碳鋼的熱處理及組織觀察實驗

1、材料科學基礎A2實 驗 指 導 書江蘇科技大學材料機械與冶金學院2010年6月實驗1：碳鋼的熱處理操作、組織觀察及硬度測定綜合實驗一、實驗目的1. 了解硬度計的原理、初步掌握布氏、洛氏硬度計的使用；2. 了解碳鋼的熱處理工藝操作； 3. 研究碳鋼加熱溫度、冷卻速度、回火溫度對鋼性能的影響；4. 觀察熱處理后的組織及其變化。二、實驗內容1按表1中的熱處理工藝進行操作，并對熱處理后的各樣品進行硬度測定，將硬度值填入表1中。表1 各種熱處理工藝冷卻方式45鋼加熱溫度硬度水冷780水冷860油冷860空冷860 表2 45鋼回火工藝45鋼回火工藝/860水冷淬火回火溫度200400500600回火前硬

2、度回火后硬度注：保溫時間可按1分鐘/每毫米直徑計算；回火保溫時間均為30分鐘，然后取出空冷。2. 觀察下列表2熱處理后的金相試樣，并畫出組織示意圖。表3 熱處理后的金相試樣編號鋼號處理狀態(tài)顯微組織腐蝕劑145860正火F + P4%硝酸酒精245860油淬M + B上 + T + F少4%硝酸酒精345860水淬M4%硝酸酒精445780水淬M + F4%硝酸酒精545860水淬低溫回火回火M4%硝酸酒精645860水淬中溫回火回火T4%硝酸酒精745860水淬高溫回火回火S4%硝酸酒精三、實驗原理（一）硬度計的原理1洛氏硬度洛氏硬度是以頂角為120°的金剛石圓錐體（或直徑為1.58

3、8的淬火鋼球）作壓頭，以規(guī)定的試驗力使其壓入試樣表面。試驗時，先加初試驗力，然后加主試驗力。壓入試樣表面之后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。 洛氏硬度值由h的大小確定，壓入深度h越大，硬度越低；反之，則硬度越高。一般說來，按照人們習慣上的概念，數(shù)值越大，硬度越高。因此采用一個常數(shù)c減去h來表示硬度的高低。并用每0.002mm的壓痕深度為一個硬度單位。由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號HR表示。 由此獲得的洛氏硬度值HR為一無名數(shù)，試驗時一般由試驗機指示器上直接讀出。 洛氏硬度的三種標尺中，以HRC應用最多，一般經淬火處理的

4、鋼或工具都采用HRC測量。在中等硬度情況下，洛氏硬度HRC與布氏硬度HBS之間關系約為1：10，如40HRC 相當于400HBS 。如50HRC，表示用HRC標尺測定的洛氏硬度值為50。硬度值應在有效測量范圍內（HRC為2070）為有效。2布氏硬度布氏硬度是以一定的試驗力如：187.5kg250kg3000kg等載荷把用一定直徑的鋼球或硬質合金球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負荷與壓痕面積之比值，即為布氏硬度值（HBSHBW），單位為N/mm2。布氏硬度計適合測量鑄鐵等材料的工件。在鋼管標準中，布氏硬度用途最廣，往往以壓痕直徑d來表示該材料的硬度，既直觀又方便。（二） 鋼的熱處理工藝：鋼

5、的熱處理基本工藝有退火、正火、淬火和回火。進行熱處理時，加熱是第一道工序，目的是為了得到奧氏體，因為鋼的最終組織珠光體、貝氏體 和馬氏體都是由奧氏體轉變來的。二是保溫、目的使奧氏體均勻化。三是冷卻，是改變組織和性能的重要因素。因此，正確選擇三個基本因素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：根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定。對亞共析鋼，其加熱溫度為；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+（3050），即加熱到奧氏體單相區(qū)。（3）淬火加熱溫度

6、：一般亞共析鋼加熱至AC3+（3050），淬火后的組織為均勻細小的馬氏體。如果加熱溫度不足（如低于AC3）,則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，造成淬火后硬度不足；共析鋼和過共析鋼加熱至AC1+（3050），淬火后的組織為隱晶馬氏體與粒狀二次滲碳體。未溶的粒狀二次滲碳體可提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度（高于ACCM），會因得到粗大的馬氏體，過多的殘余奧氏體而導致硬度和耐磨性下降，脆性增加。（4）回火溫度：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（工廠中常常是根據(jù)硬度的要求）。按加熱溫度不同，回火可分為三類： 低溫回火：在150250回火，所得組織為回火馬氏體，硬度約為HRC57-60

7、，其目的是降低淬火應力，減少鋼的脆性并保持鋼的高硬度。一般用于切削工具、量具、滾動軸承以及滲碳和氰化件。中溫回火：在350500回火，所得組織為回火屈氏體，硬度約為HRC40-48，其目的是獲得高的彈性極限，同時有高的韌性。因為它主要用于各種彈簧及熱鍛模。高溫回火：在500650回火，所得組織為回火索氏體，硬度約為HRC25 -35，其目的是獲得既有一定強度、硬度、又有良好的沖擊韌性的綜合機械性能，常把淬火后經高溫回火的處理稱為調質處理，因此一般用于各種重要零件，如柴油機連桿螺栓、汽車半軸以及機床主軸等。2 保溫時間的確定為了使鋼件內外各部分溫度均勻一致，并完成組織轉變，使碳化物溶解和奧氏體成

8、分均勻化，就必須在加熱溫度下保溫一定時間，通常將鋼件升溫和保溫所需的時間計算在一起，統(tǒng)稱為加熱時間。在具體生產條件下，工件加熱時間與鋼的成分、原始組織、工件幾何形狀和尺寸，加熱介質、爐溫、裝爐方式等許多因素有關。對于本實驗中箱式爐的碳鋼，保溫時間為：工件的有效加熱厚度1分鐘/毫米。圓柱形試樣有效加熱厚度以直徑計算，如果是鹽浴爐則縮短1-2倍。合金鋼加熱時間要增加25-40%?；鼗饡r的加熱、保溫時間，應與回火溫度結合起來考慮。一般來說，低溫回火時，由于組織不穩(wěn)定，內應力消除不充分，為了穩(wěn)定組織、消除內應力，使零件在使用過程中性能與尺寸穩(wěn)定，回火時間要長一些，一般不少于1.5-2小時。高溫回火時間

9、不宜過長，過長會使鋼過分軟化，對有的鋼種甚至造成嚴重的回火脆性，所以一般為0.5-1小時。3 冷卻速度的影響冷卻是淬火的關鍵工序，一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證得到馬氏體，另一方面又希望冷卻速度不要太大，以減小內應力，避免變形和開裂，為此，根據(jù)c曲線考慮，淬火工件必須在過于奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650 550）進行快冷，以超過臨界冷卻速度，而在MS(300200)點以下，盡可能慢冷以減小內應力。為了保證淬火質量，應適當選用適當?shù)拇慊鸾橘|和淬火方法。（三）鋼熱處理后的基本特征：爐冷得到100%珠光體，空冷得到細片狀珠光體或稱索氏體。油冷得到少量屈氏體和馬氏體。水冷得到馬氏體和少量殘

10、余奧氏體。隨著成分和熱處理條件不同，鋼熱處理后的組織各不相同，基本組織特征如下： （1）索氏體（s）是鐵素體與片狀滲碳體的機械混合物，其層片分布比珠光體更細密，在顯微鏡的高倍（700 左右）放大下才能分辨出片層狀，它比珠光體具有更高的強度和硬度。（2）屈氏體（T）也是鐵素體與片狀滲碳體的機械混合物，片層分布比索氏體更細密，在一般光學顯微鏡下無發(fā)分辨，只能看到黑色組織如墨菊狀，當其少量析出時，沿晶界分布呈黑色網(wǎng)狀包圍馬氏體，當析出量較多時則呈大塊黑色晶粒狀。只有在電子顯微鏡下才能分辨出其中的片層狀。（3）貝氏體（B）也是鐵素體與滲碳體的兩相混合，但其金相形態(tài)與珠光體不同，因鋼的成分和形成溫度不同

11、，其組織形態(tài)主要有三種：上貝氏體，下貝氏體，粒狀貝氏體。 (4) 馬氏體（M） 是碳在-Fe中的過飽和固溶體，馬氏體的組織形態(tài)是多種多樣的，歸納起來分為兩大類，即板條狀馬氏體和片狀馬氏體。板條狀馬氏體 在光學顯微鏡下，板條馬氏體的形態(tài)呈現(xiàn)一束束相互平行的細長條狀馬氏體群，在一個奧氏體晶粒內可有幾束不同取向的馬氏體群。每束內的條與條之間的小角度晶界分開，束與束之間具有較大的相位差，如圖所示，由于條狀馬氏體形成溫度較高，在形成過程中常有碳化物析出，即產生自回火現(xiàn)象，故在金相實驗時，易被腐蝕而呈現(xiàn)較深的顏色。因含碳低的奧氏體形成的馬氏體呈板條狀，故板條馬氏體又稱低碳馬氏體。圖1 板條狀馬氏體顯微組織

12、片狀馬氏體 在光學顯微鏡下，片狀馬氏體呈現(xiàn)針狀或竹葉狀，其立體形態(tài)為雙透鏡狀，因此成溫度較低沒有自回火現(xiàn)象故其顯微組織不易被浸蝕，所以顏色較淺，在顯微鏡下呈白亮色。透射電鏡觀察片狀馬氏體晶體內部為孿晶亞結構，故片狀馬氏體又稱孿晶馬氏體，因含較高的奧氏體形成的馬氏體呈片狀，故片狀馬氏體又可稱高碳馬氏體。馬氏體的粗細取決于原奧氏體晶粒的大小，即取決于淬火加熱溫度如高碳鋼在正常溫度下淬火加熱，淬火后可得到細小針狀的馬氏體，在光學顯微鏡下，僅能隱約見其針狀，故又稱為陷晶馬氏體。如淬火溫度較高，奧氏體晶粒粗大，則得到粗大針狀如圖2所示。圖2 粗大竹葉狀馬氏體+Ar（5）殘余奧氏體（Ar） 當奧氏體中含碳

13、量>0.5%時，淬火時總有一定量的奧氏體不能轉變?yōu)轳R氏體，而保留到室溫，這部分奧氏體就是殘余奧氏體，它不易受硝酸酒精腐蝕劑的浸蝕，在顯微鏡下呈白亮色，分布在馬氏體之間，無固定形態(tài)，淬火后未經回火，Ar與馬氏體很難區(qū)分，都呈白亮色，只有馬氏體回火后才能分辨出馬氏體間的殘余奧氏體。（6）回火馬氏體（Mr） 高碳馬氏體經低溫回火后，馬氏體分解，析出了與母相共格的極細小彌散的碳化物。這種組織稱為回火馬氏體。由于極小的碳化物析出使回火馬氏體易受浸蝕，所以在光學顯微鏡下觀察回火馬氏體仍保持針狀馬氏體形態(tài)，只是顏色比淬火馬氏體深，但極細小的碳化物分辨不清。在電子顯微鏡下則可觀察到細小的碳化物。（7）回

14、火屈氏體 淬火鋼進行中溫回火以后，得到回火屈氏體。它的金相組織特征是：在鐵素體基體上彌散分布著微小的粒狀滲碳體，鐵素體，鐵素體仍然基本保持原來的條狀或片狀馬氏體的形態(tài)，滲碳體顆粒很細小，在光學顯微鏡下不易分辨清楚，故呈暗黑色。用電子顯微鏡可以肯到這些滲碳體的質點，而且回火屈氏體仍然保持針狀馬氏體的位向。（8）回火索氏體 淬火鋼高溫回火得到回火索氏體，金相組織特征是已經聚集長大了的滲碳體顆粒均勻分布在再結晶的鐵素體基體上。但是某些合金鋼經調質處理后，鐵素體仍然保持針狀形態(tài)，因合金元素對于鐵素體的再結晶有阻礙作用，須更高的溫度才能完成再結晶。四、實驗設備和材料（1） 箱式電阻爐和控溫儀表；（2）

15、金相顯微鏡；（3） 洛氏硬度計；布氏硬度計；布氏洛氏硬度試塊；（4） 淬火水桶、油桶、火鉗、砂紙等, 45鋼試樣若干。（5） 金相試樣一套。五、實驗步驟1、測量標樣的布氏、洛氏硬度。1、領取試樣進行熱處理工藝實驗。2. 45鋼試樣放入860、780爐子內加熱，保溫后分別進行水冷、空冷操作。3. 將860水冷試樣中取出4塊45鋼試樣分別放入200、400、500、600的爐中進行回火、回火保溫時間為30分鐘。4. 洛氏硬度測試。5. 觀察金相組織,畫示意圖。六、實驗報告1. 實驗目的。2. 根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)及觀察到的顯微組織綜合分析a、加熱溫度與冷卻速度對鋼性能的影響；b. 不同回火溫度對材料組織和性能的影響,繪制45鋼回火溫度與硬度的關系曲線。c. 觀察熱處理后的金相組織，并畫出組織示意圖七、 其它說明（1）實驗前仔細閱讀實驗指導書。（2）熱處理操作及注意事項裝取試樣時爐子要斷電，裝取試樣后爐門要及時關好，并立即通電。試樣加熱時，盡量靠近熱電偶測出的溫度接近試樣溫度。實驗中注意計算保溫時間；保溫時要注意溫度控制儀表是否正常，以免跑溫或升溫太慢，發(fā)現(xiàn)問題應報告老師檢查。淬火冷卻時，將試樣迅速入油或入水。并不停地移動試樣，且不要拿出液面。熱處理后測定硬