《热处理综合实验》

综合实验指导书

适用专业:材料科学与工程(材料工程方向)

课程代码:     8102001     

总学时: 2.5周 总学分:2学分

编写单位:材料科学与工程学院

编 写 人:      贺毅       

审 核 人:                 

审 批 人:                 

批准时间: 07 年  1  月 6 日

一、实验目的和任务                 

1、 通过本实践环节的进行，熟悉钢铁材料常见的热处理工艺和金相观察及硬度测试等过程，了解材料热处理相关设备及操作和硬度计的使用，掌握金属材料的制样技术，并掌握在金相显微镜下识别常见的热处理组织，掌握金相摄照及暗室技术，能根据所学理论知识对实验数据及结果进行分析。通过本次综合实验培养学生的动手能力，理论联系实际的能力。

2、 掌握钢铁材料的常见热处理工艺的工艺参数确定原则，实施热处理操作。

3、 对热处理后的钢进行金相组织观察及摄照。

4、 对热处理后的钢选择正确的硬度测试方法，进行硬度测试。

5、 数据处理、结果分析。

6、 完成热处理综合实验报告。

二、实验内容

1、热处理方案的确定

（1）设计钢的退火、正火热处理方案：

目的①了解含碳量对钢退火、正火组织的影响

②退火、正火工艺对同一钢材组织的影响

③了解含碳量对退火组织硬度的影响

（2）设计不同马氏体形态的热处理方案：

目的①了解含碳量对马氏体形态的影响

②热处理工艺对马氏体形态的影响

③了解含碳量对淬火钢硬度的影响

   （3）设计不同冷却介质的热处理方案：了解冷却介质对过冷奥氏体转变产物的影响。

   （4）设计淬火钢的回火组织的热处理方案：

目的①了解回火温度对回火组织的影响

②了解合金元素对回火组织的影响

③了解回火温度和合金元素对硬度的影响

   本综合实验共分三个组，实验内容（1）为每组必选内容，实验内容（2）、（3）、（4）三个组各选一个内容。

2、根据所选定的热处理方案，选择材料，查阅参考资料，确定热处理工艺参数。

3、切割取样，选择热处理设备，校正设备温度，准备冷却介质。

4、正确进行热处理操作。

5、磨制样品，抛光腐蚀，观察热处理后组织，分析组织变化规律，并对典型组织摄照。

6、对热处理后样品选择硬度测试方法并进行测试。

7、金相照片及硬度数据结果处理、分析。

8、根据热处理综合实验要求完成热处理综合实验报告。

三、实验仪器、设备及材料

1、 实验仪器、设备：

砂轮切割机1台                   线切割机1台

砂轮机2台                       热处理炉4～6台

抛光机多台                       金相显微镜多台

硬度计2台                        印相机2台

上光机2台                

2、 实验用材料：

原料：各种钢材（见表1），铁丝，淬火介质（盐水、水、油等）

砂纸10～14套

抛光布3～5张

腐蚀剂、酒精适量

金相底片、金相像纸各10～12张

表1  热处理综合实验所需钢材

四、实验原理

1、  钢的热处理原理：固态金属利用加热和冷却，使金属材料的组织和结构发生改变，从而进行材料的组织设计。钢的热处理原理包括钢的加热转变和冷却转变。在加热转变中，满足奥氏体形成的热力学和动力学条件使钢的原始组织发生向奥氏体组织的转变，控制加热速度、加热温度及时间，得到所需要的组织状态。在冷却转变中，过冷奥氏体在A1温度以下在不同的转变温度区间或不同的冷却速度下发生不同类型的组织转变：在A1到550℃左右的高温区或冷却速度缓慢时，发生珠光体转变得到珠光体组织；在550℃左右到Ms点的中温区或冷却速度较快时，发生贝氏体转变，得到贝氏体组织；在Ms至Mf之间的低温区或冷却速度快时，发生马氏体转变，得到马氏体组织。淬火组织(贝氏体、马氏体)进行回火转变，根据回火温度的不同得到回火马氏体、回火屈氏体及回火索氏体组织。控制钢的热处理过程，得到珠光体组织、贝氏体组织、马氏体组织及回火组织，它们具有不同的性能特点，可以满足不同的机器零件的要求。

2、  钢的退火、正火的组织形态：钢的退火组织接近平衡状态组织，当含碳量在0.02-0.77%范围时是亚共析钢，退火组织为F＋P,随含碳量增加，F逐渐减少，P逐渐增多；当含碳量为0.77%时是共析钢，退火组织全部为P；当含碳量在0.77-2.11%范围时是过共析钢，退火组织为P＋Fe3CⅡ，随含碳量增加，P逐渐减少，Fe3CⅡ逐渐增多。钢的正火组织，因冷却速度较快，组织与退火组织有差异，如相同含碳量的亚共析钢中铁素体比退火组织少，过共析钢无网状Fe3CⅡ。

3、  钢中常见马氏体形态：

马氏体形态早期主要指在光学金相显微镜下观察到的组织形态。随着电子显微术的发展。还包括马氏体的精细结构。我们知道，钢的成分不同，热处理条件的差异，对马氏体形态、马氏体亚结构及显微裂纹的倾向性影响很大，马氏体形态与马氏体的亚结构有着内在的联系，它们对马氏体的机械性能（强度和韧性）又有着直接的影响。因此，观察马氏体形态，研究马氏体形态关系密切。因此也可以通过马氏体形态的观察来分析零件的热工艺史及进行废品分析等。 关于板条马氏体的片状马氏体的一般形貌特征，教科书上已有专门讲解，故不再赘述。这里要指出的是，片状马氏体其空间形态为凸透镜状。这只是一般的叙述。实际上由于奥氏体浓度不均等原因。马氏体的生长受阻，片状马氏体不一定表现为规则的凸透镜状。而有时是不规则的。另外，一般中，高碳钢在正常温度淬火，多得到板条片状的混合组织（及混合马氏体），或者得到隐晶马氏体（实际上也是混合马氏体）。这时，在光学显微镜下往往难以分辨它们的特征，只有借助电子显微镜对于亚结构的观察，才能得到正确的结论。隐晶马氏体是一般高碳钢常规淬火以后的正常组织，若发现片状则表明淬火温度偏高。

4、  淬火钢的回火组织形态：

1）回火马氏体：回火马氏体组织是淬火钢经低温回火（150～250℃）后获得的组织。高碳淬火钢低温回火后得到的回火马氏体，是由过饱和的α固溶体与高度弥散的ε碳化物组成的两相混合物，在金相显微镜下呈暗色针状组织，不能分辨出ε碳化物的存在，只有在电子显微镜下，才能见到过饱和的α固溶体上分布有细小的ε碳化物，立体上，高碳淬火钢经低温回火得到的回火马氏体，仍然保留其原淬火马氏体的片状形态。而低碳淬火钢经低温回火或自回火后，则只有碳的偏聚，而无碳化物的析出，原淬火马氏体的板条形态，保持不变。对于中碳淬火钢经低温回火后，既有碳原子的偏聚，又有ε碳化物的存在，其回火马氏体的形态仍然各保持其原淬火马氏体的片状和板条状。

2）回火屈氏体：淬火钢在350～500℃中温回火后得到回火屈氏体，是由针状铁素体与粒状渗碳体组成的混合物。在金相显微镜下，其中的粒状渗碳体，仍然不能分辨。也只有在电子显微镜下，才能见到在针状铁素体的基体上分布着大量微细的粒状渗碳体。但应注意：⑴回火屈氏体中的渗碳体颗粒比回火马氏体中的ε碳化物要粗大一些；⑵回火屈氏体中的渗碳体与基体铁素体已无共格关系，而回火马氏体中的ε碳化物与过饱和α固溶体有共格关系；⑶回火屈氏体隐约可见原马氏体形态。

3）回火索氏体：淬火钢在500～650℃高温回火后，得到回火索氏体，它是多边形的铁素体晶粒与粒状渗碳体组成的混合物。其中的渗碳体颗粒又较回火屈氏体中的粗一些，而弥散度则小一些，在金相显微镜下，仍然分辨不出小的碳化物颗粒，也只有在电子显微镜下，才能见到在多边形铁素体的基体上分布着大量较粗的粒状渗碳体；金相显微镜400倍下可清晰地分辨高温回火时回火温度较高或回火时间较长的粗大的球状渗碳体。

5、  冷却介质对过冷奥氏体转变产物的影响：

钢的连续冷却转变是相对等温转变而言的。与等温转变不同，连续冷却转变是在一个温度区间内进行的。由于转变温度不同，即由于过冷度不同，过冷奥氏体的转变产物也不同。这样，对一个零件来说，不但在不同部位上，而且在同一个部位的同一视场中，可以观察到不同过冷度的不同转变产物。这就是混合组织。注意，这里说的混合组织是指不同过冷度的不同转变产物的混合组织。混合组织有两相或多相组成。大多数热处理过程（如普通退火.正火.淬火）是在连续冷去条件下进行的，大多数热加工过程（如铸.锻.焊）也是在连续冷去条件下最后完成的。它们通常都得到混合组织。而且，由于材质，零件（形状.尺寸），工艺的差异，混合组织常常是表现出各种各样的复杂情况。因此，了解冷却介质（即冷却速度）对过冷奥氏体转变产物的影响，研究并识别各种条件下的混合组织，对于材料的选用，热处理工艺的制订，热加工质量的分析是很必要的。中碳钢连续冷却混合组织可能的组成物有铁素体，珠光体（或索氏体，屈氏体），贝氏体，马氏体，残余奥氏体等。在混合组织包含各种组成物时，应仔细识别。识别时除了注意区分他们的形状，色泽与分布特征外，还应联系材质，工艺等因素综合分析。在制备金像试片时，要掌握腐蚀的程度，使各组成物的差别尽量显示出来。

五、主要技术重点、难点

主要技术重点：1、热处理方案及热处理工艺参数的确定

2、正确的热处理操作

3、金相制备及暗室技术

4、硬度测试

5、实验结果分析能力的培养

     难点：各种热处理组织的识别

六、实验步骤

1、 取样：通过砂轮切割机或线切割机取样

2、 根据任务书要求确定材料及热处理工艺方案、工艺参数

3、 热处理操作：按确定的热处理方案进行相关热处理操作

4、 金相组织观察、分析及摄照

5、 硬度测试：根据材料、热处理状态等选择正确的硬度测试方法

6、 实验数据的分析、整理

7、 完成热处理综合实验报告

七、实验报告要求

1、格式要求详见西华大学材料学院综合实验报告模板。

2、实验目的及任务。

3、热处理方案及工艺参数确定。

4、 金相组织观察结果及相关照片。

5、 硬度测试结果分析。

八、实验注意事项

1、本综合实验环节众多，同学应服从指导老师、实验室老师、组长的安排。

2、在综合实验过程中作好相关实验记录，便于实验结束后编写综合实验报告。

3、正确使用和爱护相关实验设备，不懂的一定要请教。

4、在实验中，注意安全。

第二篇：碳钢的热处理实验指导书

工程材料与机械制造基础实验指导书

北京理工大学珠海学院机械与车辆学院

2011.10

实验三   碳钢的热处理实验

一、       实验目的

1、了解碳钢热处理的基本方法。

2、了解不同热处理方法对碳钢组织与性能的影响。   

二、       实验原理

热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却, 以改变钢的组织结构, 获得所需要性能的一种工艺。不同的热处理工艺过程，会使钢得到不同的组织，从而获得所需要的性能。

钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火，，淬火和回火等。

1、钢的退火和正火

钢的退火是把钢加热到临界温度或以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。中碳钢(如40、45钢)经退火后组织稳定，硬度较低(HBl80~220)有利于下一步进行切削加工。

正火是将钢加热到或以上30～50，保温后空冷。因冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对高碳钢则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作准备。

2、钢的淬火

淬火是将钢加热到 (亚共析钢)或 (过共析钢)以上30—50，保温后放入各种不同冷却介质中快速冷却(应大于)，以获得马氏体组织的一种工艺。碳钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。

淬火必须考虑三个重要因素：淬火加热温度、保温时间和冷却速度。

（1）淬火温度的选择

正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。淬火时的加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据相图确定。亚共析钢，其加热温度为+30～50~。过共析钢，加热温度为+30～50。不能任意提高加热温度。温度过高晶粒容易长大，并增加氧化脱碳和变形的倾向。各种不同成分碳钢的临界温度列于表3-1中。

（2）保温时间的确定

淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，碳钢在电炉中加热时间的计算可参见表3-2。

表3-1   各种碳钢的临界温度（近似值）

表3-2  碳钢在箱式电炉中保温时间的确定

(3) 冷却速度的影响

冷却是淬火的关键工序，直接影响到钢淬火后的组织和性能。冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度，以保证获得马氏体组织；在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形和开裂。 可根据C曲线图，使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定的温度范围(650～550)进行快冷(即与C曲线的“鼻尖”相切)，而在较低温度(300—100)时的冷却速度则尽可能小些。

不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却能力有所差别。各种冷却介质的特性见表3-3。

3、钢的回火

钢经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此淬火钢必须进行回火处理。

回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。碳钢常用的回火种类、回火目的、回火后的组织及应用见表3-4。

表3-3   几种常用淬火介质的冷却能力

表3-4  几种常用回火种类的应用

三、       实验用设备、仪器和材料

  1、实验设备、仪器

SX2系列箱式电炉、HR-150A型洛氏硬度计、HB—3000型布氏硬度计、20倍读数显微放大镜、淬火水槽。

  2、实验工具及材料

45#试样若干、细铁丝网、细铁丝、冷却剂—水（20~30）、夹钳、砂纸。

四、实验内容

 1、45号钢的正火、淬火与回火

（1）每4人一组，每组取3块45号钢试样，一块用作正火，另外两块用作淬火。

（2）用细铁丝网及铁丝将需淬火的试样绑扎好，另外用作正火的试样不需绑扎。

（3）将所有试样放入箱式电炉中加热至860℃，保温约15-20分钟。

（4）2人一组，分别进行水冷(2块)、空冷(1块)操作。

（5）将水冷试样取出1块放入400℃的炉中回火，保温时间为20-30分钟。

2、45号钢热处理后的硬度测试

（1）45号钢正火（空冷）后的硬度测试

将正火后的试样用砂纸磨去氧化皮，然后测量布氏硬度(测1点)。注意根据试样厚度和状态，依据实验一中的表1—1选择合适的布什硬度测试规范。将测试数据填写在表3—5中。

（2）45号钢淬火、回火后的硬度测试

将淬火、淬火+回火后的试样用砂纸磨去氧化皮，然后测量洛氏硬度(各测3点)，

将测试数据填写在表3—6中。

表3-5  45号钢正火后硬度测试结果

表3-6  45号钢淬火、回火后硬度测试结果

五、实验注意事项

1、本实验加热所用电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放取试样时必须先关断电源。

2、往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。

3、试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。

4、试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。

5、淬火时水温应保持20~30左右，水温过高要及时换水。

6、淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。

六、实验报告要求

 1、实验目的。

 2、简述本实验操作过程。

3、将45号钢处理后的各试样的硬度测量结果填入上述表中。

4、分析45钢正火、淬火、淬火+400℃回火的组织与性能的差别。