脆，并且工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如果直接進(jìn)行磨削加工往往會(huì)出現(xiàn)龜裂；一些精密的零件在使用過(guò)程中將會(huì)由于變形引起尺寸變化而失去精度，甚至開(kāi)裂。因此鋼淬火后必須進(jìn)行回火處理。不同的回火工藝可以使鋼獲得所需的性能。低溫回火，工件在150-250進(jìn)行的回火，目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應(yīng)力和脆性回火后得到回火馬氏體，指淬火馬氏體低溫回火時(shí)得到的組織。力學(xué)性能：58-64HRC，高的硬度和耐磨性。應(yīng)用范圍：主要應(yīng)用于各類(lèi)高碳鋼的工具、刃具、量具、模具、滾動(dòng)軸承、滲碳及表面淬火的零件等。中溫回火，工件在350-50

6、0 之間進(jìn)行的回火。目的是得到較高的彈性和屈服點(diǎn)，適當(dāng)?shù)捻g性?；鼗鸷蟮玫交鼗鹎象w，指馬氏體回火時(shí)形成的鐵素體基體內(nèi)分布著極其細(xì)小球狀碳化物（或滲碳體）的復(fù)相組織。力學(xué)性能：35-50HRC，較高的彈性極限、屈服點(diǎn)和一定的韌性。應(yīng)用范圍：主要用于彈簧、發(fā)條、鍛模、沖擊工具等。高溫回火，工件在500-650以上進(jìn)行的回火。目的是得到強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能?；鼗鸷蟮玫交鼗鹚魇象w，指馬氏體回火時(shí)形成的鐵素體基體內(nèi)分布著細(xì)小球狀碳化物（包括滲碳體）的復(fù)相組織。力學(xué)性能：25-35HRC，較好的綜合力學(xué)性能。應(yīng)用范圍：廣泛用于各種較重要的受力結(jié)構(gòu)件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類(lèi)零件等。幾種常見(jiàn)

7、碳鋼回火后硬度值（HRC）見(jiàn)下表3表3 各種不同溫度回火后的硬度值（HRC）回火溫度（）45鋼T8鋼T10鋼T12鋼15020060546460646265622003005450605562566257300400504055455647574940050040334535473849385006003324352738273828注：由于具體處理?xiàng)l件不同，上述數(shù)據(jù)僅供參考。也可以采用經(jīng)驗(yàn)公式近似地估算回火溫度。例如45鋼回火溫度的經(jīng)驗(yàn)公式為：T（）200K（60）    式中：K系數(shù)，當(dāng)回火后要求的硬度值HRC30時(shí)，K=11；HRC時(shí)，K=12。&

8、#160;       所要求的硬度值（HRC）。     保溫時(shí)間：回火保溫時(shí)間與工件材料、尺寸及工藝條件等因素有關(guān)，通常采用13小時(shí)。由于實(shí)驗(yàn)所用試樣較小，故回火保溫時(shí)間可為30分鐘，回火后在空氣中冷卻。3、洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)常用的壓頭有兩種：一種是頂角為120的金剛石圓錐，另一種是直徑為1/16吋（1.588mm）的淬火鋼球。據(jù)金屬材料軟硬程度不同，可選用不同的壓頭和負(fù)荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。這三種壓頭、負(fù)荷及應(yīng)用范圍可參考表4。表4洛氏硬度實(shí)驗(yàn)的壓頭、

9、載荷數(shù)和適用范圍符號(hào)壓頭負(fù)荷（kgf）硬度值有效范圍使用范圍HRA120º金剛石圓錐60>70使用測(cè)量硬度質(zhì)合金、表面淬火層、滲碳層HRB1/16鋼球10025100（HB60230）使用測(cè)量有色金屬、退火及正火鋼HRC120º金剛石圓錐1502067（HBC230700）使用測(cè)量調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼洛氏硬度同布氏硬度一樣，也屬壓入硬度法，但它不是測(cè)定壓痕面積，而是根據(jù)壓痕深度來(lái)確定硬度值指標(biāo)。其試驗(yàn)原理如圖3所示。圖3洛氏硬度值的計(jì)算公式如下： 式中：h1預(yù)加載荷壓入試樣的深度（）； H3卸除主載荷后壓入試樣的深度（）； K常數(shù)，采用金剛石圓錐時(shí)，K為0.2（用于HRA、

10、HRC），采用鋼球時(shí)，K為0.26(用于HRB)。因此，上式可改為： THR150D數(shù)顯洛氏硬度計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖4圖4測(cè)定洛氏硬度的技術(shù)要求（1）根據(jù)被測(cè)金屬材料的硬度高低，按表4選定壓頭和載荷。（2）試樣表面應(yīng)平整光潔，不得有氧化皮或油污以及明顯的加工痕跡。（3）試樣厚度應(yīng)不小于壓入深度的10倍。（4）兩相鄰壓痕及壓痕離試樣邊緣的距離均不應(yīng)小于3。（5）加載時(shí)，力的作用線必須垂直于試樣表面。硬度計(jì)的使用方法：以THR150D數(shù)顯洛氏硬度計(jì)為例。（1）打開(kāi)電源。（2）選擇合適的載荷及壓頭，設(shè)置標(biāo)尺換算，保荷時(shí)間等參數(shù)。（實(shí)驗(yàn)中可直接采用默認(rèn)設(shè)置）（3）清潔載物臺(tái)，將需要測(cè)試的實(shí)驗(yàn)鋼塊放置在載物臺(tái)上

11、，注意測(cè)試面朝上，鋼號(hào)面朝下。（4）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使載物臺(tái)上升，上升的過(guò)程中注意調(diào)整鋼塊的位置，不能測(cè)重復(fù)的位置，也不要太接近試樣的邊緣。使試樣慢慢無(wú)沖擊地與壓頭接觸，直至硬度計(jì)顯示屏顯示580為止，此時(shí)已施加98.07N的初試驗(yàn)力，蜂鳴器短響。人為操作完成。注意當(dāng)載物臺(tái)上升速度過(guò)快，顯示值超過(guò)610時(shí)，蜂鳴器長(zhǎng)響，提示操作錯(cuò)誤，應(yīng)下降試臺(tái)，改換測(cè)點(diǎn)位置再測(cè)試。（5）等待自動(dòng)施加主試驗(yàn)力，當(dāng)總試驗(yàn)力保持一定時(shí)間后（默認(rèn)設(shè)定為5秒），自動(dòng)卸除主試驗(yàn)力，保留初試驗(yàn)力，蜂鳴器短響，顯示屏的數(shù)值即為被測(cè)試件的硬度值。（6）記錄下顯示屏中的HRC值。然后降低載物臺(tái)，更換測(cè)試位置，每個(gè)鋼塊測(cè)試3個(gè)不同的位

12、置并記錄。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1、實(shí)驗(yàn)用箱式電阻加熱爐四臺(tái)（附測(cè)溫控溫裝置）：1）SRX39型加熱爐一臺(tái)；2）SRX29型加熱爐一臺(tái)；3）SX22.510型加熱爐一臺(tái)；4）SX2413型加熱爐一臺(tái)。2、THR150D數(shù)顯洛氏硬度計(jì)一臺(tái)。3、冷卻劑：水，10號(hào)機(jī)油（使用溫度約20）。4、熱處理工藝其他耗材等 。5、實(shí)驗(yàn)試樣：45鋼、T8鋼、T10鋼各4塊。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、學(xué)生分成45，T8和T10三個(gè)大組，分別負(fù)責(zé)三種鋼塊的淬火和回火處理，并指定一名組長(zhǎng)負(fù)責(zé)匯總整理數(shù)據(jù)。2、分組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容指導(dǎo)：1）45組學(xué)生將4塊45鋼試樣加熱到840，T8/T10組學(xué)生將4塊T8/T10鋼試樣加熱到770保

13、溫20分鐘，然后其中2塊進(jìn)行水冷，1塊油冷，1塊空冷，其后，分別測(cè)定它們的硬度，并將數(shù)據(jù)記錄到表格（其中表一中記錄平均硬度值較高的一塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）。淬火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與整理試樣材料熱處理工藝參數(shù)硬度值HRC鋼號(hào)尺寸（）加熱溫度（）保溫時(shí)間（min）冷卻方式第1次第2次第3次平均值空冷油冷水冷根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明鋼加熱到奧氏體狀態(tài)后，不同的冷卻速度對(duì)鋼的組織與性能的影響。2）各組將3塊測(cè)完硬度的水冷的鋼塊分別放入200，600的電爐中回火20分鐘?；鼗鸷蟮睦鋮s，一般可用空冷。其后，分別測(cè)定回火后試樣的硬度，并將數(shù)據(jù)記錄到表格。回火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與整理試樣材料回火工藝參數(shù)硬度值HRC顯微組織鋼號(hào)回火前硬度HRC加熱溫度（）保溫時(shí)間（min）冷卻介質(zhì)第1次第2次第3次平均值200600根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，