金属材料及热处理实验报告

金属材料及热处理#实验# 学 院： 高等工程师学院 专业班级： 冶金E111 姓名： 杨泽荣 学号： 41102010     2014年6月7日 45号钢300℃回火后的组织观察及洛氏硬度测定 目录 一、    实验目的    1 二、    实验原理    1 1.加热温度的选择    1 2.保温时间的确定    2 3.冷却方法    3 三、    实验材料与设备    4 1.实验材料    4 2.实验设备    4 四、    实验步骤    4 1.试样的热处理    4 1.1淬火    4 1.2回火    5 2.试样硬度测定    5 3.显微组织观察与拍照    5 3.1样品的制备    5 3.2显微组织的观察与记录    6 五、    实验结果与    6 1.样品硬度与显微组织分析    6 2.淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响    6 2.1淬火温度的影响    6 2.2淬火介质的影响    7 3回火温度对钢组织与性能的影响    7 3.1回火温度对45钢组织的影响    7 3.2回火温度对 45 钢硬度和强度的影响    7 4合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响    8 4.1合金元素对钢的淬透性的影响    8 4.2合金元素对钢的回火稳定性的影响    9 5碳含量对钢的淬硬性的影响    9 六、    结论    9 参考文献    9 一、 实验目的 1. 掌握碳钢的常用热处理（淬火及回火）工艺及其应用。 2. 研究加热条件、保温时间、冷却条件与钢性能的关系。 3. 分析淬火及回火温度对钢性能的影响。 4. 观察钢经热处理后的组织，熟悉碳钢经不同热处理后的显微组织及形态特征。 5. 了解金相照相的摄影方法，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。 二、 实验原理 钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。 进行热处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素。正确选择这三者的，是热处理成功的基本保证。 1. 加热温度的选择 1) 退火加热温度一般亚共析钢加热至Ac3+(20—30)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1 +(20—30)℃（球化退火），目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。 2) 正火加热温度一般亚共析钢加热至Ac3 +(30—50)℃；过共析钢加热至Accm +(30—50)℃，即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围选择见图2.1。 3) 淬火加热温度一般亚共析钢加热至Ac3+(30—50)℃；共析钢和过共析钢加热至Ac1+(30—50)℃，见图2.2。 钢的成分，原始组织及加热速度等皆影响到临界点的位置。在各种热处理手册或材料手册中，都可以查到各种钢的热处理温度。热处理时不能任意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变形等都会变得比较严重。各种常用钢的工艺规范见表2.1。 4) 回火温度的选择钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（常常是根据硬度的要求）。按加热温度高低回火可分为三类： 图2.2 淬火的加热温度范围图2.1退火和正火的加热温度范围    表2.1 常用钢的工艺规范 钢号 临界点℃ 退火 正火 淬火 A A A 加热温度℃ 冷却方式 加热温度℃ 冷却方式 加热温度℃ 冷却方式 35 724 802   850-880 炉冷 850-890 空冷 850-890 水或盐水 45 724 780   820-840 炉冷 830-880 空冷 820－850 水或盐水 T7-T12       750－770 炉冷   空冷 780-800 水或油 T8A 730 730   740-760 炉冷 760-780 空冷 750－780 水、硝盐、碱浴 T10A 730 800 800 750-770 炉冷 800-850 空冷 760－790 水、硝盐、碱浴 T12A 730 820 820 750-770 炉冷 850-870 空冷 760－790 水、硝盐、碱浴                     a． 低温回火在150—250℃的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60。其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承件。 b． 中温回火在350—500℃的回火称为中温回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40—48。其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于含碳0.5—0.8%的弹簧钢热处理。 c． 高温回火在500—650℃的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC25—35。其目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好冲击韧性的综合机械性能。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。 2. 保温时间的确定 为了使工件内外各部分温度约达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。 热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。 1) 退火、正火保温时间实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度或直径每毫米需一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米二分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短1—2倍。 2) 淬火加热保温时间按下列经验公式估算： 式中  t—保温时间(min)； α—加热系数(min/mm) （见表2.2）； K—工件装炉方式修正系数（一般 K = 1～1.5）； H—工件有效厚度(mm)（尺寸最小部位）。 表2.2 加热系数α (min/mm) 加热温度 及炉型 材料 <600℃ 箱式炉预热 >750℃~900℃ 盐浴加热 或预热 800℃~900℃ 箱式或井 式炉加热 1100℃~1300℃ 高温盐浴 炉加热 碳钢 直径<500mm 直径>500mm   0.3~0.4 0.4~0.45 1.0~1.2 1.2~1.5   合金钢 直径<50mm 直径>50mm   0.45~0.5 0.5~0.55 1.2~1.5 1.5~1.8   高合金钢 1~1.5 0.35~0.5   0.17~0.25 高速钢   0.3~0.5   0.14~0.25             3) 回火时间回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。回火时间一般为1~3h，可参考经验公式加以确定： 式中  t—回火保温时间(min)； D—工件有效厚度(mm)； b—附加时间，一般为10~20min； α—加热系数（箱式电炉取2~2.5min/mm）。 3. 冷却方法 热处理时的冷却方式要适当，才能获得所要求的组织和性能。 退火一般采用随炉冷却。 正火（常化）采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。 淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（650—550℃）快冷，超过临界冷却速度，而在Ms（300—100℃）点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度如图2.3所示。 常用淬火方法有单液淬火、双液淬火（先水冷后油冷）、分级淬火、等温淬火，如图2.4所示。表2.3中列出了几种常用淬火介质的冷却能力。 图2.3 淬火时的理想冷却曲线示意图    图2.4 各种淬火冷却曲线示意图 表2.3几种常用淬火剂的冷却能力 冷却介质 冷却速度℃/s 冷却介质 冷却速度℃/s 650—550℃区间 300—200℃区间 650—550℃区间 300—200℃区间 水（18℃） 600 270 10%NaCl水溶液 1100 300 水（26℃） 500 270 10%NaOH水溶液 1200 300 水（50℃） 100 270 10%Na2CO3水溶液 800 270 水（74℃） 30 200 10%Na2SO4水溶液 750 300 肥皂水 30 200 矿物油 150 30 10%油水乳化液 70 200 变压器油 120 25             三、 实验材料与设备 1. 实验材料 试样：直径φ15mm，高度15mm的45钢圆柱状小试样，化学成分见表3.1 C Si Mn Cr Ni S P Cu 不大于 0.42～0.50 0.17～0.37 0.50～0.80 ≤0.25 ≤0.30 0.035 0.035 0.25                 表3. 1  45钢化学成分表 2. 实验设备 1) 热处理加热炉：箱式电阻炉（≤1300℃）2台，箱型电阻炉（≤900℃）5台； 2) HR-1500洛式硬度计（洛氏硬度C标尺）； 3) 金相显微镜及数码照相系统磨光机及金相砂纸； 4) 抛光机及抛光液； 5) 浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等； 四、 实验步骤 利用箱式电阻炉、洛式硬度计、金相显微镜对45钢样品进行热处理(淬火加300℃回火)、测硬度以及显微组织观察分析。本实验以得到马氏体为目标，需要经过淬火加回火工艺获得良好的性能及符合要求的组织。 1 试样的热处理 1.1 淬火 1) 加热温度根据本实验热处理的目的和图2.2、表2.1，本实验选择淬火加热温度为860℃ 2) 保温时间本45号钢样品直径为φ15mm的小圆柱体，高度与直径相差不大。所以不单独考虑升温时间，α取2min/mm，k取1。根据实验原理中的式子 ，计算得加热时间为30min。 3) 冷却介质由45钢的连续冷却转变曲线可知，碳钢的临界冷却速度很大，应选用具有较强冷却能力（见表4.1  常用冷却介质的冷却直径）的水作为冷却介质，才能避免冷却曲线与C曲线相交，得到马氏体组织。已查得45钢淬火临界直径如表4.1所示，选择水作为淬火冷却介质能保证φ15mm圆柱样品被淬透。 淬火介质 静油 20℃水 40℃水 20℃ 5%NaCl水溶液 临界直径（mm） 10 20 16 21.5           表4.1常用冷却介质的冷却直径 具体操作：把样品放入箱式电阻炉（型号SRJX-4-13）内恒温区的耐火砖上，调节加热温度，待测温仪显示为860℃时开始计时，保温30min后，用火钳夹出样品迅速放入冷水槽中并剧烈搅拌，使样品能淬透。 1.2 回火 1) 加热温度实验要求的回火加热温度为300℃（但是通过查阅资料发现，钢淬火后在300℃左右回火时，易产生不可逆回火脆性，为避免它，一般不在250～350℃范围内回火。） 2) 保温时间由公式 确定，查得300℃以下，箱式电阻炉b=25min，α=1 min/mm，样品D=15mm，将数据代入得到回火保温时间t为40min。 3) 冷却介质空气，进行空冷。 具体操作：把经过淬火处理后的样品放入已调好温度的300℃箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上，待使炉温稳定后开始计时，保温40min后，用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。 2 试样硬度测定 将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨，去掉表面氧化皮。用60#砂纸将试样表面磨平，再依次使用150#、240#、400#、600#、800#砂纸打磨。然后，将样品放在洛式硬度计的载物台上，采用洛式硬度C标尺测量样品硬度（硬度计压头为金刚石，量程20～70HRC，加载载荷为150kg）。在试样上不同位置取四个点，第一个点不计入数据，后三个点计入数据，若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀，最后对三个测量值求平均值。 3 显微组织观察与拍照记录 3.1 样品的制备 1) 样品的磨光。用一套金相砂纸（包括60#，150#，240#，400#，600#，800#）在玻璃板上先粗后细逐号磨光。注意每换上一号细一些的砂纸时，将磨光方向转换90°，以便于观察原磨痕的消除情况。最后，将样品在磨光机上用1200#砂纸磨光，注意手持样品应用力均匀，用力也不宜过大。 2) 样品的抛光。样品在金相样品抛光机上细抛，使样品表面达到光亮如镜的光洁度。 3) 显微组织的显示。将抛光好的样品，直接在显微镜下观察，应基本上没有磨痕和磨坑，而无法观察到晶界、各类相和组织。本实验采用化学浸蚀法，将浸蚀液（4%硝酸酒精）和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中，用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试，当光亮镜面呈浅灰白色，立即用水冲洗，并用酒精擦洗后经吸水纸吸干。 3.2 显微组织的观察与记录 制备好的样品用显微镜在40～400倍不同放大倍数下观察组织，体会放大倍数的不同对组织观察的影响。选择合适的放大倍数（500倍）利用数码照相系统对45钢样品进行数码照相。 五、 实验结果与分析 1. 样品硬度与显微组织分析 45钢300℃回火马氏体组织如图5.1所示。回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色板条状组织，从图中可看出样品浸蚀效果较好，条片状马氏体组织清晰。 图5.1  45钢300℃回火的显微组织 测得该样品硬度为50.9HRC。根据其硬度和微观组织形貌可以判断，生成了回火屈氏体。 因此，实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织，且硬度实验值也与手册符合得较好。 2. 淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响 以下以45钢为例，结合实验小组其他成员样品热处理工艺的显微组织和硬度测量值（表5.1 45钢不同处理工艺后硬度），分析淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响。 显微组织 粗晶马氏体 细晶马氏体 铁素体+马氏体 屈氏体网+马氏体 硬度/HRC 55.4 50.9 52.8 22.3（样品有误） 24.7 21.3 拟用工艺 1000℃、 30min、水冷 860℃、 30min、水冷 770℃、 30min、水冷 860℃、 30min、油冷           表5.1 45钢不同处理工艺后硬度测量值 2.1淬火温度的影响 45钢的淬火加热温度应在Ac3以上30～50℃，淬火温度选860℃可得细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。若在Ac3以上过高温度如1000℃加热，会使奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体粗大，脆性增大，硬度下降，粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。若在Ac1 ～Ac3之间的两相区加热，如770℃淬火后，高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体，造成硬度不足（见表5.2），力学性能降低。 2.2淬火介质的影响 常用淬火介质及其冷却能力如表5.2  常用淬火介质及其冷却能力所示，可知水具有较大的冷却能力，但在低温区冷却速度太快，工件容易淬裂，另外水冷却能力对温度变化敏感，水温升高，冷却能力急剧下降。油全程冷却速度均比水小，在低温区冷却速度合适，但在高温区冷却能力却很低。 淬火介质 冷却速度（℃/s） 在650～550℃区间 在300～200℃区间 水（18℃） 600 270 水（26℃） 500 270 水（50℃） 100 270 矿质机油 100 20       表5.2常用淬火介质及其冷却能力 碳钢的临界冷却速度大，一般采用冷却能力较强的淬火介质如水，才能得到全部为马氏体的显微组织。若选用油作为淬火介质，由于其冷却速度小，冷却曲线会与CCT曲线“鼻尖”处相交，转变过程得到小部分屈氏体组织，因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出，并连成网状结构，室温下得到屈氏体网+马氏体显微组织，使强度降低，硬度明显下降（见表5.1 45钢不同处理工艺后硬度测量值）。 3. 回火温度对钢组织与性能的影响 3.1. 回火温度对45钢组织的影响 钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体，都是亚稳相。一旦进行加热，原子扩散能力加强，会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。随回火温度升高，转变大致分为五个阶段：1.马氏体中碳原子的偏聚；2.马氏体的分解；3.残余奥氏体的转变；4.碳化物的转变；5.碳化物的聚集长大和α相回复、再结晶。 45钢在150～350℃低温回火，得到回火马氏体组织。回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。低温回火后，只是碳原子的偏聚，与淬火马氏体没有显著区别，但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀，故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。 在350～500℃中温回火后，得到回火屈氏体组织。由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体，渗碳体聚集长大并球化，条状α相上分布着微细粒状渗碳体，但光学显微镜下难以分辨。 在500～650℃高温回火，得到回火索氏体组织。这时α相发生再结晶，由等轴状铁素体逐步代替针状α相。其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织，光学显微镜下能分辨出渗碳体颗粒。 若45钢在650℃～A1间回火，粒状渗碳体明显粗化，将得到粒状珠光体组织。 3.2. 回火温度对 45 钢硬度和强度的影响 组别 1 2 3 4 5 回火温度 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 45钢回火后硬度(HRC) 53.6 50.9 40.1 24.5 21.53 40C rNi回火后硬度(HRC) 51.97 50.1 45.9 36.3 31.6             表5.3不同回火温度与测量硬度值 图5.2硬度变化曲线图 从表5.3  不同回火温度与测量硬度值，图5.2  硬度变化曲线图可以看出，淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。45钢在200℃以下回火，硬度下降缓慢，这是由于α固溶体析出大量的ε碳化物，增大塑性变形抗力，使硬度下降延缓。200～300℃回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用，硬度下降趋势平缓。300℃以上回火，随着ε碳化物变为渗碳体，共格破坏以及渗碳体聚集长大，使硬度快速下降。 金属材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。通过《黑色金属硬度及强度换算值》[2]，能将45钢的硬度值换算成强度值，因此，随着回火温度升高，钢的强度降低。 4. 合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响 以下以45钢和40CrNi钢为例，分析合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响。 4.1. 合金元素对钢的淬透性的影响 淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力，其大小用一定条件下淬火时钢的淬透层深度来表示，主要取决于钢的临界冷却速度的大小。 比较45钢和40CrNi钢的淬透性曲线，在相同的淬火介质下，40CrNi钢的临界淬火直径明显大于45钢。这两种钢样的碳含量相差不大，而对于40CrNi钢，加入的Cr、Ni合金元素溶入奥氏体后，Cr为中强碳化物，会提高C原子的扩散激活能，同时Ni还能提高原子的结合能，抑制了γ—α的转变。由于合金元素的扩散速度很缓慢，降低了原子扩散速度，使过冷奥氏体的稳定性增加，马氏体临界冷却速度变小，临界淬火直径增大，因此，合金元素能增大钢的淬透性。 4.2. 合金元素对钢的回火稳定性的影响 淬火钢在回火时，抵抗软化的能力称为回火稳定性。不同的钢在相同温度回火后，强度、硬度下降也不同，下降少的其回火稳定性较高。 比较图5.2  硬度变化曲线图中45钢和 40CrNi钢硬度变化曲线可知，40CrNi钢回火硬度的降低过程较缓，回火稳定性较高。因为合金元素阻碍了回火过程马氏体分解和碳化物聚集长大，使回火硬度降低过程变缓，从而提高了钢的回火稳定性。因此，由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要得到相同的回火硬度，则合金钢的回火温度就要比同样含碳量的碳钢高，回火时间也要长。 5. 碳含量对钢的淬硬性的影响 以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。 淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，主要与钢的含碳量有关。本实验45钢和T8钢正常淬火得到细小马氏体组织后，测其硬度值分别为56.5HRC和67.7（68.3）HRC。比较这两数据可知，随着钢的含碳量增加，淬硬性增强。因为钢淬火得到的组织为马氏体，马氏体的硬度主要取决于含碳量，随碳含量的增加，马氏体的硬度增大，这主要是由于碳的固溶强化作用，另外，随碳含量的增加，马氏体转变点Ms和Mf都降低，促进了自回火现象的发生，使碳化物弥散析出产生时效强化。因此，提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。 六、 结论 根据所做实验及其结果可得以下结论： 1. 淬火条件影响样品的组织和性能。淬火温度及冷却速度（选择有效的冷却介质）适宜时，生成细小的马氏体组织，回火后强度高，塑性不差，力学性能较好。淬火温度低，发生不完全淬火，组织为马氏体+铁素体组织，强度低，硬度也低，力学性能较差。淬火温度较高时，形成粗大奥氏体，由于组织的遗传性，淬火后形成粗晶马氏体组织。冷却速度过快，形成巨大内应力，可能发生淬裂现象。冷却速度过慢，形成的马氏体不完全，有珠光体形成(珠光体，索氏体，屈氏体)。 2. 回火温度影响样品的组织和性能。根据回火温度分为低温回火，中温回火，高温回火（不同钢种，所对应的温度有差异，一般合金元素越多，温度越高）。生产回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体。回火马氏体晶粒最细小，硬度强度最高；回火屈氏体晶粒介于两者之间，硬度强度中等，根据资料显示具有极好的弹性；回火索氏体板条最粗大，强硬度最低，但具有较高的塑韧性。 3. 合金元素影响样品的组织和性能。合金元素影响碳原子的迁移和铁原子的扩散系数，从而提高了回火稳定性。同时由于固溶强化，析出强化提高了样品的强硬度。细小的碳化物还能起到细化晶粒的作用。 4. 碳元素影响样品的组织和性能。碳原子能起到固溶强化作用，对马氏体形成来说，基体的强度硬度越大，马氏体越不易形成从而降低了Ms点。同时，最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。 七、 参考文献 [1] 中国机械工程学会热处理学会。热处理手册(第4版)。第1卷，工艺基础。北京:机械工业出版社， 2008。1 [2]中国计量科学研究院。黑色金属硬度及强度换算值。中华人民共和国国家标准。 GB/T 1172-1999。