材料成分和热处理工艺对钢组织与性能的影响

一、实验目的

1. 了解热处理设备和几种热处理工艺（正火，回火，淬火）的实际操作。

2. 了解材料成分、热处理工艺、组织和性能之间的关系。

3. 熟悉冷却条件对钢组织与性能的影响。

4. 初步熟悉洛氏硬度计的使用方法。

5. 利用金相显微镜观察钢组织。

二、实验原理

钢的淬火：钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

钢的淬火有三个重要的影响因素：加热温度，保温时间，冷却速度。

加热温度：

亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30～50℃。高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内，故称为完全淬火。如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度，则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体，即为不完全(或亚临界)淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上30～50℃，这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。

淬火保温：

淬火保温时间 由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言，保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火，其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。加热与保温是影响淬火质量的重要环节，奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在5～8级。

冷却速度：

要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷却过程中，表面与心部的冷却速度有-定差异，如果这种差异足够大，则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体，而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素，合理选择淬火介质和冷却方式。

图2.1    冷却速度的影响                                 图2.2淬火加热温度范围

三、实验材料与设备

实验材料：

试样为直径14mm的40CrNi钢圆柱形样品。样品成分如下：C：0.37～0.44，Si：0.17～0.37，Mn：0.50～0.80，Cr：0.45～0.75， Ni：1.00～1.40。

实验设备:

1. 40CrNi(Φ14mm)钢试样；

2. 箱式加热炉；

3. 洛氏硬度计；

4. 金相显微镜及数码照相系统；

5. 磨光机及金相砂纸（60#，150#，240#，400#，600#，800#）；

6. 抛光机及抛光液；

7. 浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等。

实验步骤：要求根据所学的热处理知识，制定合理的满足所需纤维组织要求的热处理工艺，并利用洛氏硬度计测试热处理工艺后的洛氏硬度，制备金相试样并利用金相显微镜观察显微组织。我们组所选的钢为40CrNi。

第一步：淬火处理。将样品加热到860℃，而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。样品直径14mm, T=KAD 式中T—保温时间（min）；K—装炉系数（通常取1.0~1.5）；A—保温系数（空气炉中加热碳素钢取1.0~1.2，合金钢取1.2~1.5）；D—零件有效厚度。为保证好的加热特性可选择保温时间为30min左右。

第二步：冷却处理。我们组选择的是油冷。将样品放在机油中上下晃动，直至冷却至室温。
常用的几种淬火冷却介质冷却能力见下表。

表3.1淬火介质冷却能力

硬度测定：试样冷却至室温后，将其在砂纸上打磨，先用60#砂纸，逐次加大砂纸型号，直至800#，每换一次砂纸就将试样旋转90度。打磨完后放在洛氏硬度计下测试，共测4次，去后三个平均值即为洛氏硬度值。如下：

表3.2洛氏硬度测试值

显微组织观察与记录：

样品制备：将上次在洛氏硬度计测量过的样品在磨光机上抛光，是样品表面达到如镜子般光亮。然后用4%硝酸酒精侵蚀剂侵蚀至光亮镜面变成白灰色，侵蚀适宜时间后用无水酒精擦净，再用自来水冲洗干净。

显微镜下观察并拍照记录：

制备好的样品放在金相显微镜下观察，并用数码照相系统进行拍照记录。如下：

图3.1样品显微组织

五、实验结果分析

40CrNi钢860℃淬火油冷显微组织如图3.1所示，相组织主要是马氏体，从图中可以看出侵蚀的不是很好，马氏体组织不是很明显，侵蚀不足。而且有少许划痕。测得该样品的洛氏硬度为52.6HRC，接近理论值，符合要求。

淬火温度对钢组织和性能的影响：

淬火加热温度的选择：

对于亚共析钢采用Ac3+30~50°，对于共析钢和过共析钢采用Ac1+20~40°。

对于亚共析钢如果淬火温度高了，奥氏体晶粒就会粗大，淬火后严重影响和降低塑性和韧性，如果淬火温度低了，奥氏体化就会不完全，淬火后会有铁素体，导致淬火硬度不够，强度降低。如图2.2所示。

对于共析钢和过共析钢，淬火温度高了，同样奥氏体晶粒就会粗大，同时碳化物溶入奥氏体过多，淬火后容易变形开裂，同时严重降低硬度和强度，如果温度低了，碳化物溶入奥氏体过少，大部分碳化物保留下来，淬火后也容易变形开裂，奥氏体化后奥氏体含碳量过低，导致淬不上火，导致淬火后马氏体硬度不够，强度降低。

淬火介质的影响：

常用淬火介质冷却能力见表3.1所示。可见：水的冷却能力最好，但是冷却速度太快，容易导致工件淬裂。而油的冷却能力在低温区合适，但是在高温区冷却能力很低。在实际的生产中，根据钢种来选择淬火介质。比如碳钢的临界冷却速度大，可采用冷却能力较强的淬火介质水等；合金钢的临界冷却速度小，可采用比较缓和的淬火介质如油。

六、结论

淬火温度和介质都会对钢的组织和性能产生深刻的影响。根据不同的钢种的要求，选择不同的热处理方法，加热温度，冷却方式，选取合适的冷却介质。

七、参考文献

《金属材料学》 北京科技大学吴成建 陈国良 强文江 编 冶金工业出版20##年

《金属学》     宋维锡 主编 （第二版）冶金工业出版社 20##年

第二篇：工程材料及热处理实验报告册

工程材料及热处理试验

报告

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实验一、金相显微镜的使用和金相试样的制备及观察实验报告

一、试验目的

二、实验原理

三、主要仪器设备及材料

（1）金相显微镜的结构

请写出图中各数字代表的金相显微镜上的零部件

（2）设备及材料

四、制备金相试样和观察试样微观结构的主要过程。

（1）金相试样的制备过程

（2）金相试样的观察（请在下图中画出所观察到的金相组织）

五、实验后的收获

实验二  热处理后钢的硬度及显微组织观察实验报告

一、实验目的

二、实验设备材料

三、实验原理

四、实验内容

1、绘制45#钢淬火的热处理工艺曲线

2、样品的制备过程

3、45#钢热处理前后硬度

金相经不同冷却速度的硬度

4观察热处理后的显微组织

在下图圆圈内画出所观察到的金相显微组织示意图

五、实验收获