材料科學(xué)基礎(chǔ)綜合實驗

1、實驗五材料科學(xué)基礎(chǔ)綜合性實驗一、實驗?zāi)康牧私馓间摰幕緹崽幚恚ㄍ嘶?、正火、淬火及回火）工藝方法。研究冷卻條件對碳鋼硬度的影響。觀察和研究碳鋼經(jīng)不同條件淬火熱處理后顯微組織變化了解淬火熱處理工藝對碳鋼硬度的影響。二、實驗原理1退火：是將鋼件加熱到Ac1或Ac3以上（30-50C）定溫度并保溫一段時間，奧實體化后，使它慢慢冷卻，得到接近平衡組織的熱處理工藝稱為退火。鋼的退火是將鋼加熱到發(fā)生相變或部分相變的溫度，經(jīng)過保溫后緩慢冷卻的熱處理方法。退火的目的，是為了消除組織缺陷，改善組織使成分均勻化以及細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能，減少殘余應(yīng)力；同時可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。所以退火既

2、為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，又為后續(xù)工序作好準(zhǔn)備，故退火是屬于半成品熱處理，又稱預(yù)先熱處理。生產(chǎn)上常用的退火操作種類（1）完全退火（俗稱退火）：主要用于亞共橋鋼和合金鋼的鑄件、鍛件及熱軋型材，有的也用做焊接結(jié)構(gòu)件，其目的是細(xì)化晶粒，改善組織，消除殘余應(yīng)力，降低硬度、提高塑性，改善切削加工性能，完全退火是一種時間很長的退火工藝，為了縮短其退火時間，目前常采用等溫火（冷至500-600空冷）的工藝來取代完全退火工藝，同完全退火比較，等溫火的目的與完全退火相同，但它大大縮短了退火時間。（2）球化退火：主要用于過共析鋼及合金工具鋼（如刀具、量具、模具以及軸承等所有鋼種）。其目的主要是

3、降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火作好準(zhǔn)備。（3）去應(yīng)力退火（又稱低溫退火）主要用來消除鑄件、鍛件及焊接件、熱軋件等內(nèi)應(yīng)力。（4）再結(jié)晶退火：用來消除冷加工（冷拉、冷沖、冷軋等）產(chǎn)生的加工硬化。目的是消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性，改善組織。（5）擴散退火：主要用于合金鋼，特別是合金鋼的鑄件和鋼錠。目的是利用高溫下原子具有較大的擴散能力來減輕或消除鋼中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。100*00圖11/d+聃匚q70060丟應(yīng)力500800700喝20.40-60,SL01r2C.%5）加熱飆玻范園完全退火/：J人化退火110Q1000900正火：是將鋼件加熱到Ac3或Acm以上（30-50C），保溫一定時間

4、，使鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。它能消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對于亞共析鋼正火可細(xì)化晶格，提高綜合力學(xué)性能，對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經(jīng)濟的退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。1、鋼的淬火所謂淬火就是將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Acl（過共析鋼）以上3050C，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。為了正確地進行鋼的淬火，必須考慮下列三個重要因素：淬火加熱的溫度、保溫時間和冷卻速度（1）淬火溫度的選

5、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)。淬火時的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，可根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定（如圖4所示）。對亞共析鋼，其加熱溫度為Ac3+3050C，若加熱溫度不足（低于Ac3），則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體而造成強度及硬度的降低。對過共析鋼，加熱溫度為Acl+3050C，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。（2）保溫時間的確定淬火加熱時間是將試樣加熱到淬火溫度所需的時間及在淬火溫度停留保溫所需時間的總和。加熱時間與鋼的成分、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)驗公式來估算，碳鋼在電爐中加熱時間的計算如表1所示

6、。表1碳鋼在箱式電爐中加熱時間的確定加熱溫度（C）工件形狀圓柱形方形板形保溫時間分鐘/每毫米直徑分鐘/每毫米厚度分鐘/每毫米厚度7001.52.238001.01.529000.81.21.610000.40.60.8（3）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，防止變形和開裂。為此，可根據(jù)C曲線圖（如圖2所示），使淬火工作在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650550C）進行快冷（即與C曲線的“鼻尖”相切），而在較低溫度（300100C）時冷卻速度則盡可能小

7、些。冷卻介質(zhì)在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度（C/秒）650550C300200C18C的水60027010%NaCl水溶液（18C）110030010%NaoH水溶液（18C）800270蒸餾水（50C）250200硝酸鹽（200C）35010礦務(wù)機油（50C）15030MsV1相當(dāng)于爐冷，冷卻速度約為10C/min,V1與C曲線相交于710650C范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為100%珠光體，HRC=12V2相當(dāng)于空冷，冷卻速度約為10C/S,V2與C曲線相割于650600C范圍內(nèi)，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為索氏體組織，HRC=26V3相當(dāng)于油冷，冷卻速度約為150C/S,V3只與C曲線的轉(zhuǎn)變起始線相交

8、，表明一部分過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w，而剩余部分過冷奧氏體隨后冷卻到Ms下，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而獲得屈氏體與馬氏體混合組織，其HRC=4555V4相當(dāng)于水冷，冷卻速度600C/S，它與C曲線不相交，而直接與Ms相交，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（還有效部分殘余奧氏體），HRC=6064Vk與C曲線相切，稱為臨界冷卻速度，它表示過冷奧氏體不轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類產(chǎn)物，而直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織的最小冷卻速度。Vk取決于C曲線的位置，C曲線右移，Vk降低，容易獲得馬氏體組織，即易淬火。2、鋼的回火將淬火鋼，再加熱到A1以下某一溫度，保持一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織硬而脆，并且

9、工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如果直接進行磨削加工往往會出現(xiàn)龜裂；一些精密的零件在使用過程中將會由于變形引起尺寸變化而失去精度，甚至開裂。因此鋼淬火后必須進行回火處理。不同的回火工藝可以使鋼獲得所需的性能。表3為45鋼淬火后經(jīng)不同溫度回火后的組織及性能。表345鋼經(jīng)淬火及不同溫度回火后的組織合和性能類型回火溫度（C）回火后的組織回火后硬度（HRC）性能特點低溫回火150250回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物6057硬度咼，內(nèi)應(yīng)力減小中溫回火350500回火屈氏體3545硬度適中，又較高的彈性高溫回火500650回火索氏體2033具有良好塑性、韌性和一定強度相配合的綜合性能對碳鋼來說，回火工藝的選擇主

10、要是考慮回火溫度和保溫時間這兩個因素?；鼗饻囟龋涸趯嶋H生產(chǎn)中通常以圖紙上所要求的硬度要求作為選擇回火溫度的依據(jù)。各種鋼材的回火溫度與硬度之間的關(guān)系曲線可從有關(guān)手冊中查閱。幾種常用的碳鋼（45、T8、T10和T12鋼）回火溫度與硬度的關(guān)系如表4所示。表4各種不同溫度回火后的硬度值（HRC）回火溫度（C）45鋼T8鋼T10鋼T12鋼150200C6054646064626562200300C5040554556476257300400C5040554556475749400500C4033453547384938500600C3324352738273828也可以采用經(jīng)驗公式近似地估算回火溫度。例

11、如45鋼回火溫度的經(jīng)驗公式為：T（C）200+K（60X）式中：K系數(shù)，當(dāng)回火后要求的硬度值HRC30時，K=11；VHRC時，K=12。X所要求的硬度值（HRC）。保溫時間：回火保溫時間與工件材料、尺寸及工藝條件等因素有關(guān)，通常采用13小時。由于實驗所用試樣較小，故回火保溫時間可為30分鐘，回火后在空氣中冷卻。調(diào)質(zhì)：為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。三、實驗設(shè)備及材料1、箱式電爐及控溫儀表；2、洛氏硬度機；3、金相顯微4、冷卻介質(zhì)：水、10%Nacl水溶液（使用溫度約20C）；5、試樣材料：45鋼四、實驗過程1、每人領(lǐng)取一塊45鋼試樣2、將試樣放進馬弗爐中間位置，設(shè)置爐溫為840C，溫度到達后保溫20min。3、準(zhǔn)備冷卻介質(zhì)：水、10%Nacl水溶液（使用溫度約20C）；5、關(guān)閉馬弗爐電源，一半試樣快速水冷卻淬火，一半試樣快速鹽水冷卻淬火6、拿出試樣打磨氧化皮，拋光，腐蝕。7、觀察金相顯微組織，打硬度。8、分析實驗數(shù)據(jù)。五、注意事項1、本實驗加熱所用設(shè)備為電爐，電爐一定要接地，在放、取試樣時必須先切斷電源。2、往爐中放，取試樣必須使用夾鉗，夾鉗必須擦干，不得沾有油和水。3、試樣由爐中取出淬火時，動作要迅速，以免溫度下降，影響淬火質(zhì)量。4、試樣在淬火液中應(yīng)不斷攪動，以免試樣表面由于冷卻不均而