金屬材料及熱處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、金屬材料及熱處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué) 院： 專業(yè)班級(jí)： 姓  名： 學(xué)  號(hào)： 2015年5月29日45號(hào)鋼760水冷后的組織觀察及洛氏硬度測(cè)定目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理11.加熱溫度的選擇12.保溫時(shí)間的確定23.冷卻方法2三、實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備31.實(shí)驗(yàn)材料32.實(shí)驗(yàn)設(shè)備4四、實(shí)驗(yàn)步驟41試樣的熱處理42. 試樣硬度測(cè)定43. 顯微組織觀察與拍照記錄5五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析51.樣品硬度與顯微組織分析52.淬火溫度、淬火介質(zhì)對(duì)鋼組織和性能的影響63.合金元素對(duì)鋼的淬透性的影響74.碳含量對(duì)鋼的淬硬性的影響7六、結(jié)論81.淬火條件影響樣品的組織和性能。82.合金元素

2、影響樣品的組織和性能。83.碳元素影響樣品的組織和性能。8七、參考文獻(xiàn)8一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握碳鋼的常用熱處理（淬火及回火）工藝及其應(yīng)用。2. 研究加熱條件、保溫時(shí)間、冷卻條件與鋼性能的關(guān)系。3. 分析淬火及回火溫度對(duì)鋼性能的影響。4. 觀察鋼經(jīng)熱處理后的組織，熟悉碳鋼經(jīng)不同熱處理后的顯微組織及形態(tài)特征。5. 了解金相照相的攝影方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。二、 實(shí)驗(yàn)原理鋼的熱處理就是利用鋼在固態(tài)范圍內(nèi)的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能的一種操作。一般熱處理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。進(jìn)行熱處理時(shí)，加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻

3、方式是最重要的三個(gè)基本工藝因素。正確選擇這三者的規(guī)范，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 一般亞共析鋼加熱至Ac3+(2030)（完全退火）；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，改善高碳鋼的切削性能。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Accm +(3050)，即加熱到奧氏體單相區(qū)。退火和正火的加熱溫度范圍選擇見圖2.1。3) 淬火加熱溫度 一般亞共析鋼加熱至Ac3+(3050)；共析鋼和過共析鋼加熱至Ac1+(3050)，見圖2.2。鋼的成分，原始組織及加熱速度等皆影響到

4、臨界點(diǎn)的位置。在各種熱處理手冊(cè)或材料手冊(cè)中，都可以查到各種鋼的熱處理溫度。熱處理時(shí)不能任意提高加熱溫度，因?yàn)榧訜釡囟冗^高時(shí)，晶粒容易長大，氧化、脫碳和變形等都會(huì)變得比較嚴(yán)重。各種常用鋼的工藝規(guī)范見表2.1。4) 回火溫度的選擇 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（常常是根據(jù)硬度的要求）。按加熱溫度高低回火可分為三類：圖2.2 淬火的加熱溫度范圍 圖2.1 退火和正火的加熱溫度范圍 表2.1 常用鋼的工藝規(guī)范鋼號(hào)臨界點(diǎn)退火正火淬火AAA加熱溫度冷卻方式加熱溫度冷卻方式加熱溫度冷卻方式35724802850-880爐冷850-890空冷850-890水或鹽水4572478082

5、0-840爐冷830-880空冷820850水或鹽水T7-T12750770爐冷空冷780-800水或油T8A730730740-760爐冷760-780空冷750780水、硝鹽、堿浴T10A730800800750-770爐冷800-850空冷760790水、硝鹽、堿浴T12A730820820750-770爐冷850-870空冷760790水、硝鹽、堿浴a 低溫回火 在150250的回火稱為低溫回火，所得組織為回火馬氏體，硬度約為HRC60。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。低溫回火常用于高碳鋼的切削刀具、量具和滾動(dòng)軸承件。b 中溫回火 在350500的回火稱為中溫回火，

6、所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRC4048。其目的是獲得高的彈性極限，同時(shí)有高的韌性。主要用于含碳0.50.8%的彈簧鋼熱處理。c 高溫回火 在500650的回火稱高溫回火，所得組織為回火索氏體，硬度約為HRC2535。其目的是獲得既有一定強(qiáng)度、硬度，又有良好沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。所以把淬火后經(jīng)高溫回火的處理稱為調(diào)質(zhì)處理，用于中碳結(jié)構(gòu)鋼。2. 保溫時(shí)間的確定為了使工件內(nèi)外各部分溫度約達(dá)到指定溫度，并完成組織轉(zhuǎn)變，使碳化物溶解和奧氏體成分均勻化，必須在淬火加熱溫度下保溫一定的時(shí)間。通常將工件升溫和保溫所需時(shí)間算在一起，統(tǒng)稱為加熱時(shí)間。熱處理加熱時(shí)間必須考慮許多因素，例如工件的尺寸和形狀，使用

7、的加熱設(shè)備及裝爐量，裝爐時(shí)爐子溫度、鋼的成分和原始組織，熱處理的要求和目的等等。退火、正火保溫時(shí)間 實(shí)際工作中多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大致估算加熱時(shí)間。一般規(guī)定，在空氣介質(zhì)中，升到規(guī)定溫度后的保溫時(shí)間，對(duì)碳鋼來說，按工件厚度或直徑每毫米需一分鐘到一分半鐘估算；合金鋼按每毫米二分鐘估算。在鹽浴爐中，保溫時(shí)間則可縮短12倍。3. 冷卻方法熱處理時(shí)的冷卻方式要適當(dāng)，才能獲得所要求的組織和性能。退火一般采用隨爐冷卻。正火（?；┎捎每諝饫鋮s，大件可采用吹風(fēng)冷卻。淬火冷卻方法非常重要，一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應(yīng)盡量緩慢，以減少內(nèi)應(yīng)力，避免變形和開裂。為了解決上述矛盾，可

8、以采用不同的冷卻介質(zhì)和方法，使淬火工件在奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)（650550）快冷，超過臨界冷卻速度，而在Ms（300100）點(diǎn)以下溫度時(shí)冷卻較慢，理想的冷卻速度如圖2.3所示。常用淬火方法有單液淬火、雙液淬火（先水冷后油冷）、分級(jí)淬火、等溫淬火，如圖2.4所示。表2.3中列出了幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力。圖2.3 淬火時(shí)的理想冷卻曲線示意圖 圖2.4 各種淬火冷卻曲線示意圖表2.3幾種常用淬火劑的冷卻能力冷卻介質(zhì)冷卻速度/s冷卻介質(zhì)冷卻速度/s650550區(qū)間300200區(qū)間650550區(qū)間300200區(qū)間水（18）60027010%NaCl水溶液1100300水（26）50027010

9、%NaOH水溶液1200300水（50）10027010%Na2CO3水溶液800270水（74）3020010%Na2SO4水溶液750300肥皂水30200礦物油1503010%油水乳化液70200變壓器油12025三、 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備1. 實(shí)驗(yàn)材料試樣：直徑15mm，高度15mm的45鋼圓柱狀小試樣，化學(xué)成分見表3.1CSiMnCrNiSPCu不大于0.420.500.170.370.500.800.250.300.0350.0350.25表3. 1 45鋼化學(xué)成分表2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1) 熱處理加熱爐：箱式電阻爐（1300）2臺(tái)，箱型電阻爐（900）5臺(tái)；2) HR-1500洛式硬度計(jì)（洛

10、氏硬度C標(biāo)尺）；3) 金相顯微鏡及數(shù)碼照相系統(tǒng)磨光機(jī)及金相砂紙；4) 拋光機(jī)及拋光液；5) 浸蝕劑、酒精、玻璃器皿、竹夾子、脫脂棉、濾紙等；四、 實(shí)驗(yàn)步驟利用箱式電阻爐、洛式硬度計(jì)、金相顯微鏡對(duì)45鋼樣品進(jìn)行熱處理(淬火)、測(cè)硬度以及顯微組織觀察分析。本實(shí)驗(yàn)以得到鐵素體+馬氏體為目標(biāo)，需要經(jīng)過淬火工藝獲得良好的性能及符合要求的組織。1 試樣的熱處理淬火1) 加熱溫度 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)熱處理的目的和圖2.2、表2.1，本實(shí)驗(yàn)選擇淬火加熱溫度為7602) 保溫時(shí)間 本45號(hào)鋼樣品直徑為15mm的小圓柱體，高度與直徑相差不大。所以不單獨(dú)考慮升溫時(shí)間，取2min/mm，k取1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中的式子，計(jì)算得加

11、熱時(shí)間為30min。 3) 冷卻介質(zhì) 由45鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線可知，碳鋼的臨界冷卻速度很大，應(yīng)選用具有較強(qiáng)冷卻能力（見表4.1 常用冷卻介質(zhì)的冷卻直徑）的水作為冷卻介質(zhì)，才能避免冷卻曲線與C曲線相交，得到馬氏體組織。已查得45鋼淬火臨界直徑如表4.1所示，選擇水作為淬火冷卻介質(zhì)能保證15mm圓柱樣品被淬透。淬火介質(zhì)靜油20水40水20 5%NaCl 水溶液臨界直徑（mm）10201621.5表4.1 常用冷卻介質(zhì)的冷卻直徑具體操作：把樣品放入箱式電阻爐（型號(hào)SRJX-4-13）內(nèi)恒溫區(qū)的耐火磚上，調(diào)節(jié)加熱溫度，待測(cè)溫儀顯示為760時(shí)開始計(jì)時(shí)，保溫30min后，用火鉗夾出樣品迅速放入冷水槽中并

12、劇烈攪拌，使樣品能淬透。2. 試樣硬度測(cè)定將冷卻至接近室溫的試樣在砂輪機(jī)上打磨，去掉表面氧化皮。用60#砂紙將試樣表面磨平，再依次使用150#、240#、400#、600#、800#砂紙打磨。然后，將樣品放在洛式硬度計(jì)的載物臺(tái)上，采用洛式硬度C標(biāo)尺測(cè)量樣品硬度（硬度計(jì)壓頭為金剛石，量程2070HRC，加載載荷為150kg）。在試樣上不同位置取兩個(gè)點(diǎn)，第一個(gè)點(diǎn)不計(jì)入數(shù)據(jù)，第二個(gè)點(diǎn)計(jì)入數(shù)據(jù)3. 顯微組織觀察與拍照記錄3.1樣品的制備1) 樣品的磨光。用一套金相砂紙（包括60#，150#，240#，400#，600#，800#）在玻璃板上先粗后細(xì)逐號(hào)磨光。注意每換上一號(hào)細(xì)一些的砂紙時(shí)，將磨光方向轉(zhuǎn)換

13、90°，以便于觀察原磨痕的消除情況。最后，將樣品在磨光機(jī)上用1200#砂紙磨光，注意手持樣品應(yīng)用力均勻，用力也不宜過大。2) 樣品的拋光。樣品在金相樣品拋光機(jī)上細(xì)拋，使樣品表面達(dá)到光亮如鏡的光潔度。3) 顯微組織的顯示將拋光好的樣品，直接在顯微鏡下觀察，應(yīng)基本上沒有磨痕和磨坑，而無法觀察到晶界、各類相和組織。本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)浸蝕法，將浸蝕液（4%硝酸酒精）和純酒精各倒入一個(gè)玻璃器皿中，用竹夾子夾脫脂棉、蘸浸蝕液在樣品表面擦試，當(dāng)光亮鏡面呈淺灰白色，立即用水沖洗，并用酒精擦洗后經(jīng)吸水紙吸干。4) 顯微組織的觀察與記錄制備好的樣品用顯微鏡在40400倍不同放大倍數(shù)下觀察組織，體會(huì)放大倍數(shù)的

14、不同對(duì)組織觀察的影響。選擇合適的放大倍數(shù)利用數(shù)碼照相系統(tǒng)對(duì)45鋼樣品進(jìn)行數(shù)碼照相。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1. 樣品硬度與顯微組織分析45鋼760鐵素體+馬氏體組織如圖5.1所示。圖5.1 45鋼760淬火的顯微組織測(cè)得該樣品硬度為49.6HRC。根據(jù)其硬度和微觀組織形貌可以判斷，生成了鐵素體+馬氏體。因此，實(shí)驗(yàn)制定的熱處理工藝能得到要求的顯微組織，且硬度實(shí)驗(yàn)值也與手冊(cè)符合得較好。2. 淬火溫度、淬火介質(zhì)對(duì)鋼組織和性能的影響以下以45鋼為例，結(jié)合實(shí)驗(yàn)小組其他成員樣品熱處理工藝的顯微組織和硬度測(cè)量值（表5.1 45鋼不同處理工藝后硬度），分析淬火溫度、淬火介質(zhì)對(duì)鋼組織和性能的影響。顯微組織粗晶馬氏體

15、細(xì)晶馬氏體鐵素體+馬氏體屈氏體網(wǎng)+馬氏體硬度/HRC44.554.860.349.624.8擬用工藝1000、30min、水冷860、30min、水冷760、30min、水冷860、30min、油冷表5.1 45鋼不同處理工藝后硬度測(cè)量值2.1 淬火溫度的影響45鋼的淬火加熱溫度應(yīng)在Ac3以上3050，淬火溫度選860可得細(xì)而均勻的奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。若在Ac3以上過高溫度如1000加熱，會(huì)使奧氏體晶粒粗化，淬火后馬氏體粗大，脆性增大，硬度下降，粗晶馬氏體的硬度反而比細(xì)晶馬氏體的硬度高。若在Ac1 Ac3之間的兩相區(qū)加熱，如770淬火后，高硬度的馬氏體中混雜有低硬度的鐵素體

16、，造成硬度不足（見表 5.2），力學(xué)性能降低。2.2 淬火介質(zhì)的影響常用淬火介質(zhì)及其冷卻能力如表 5.2 常用淬火介質(zhì)及其冷卻能力所示，可知水具有較大的冷卻能力，但在低溫區(qū)冷卻速度太快，工件容易淬裂，另外水冷卻能力對(duì)溫度變化敏感，水溫升高，冷卻能力急劇下降。油全程冷卻速度均比水小，在低溫區(qū)冷卻速度合適，但在高溫區(qū)冷卻能力卻很低。淬火介質(zhì)冷卻速度（/s）在 650550區(qū)間在 300200區(qū)間水（18） 600 270水（26） 500 270水（50） 100 270礦質(zhì)機(jī)油 10020表 5.2 常用淬火介質(zhì)及其冷卻能力碳鋼的臨界冷卻速度大，一般采用冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)如水，才能得到全部為

17、馬氏體的顯微組織。若選用油作為淬火介質(zhì)，由于其冷卻速度小，冷卻曲線會(huì)與CCT曲線“鼻尖” 處相交，轉(zhuǎn)變過程得到小部分屈氏體組織，因屈氏體沿原奧氏體晶界形核析出，并連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，室溫下得到屈氏體網(wǎng)+馬氏體顯微組織，使強(qiáng)度降低，硬度明顯下降（見表5.1 45鋼不同處理工藝后硬度測(cè)量值）。3. 合金元素對(duì)鋼的淬透性的影響淬透性是指奧氏體化后的鋼接受淬火的能力，其大小用一定條件下淬火時(shí)鋼的淬透層深度來表示，主要取決于鋼的臨界冷卻速度的大小。比較45鋼和40CrNi鋼的淬透性曲線，在相同的淬火介質(zhì)下，40CrNi鋼的臨界淬火直徑明顯大于45鋼。這兩種鋼樣的碳含量相差不大，而對(duì)于40CrNi鋼，加入的Cr

18、、Ni合金元素溶入奧氏體后，Cr為中強(qiáng)碳化物，會(huì)提高C原子的擴(kuò)散激活能，同時(shí)Ni還能提高原子的結(jié)合能，抑制了的轉(zhuǎn)變。由于合金元素的擴(kuò)散速度很緩慢，降低了原子擴(kuò)散速度，使過冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，馬氏體臨界冷卻速度變小，臨界淬火直徑增大，因此，合金元素能增大鋼的淬透性。4. 碳含量對(duì)鋼的淬硬性的影響以45鋼和T8鋼為例分析碳含量對(duì)鋼的淬硬性的影響。淬硬性是指鋼在淬火后能夠達(dá)到的最高硬度，主要與鋼的含碳量有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)45鋼和T8鋼正常淬火得到細(xì)小馬氏體組織后，測(cè)其硬度值分別為49.6和53.0HRC。比較這兩數(shù)據(jù)可知，隨著鋼的含碳量增加，淬硬性增強(qiáng)。因?yàn)殇摯慊鸬玫降慕M織為馬氏體，馬氏體的硬度主要取決于含碳量，隨碳含量的增加，馬氏體的硬度增大，這主要是由于碳的固溶強(qiáng)化作用，另外，隨碳含量的增加