鋼的熱處理及其對組織和性能的影響

1、鋼的熱處理及其對組織和性能的影響一、實驗?zāi)康? .熟悉鋼的幾種基本熱處理操作(退火、正火、淬火及回火)；2 .研究加熱溫度、冷卻速度及回火溫度等主要因素對碳鋼熱處理后性能的影響;3 .觀察和研究碳素鋼經(jīng)不同形式熱處理后顯微組織的特點；4 .了解材料硬度的測定方法，學(xué)會正確使用硬度計。二、實驗概述鋼的熱處理就是利用鋼在固態(tài)范圍內(nèi)的加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機(jī)械和工藝性能的一種操作。普通熱處理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。加熱溫度、保溫時間和冷卻方式是熱處理最重要的三個基本工藝因素。正確合理選擇這三者的工藝規(guī)范，是熱處理質(zhì)量的基本保證。1.加熱溫度選擇

2、(1)退火加熱溫度一般亞共析鋼加熱至AC3+(2030)C(完全退火)；共析鋼和過共析鋼加熱至Asi+(2030)C(球化退火)，目的是得到球化體組織，降低硬度，改善高碳鋼的切削性能，同時為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。(2)正火加熱溫度一般亞共析鋼加熱至AC3+(3050)C;過共析鋼加熱至Acm+(3050)C,即加熱到奧氏體單相區(qū)。退火和正火加熱溫度范圍選擇見圖3-1。圖1退火和正火的加熱溫度范圍圖2淬火的加熱溫度范圍(3)淬火加熱溫度一般亞共析鋼加熱至AC3+(3050)C;共析鋼和過共析鋼則加熱至AC1+(3050)C,加熱溫度范圍選擇見圖3-2。淬火按加熱溫度可分為兩種：加熱溫度高于AC

3、3時的淬火為完全淬火；加熱溫度在AC1和A(亞共析鋼)或AC1和Accm(過共析鋼)之間是不完全淬火。在完全淬火時，鋼的淬火組織主要是由馬氏體組成；在不完全淬火時亞共析鋼得到馬氏體和鐵素體組成的組織，過共析鋼得到馬氏體和滲碳體的組織。亞共析鋼用不完全淬火是不正常的，因為這樣不能達(dá)到最高硬度。而過共析鋼采用不完全淬火則是正常的，這樣可使鋼獲得最高的硬度和耐磨性。在適宜的加熱溫度下，淬火后得到的馬氏體呈細(xì)小的針狀；若加熱溫度過高，其形成粗針狀馬氏體，使材料變脆甚至可能在鋼中出現(xiàn)裂紋。（4）回火加熱溫度鋼淬火后都需要進(jìn)行回火處理，回火溫度取決于最終所要求的組織和性能（工廠常根據(jù)硬度的要求），通常按加

4、熱溫度的高低，回火可分為以下三類。低溫回火：加熱溫度為150c250C。其目的主要是降低淬火鋼中的內(nèi)應(yīng)力，減少鋼的脆性，同時保持鋼的高硬度和耐磨性。常用于高碳鋼制的切削工具、量具和滾動軸承件及滲碳處理后的零件等。中溫回火：加熱溫度為350C500C。其目的主要是獲得高的彈性極限，同時有高的韌性。主要用于各種彈簧熱處理。高溫回火：加熱溫度為500C650C。其目的主要是獲得既有一定的強(qiáng)度、硬度，又有良好的沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。通常把淬火后加高溫回火的熱處理稱做調(diào)質(zhì)處理。主要用于處理中碳結(jié)構(gòu)鋼，即要求高強(qiáng)度和高韌性的機(jī)械零件，如軸、連桿、齒輪等。2.保溫時間的確定為了使工件內(nèi)外各部分溫度均達(dá)到指

5、定溫度，并完成組織轉(zhuǎn)變，使碳化物溶解奧氏體成分均勻化，必須在熱處理加熱溫度下保溫一定的時間。通常將工件升溫和保溫所需時間算在一起，統(tǒng)稱為加熱時間。熱處理加熱時間必須考慮諸多因素，例如工件的尺寸和形狀，使用的加熱設(shè)備及裝爐量，裝爐時爐子的溫度，鋼的成分和原始組織，熱處理的要求和目的等等。實際工作中常根據(jù)經(jīng)驗大致估算加熱時間。一般規(guī)定，在空氣介質(zhì)中，升到規(guī)定溫度后的保溫時間，對碳鋼來說，按工件厚度（或直徑）每毫米一分鐘到一分半鐘估算；合金鋼按每毫米兩分鐘估算。在鹽浴爐中，保溫時間則可縮短12倍。對鋼件在電爐中保溫時間的數(shù)據(jù)可參考表3-1。表1鋼件在電爐中的保溫時間選擇參考數(shù)據(jù)材料工件厚度或直徑（毫

6、米）保溫時間（分）碳鋼2520255045507560低合金鋼2525255060507560當(dāng)工件厚度或直徑小于25毫米時，可按每毫米保溫一分鐘計算。3.冷卻方式和方法熱處理時冷卻方式（冷卻速度）影響著鋼的組織和性能。選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s方式，才能獲得所要求的組織和性能。退火一般采用隨爐冷卻。正火采用空氣冷卻，大件可采用風(fēng)冷。淬火的冷卻方法非常重要。冷卻速度是鋼在淬火過程中最主要的因素，它直接影響淬火產(chǎn)物和性能。一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度，以保證全部得到馬氏體組織；另一方面冷卻應(yīng)盡量緩慢，以減少內(nèi)應(yīng)力，避免工件變形和開裂。為了解決上述矛盾，可以采用不同的冷卻介質(zhì)和冷卻方法，使淬火工件在奧氏體

7、最不穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)（650C550C）快冷，超過臨界冷卻速度，以防珠光體類型轉(zhuǎn)變發(fā)生；而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域范圍內(nèi)（300C100C）,3-3所示。3淬火時的理想冷卻曲線示意圖則冷卻減慢，以減少淬火工件產(chǎn)生的應(yīng)力。理想的冷卻速度如圖淬火介質(zhì)不同，其冷卻能力不同，因而工件的冷卻速度也就不同。合理選擇冷卻介質(zhì)是保證淬火質(zhì)量的關(guān)鍵。對于碳鋼來說，用室溫的水作淬火介質(zhì)通常能保證得到較好的結(jié)果。目前常用的淬火介質(zhì)和它們冷卻能力見表3-2。表2常用的淬火介質(zhì)和其冷卻能力數(shù)據(jù)淬火介質(zhì)冷卻速度C/秒在650450c區(qū)間內(nèi)在200-300C區(qū)間內(nèi)水(18C)600270水(20C)500270水(50C)1002

8、70水（74C）3027010%苛性鈉水溶液（18C）120030010%氯化鈉水溶液（18C）11030050c礦物油150304.碳鋼熱處理后的組織碳鋼經(jīng)熱處理后的組織，可以是接近平衡狀態(tài)（如退火、正火）的組織，也可以是不平衡組織（如淬火組織）。因此在研究熱處理后的組織時，不但要用鐵碳相圖，還要用鋼的C曲線來分析。鐵碳相圖能夠說明慢冷時不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金的結(jié)晶過程和室溫下的組織，計算相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而C曲線則能夠說明一定成分的鐵碳合金在不同冷卻條件下的過冷奧氏體發(fā)生不同類型的轉(zhuǎn)變過程及能夠得到的組織。鋼從奧氏體狀態(tài)經(jīng)緩慢冷卻后，其組織（按平衡狀態(tài)看）分別由珠光體（共析鋼）或鐵素體+珠光

9、體（亞共析鋼）或珠光體十二次滲碳體（過共析鋼）所組成。但隨著冷卻速度的加快，則冷卻后將形成各種不平衡組織。當(dāng)冷卻速度不太大時，則過冷奧氏體分解形成珠光體類型的索氏體或屈氏體組織（共析鋼）。當(dāng)冷卻速度較快時，因過冷奧氏體來不及分解，直接形成碳在a-Fe中的過飽和固溶體，即馬氏體組織。它的強(qiáng)度、硬度很高，但同時使鋼的塑性大大下降，并有很大的殘余應(yīng)力出現(xiàn)。當(dāng)采用等溫冷卻時，在中溫相轉(zhuǎn)變區(qū)的產(chǎn)物是貝氏體組織。依據(jù)轉(zhuǎn)變溫度的高低，貝氏體又分為上貝氏體和下貝氏體兩種類型。（1）碳鋼的退火和正火組織亞共析碳鋼（如40鋼、45鋼等）一般采用完全退火，經(jīng)退火后可得接近平衡狀態(tài)的組織，其組織形態(tài)特征已在實驗一中做

10、過觀察和分析。過共析碳鋼（如T10鋼、T12鋼）則采用球化退火，退火后組織中的二次滲碳體和珠光體中的滲碳體都呈球狀（或粒狀）。（2）鋼的淬火組織鋼淬火后通常得到馬氏體組織。當(dāng)奧氏體中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時，淬火組織為馬氏體和殘余奧氏體。馬氏體可分為兩類板條馬氏體和片（針）狀馬氏體。（3）淬火后的回火組織回火是將淬火后的鋼件加熱到指定的回火溫度，經(jīng)過一定時間的保溫后，空冷到室溫的熱處理操作。回火時引起馬氏體和殘余奧氏體的分解。低溫回火（150250C）組織為回火馬氏體，馬氏體內(nèi)析出碳化物形成回火馬氏體，殘余奧氏體也轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體?；鼗瘃R氏體易受侵蝕，組織呈暗色針狀?；鼗瘃R氏體具有高的強(qiáng)度和

11、硬度，而韌性和塑性較淬火馬氏體有明顯改善。中溫回火（350500C）組織為回火屈氏體，它是由鐵素體和粒狀滲碳體組成的極細(xì)密混合物。回火屈氏體有較好的強(qiáng)度，最高的彈性，較好的韌性。高溫回火（500650C）組織的回火索氏體，它是由粒狀滲碳體和等軸形鐵素體組成混合物。回火索氏體具有強(qiáng)度、韌性和塑性較好的綜合機(jī)械性能。值得注意的是：回火所得到的回火索氏體和回火屈氏體與由過冷奧氏體直接分解出來的索氏體和屈氏體在顯微組織上是不同的，前者中的滲碳體呈粒狀而后者則為片狀。各種組織的硬度性能指標(biāo)范圍如下：珠光體1020HRC索氏體2225HRC屈氏體3642HRC馬氏體6265HRC回火馬氏體約60HRC,回

12、火屈氏體4048HRC回火索氏體2535HRC5.硬度試驗與硬度計的使用硬度是指金屬材料抵抗比它硬的物體壓入其表面的能力。硬度越高，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大。它是重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，它與強(qiáng)度、塑性指標(biāo)之間有著內(nèi)在的聯(lián)系。硬度試驗簡單易行，又不會損壞零件，因此在生產(chǎn)和科研中應(yīng)用廣泛。常用的硬度試驗方法有：布氏硬度試驗一一主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗，也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測定。所用設(shè)備為布氏硬度計。洛氏硬度試驗一一主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品性能檢測。所用設(shè)備為洛氏硬度計。洛氏硬度試驗一一主要用于薄板材或金屬表層的硬度測定，以及較精確的硬度測定。所用設(shè)備為維氏硬度計。顯

13、微硬度試驗一一主要用于測定金屬材料的組織組成物或相的硬度。所用設(shè)備為顯微硬度計。（1）布氏硬度試驗1）原理用載荷為P的力，把直徑為D的淬火鋼球壓入金屬試件表面，并保持一定時間，而后卸除載荷，測量鋼球在試件表面上所壓出的壓痕直徑d,據(jù)此計算出壓痕球面積F,然后再計算出單位面積所受的力（P/F值），用此數(shù)字表示試件的硬度值，即為布氏硬度，用符號HB表示。布氏硬度試驗原理如圖3-11所示。設(shè)壓痕深度為h則壓痕球面積為P圖3-4布氏硬度計試驗原理示意圖F=Dh=：D（D一D2二d22試樣硬度值為：HB=PF=2P.二D（.D2-d2式中P施加的載荷，kg或N;D壓頭（鋼球）直徑，mmd壓痕直徑，mm2

14、F壓痕面積，mm布氏硬度值的大小就是壓痕單位面積上所承受的壓力。單位為kg/mnf或N/mn2,但一般不標(biāo)出。硬度值越高，表示材料越硬。實驗室只要測出壓痕直徑d（毫米），通過計算或查表即可得出HB值。由于金屬材料又軟又硬，工件有薄有厚，有大有小，為適應(yīng)不同的情況，布氏硬度的鋼球有（）2.5mm（）5mm（）10mm種。載荷有15.6kg、62.5kg、187.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七種。當(dāng)采用不同大小的載荷和不同直徑的鋼球進(jìn)行布氏硬度試驗時，只要能滿足P/D2為常數(shù)，則同一種材料測得的布氏硬度是相同的。而不同材料所測的布氏硬度值也可以進(jìn)行比較。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定P

15、/D2的比值為30、10、2.5三種。在試樣厚度和截面大小允許的情況下，盡可能選用直徑大的鋼球和大的載荷，這樣更易于反映材料性能的真實性。另外，由于壓痕大，測量的誤差也小。所以，測定鋼的硬度時，一般規(guī)定采用10mmiW球、3000kg的載荷、保荷時間為10秒。試驗后的壓痕直徑應(yīng)在0.25Dd0.6D的范圍之內(nèi)，否則試驗結(jié)果無效。因為若d太小，則靈敏度和準(zhǔn)確性將隨之降低；若d太大，則壓痕的幾何形狀不能保持相似的關(guān)系，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。布氏硬度的表示方法是：壓頭為鋼球時用HBS,壓頭用硬質(zhì)合金時用HBW若用10mm鋼球，在3000kg載荷下保荷10s,測得布氏硬度值為400時，可以表示為400

16、HBs若用硬質(zhì)合金球為壓頭，則表示為400HBW在其他試驗條件下，符號HB應(yīng)以相應(yīng)的指數(shù)注明鋼球直徑、載荷大小及載荷保持時間。例如，100HB5/250/30即表示：用5mm直徑鋼千在250kg載荷下保持30s時，所測得的布氏硬度為100。布氏硬度試驗方法和技術(shù)條件有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。表3-3為布氏硬度的試驗規(guī)范。實際測定時，應(yīng)根據(jù)金屬材料種類、試樣硬度范圍和厚度的不同，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)范，選擇鋼球直徑、載荷及載荷保持時間。表3布氏硬度試驗規(guī)程金屬材料布氏硬度范圍/HB試件厚度/mm載荷P與壓頭直徑D的關(guān)系鋼球直徑D/mm載荷P/kg載荷保持時間/s黑色金屬140450632P=30D210300

17、01042575022.5187.562P=10D210100010635250130634222P=30D21052.53000750187.53036130962P=10D21010003063525062P=2.5D2102503063562.5175bb=3.55HB(MPa)鑄鋁合金一b產(chǎn)2.55HB(MPa)退火黃銅一b/5.39HB(MPa)冷加工后黃銅、青銅一產(chǎn)3.92HB(MPa)缺點：采用的壓頭是淬火鋼球，由于鋼球本身的變形和硬度問題，致使不能測試太硬的材料。一般在450HB以上就不能使用。由于壓痕較大，不適宜成品檢驗。布氏硬度試驗常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等的

18、原材料以及結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)后的硬度。（2）洛氏硬度試驗洛氏硬度試驗是目前應(yīng)用最廣的試驗方法，和布氏硬度一樣，也是一種壓入硬度試驗,但它不是測定壓痕的面積，而是測量壓痕的深度，以深度的大小表示材料的硬度值。1）原理洛氏硬度試驗的壓頭采用錐角為1200的金剛石圓錐頭或直徑為1.588毫米（1/16英寸）的鋼球。載荷先后兩次施加，先加預(yù)載荷Po,然后加主載荷P1,在總載荷的作用下，將壓頭壓入金屬材料表面來進(jìn)行的硬度測定。其總載荷為P（P=P0+P1）。洛氏硬度試驗試驗原理如圖3-12所示。在圖3-12中，0-0位置為金剛石壓頭沒和試樣接觸時的位置；1-1位置為壓頭與試樣觸，并受到預(yù)載荷P0（規(guī)定為10kg

19、）后壓入樣的深度為h。的位置；2-2位置為壓頭受到主荷P1后壓頭壓入試樣的深度為h1的位置；3-3置為壓頭卸除主載荷R后仍保留預(yù)載荷P下的位置，由于試樣彈性變形的恢復(fù)，而使壓頭置提高了h2O此時壓頭受主載荷作用實際壓入樣的深度為h（h=h2-%）。h值的大小可用來量材料的軟硬程度。金屬越硬，壓痕深度越??；屬越軟，壓痕深度越大。為了適應(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，人為的規(guī)定，用一常數(shù)K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度的指標(biāo)，并規(guī)定每0.002毫米為一個洛氏硬度單位。用符號HRI示，則洛氏硬度值為：HR=（Kh）/0.002此值為一無名數(shù)。并可從硬度計的表盤指示器上直接讀出。使用金剛石壓頭時，

20、常數(shù)K為0.2毫米，黑色表盤刻度所示；使用鋼球壓頭時，常數(shù)K為0.26毫米，紅色表盤刻度所示。為了可以用一種硬度計測定出從軟到硬的金屬材料硬度，采用了不同的壓頭和總載荷，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)度，每一種標(biāo)度用一個字母在硬度符號HR后加以注明，常用的是HRAHRBHRCH種。洛氏硬度t驗規(guī)范見表3-4。各種洛氏硬度值之間不能直接進(jìn)行比較，但可通過實驗測定的換算表（略）進(jìn)行相對比較。各種洛氏硬度之間，洛氏硬度和布氏硬度值間都有一定的換算關(guān)系。對于鋼鐵材料，大致有下列關(guān)系式：HRC=2HRA-104HB=10HRC（HRC=4060范圍）HB=2HRB2）洛氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點：優(yōu)點：操作迅速

21、簡便，壓痕較小，可在工件表面進(jìn)行試驗，可以各種金屬材料的硬度，也可以測量較薄工件或表面薄層的硬度。缺點：壓痕較小，代表性差，由于材料中有偏析及組織不均勻等情況，使所測硬度值的重復(fù)性差，分散度較大。表5洛氏硬度的試驗規(guī)范標(biāo)度符號壓頭類型總載荷/kg表盤上刻度顏色常用硬度值范圍應(yīng)用舉例HRA金剛石圓錐60黑色7085碳化物、硬質(zhì)合金、表面硬化工件等HRB鋼球100紅色25100軟鋼、退火或正火鋼、銅合金等等HRC金剛石圓錐150黑色2067適用淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等3）洛氏硬度計的構(gòu)造與操作洛氏硬度計種類較多，外形構(gòu)造也各不相同，但構(gòu)造原理及主要部件均相同。圖洛氏硬度計外形構(gòu)造及機(jī)構(gòu)示意圖。3-6為fb

22、）希氏硬愜件機(jī)構(gòu)而甄酒1a1L.2載柄h叫Itltb猾壯桿桿行蓑fih6罐仲裝或；7秋諭ff圈U）硬度計外壽1讀數(shù)門外乘工盤去/就鞫白!4升腎*杠手帕再加覷手梢仔卸出手M圖6洛氏硬度計外形及機(jī)構(gòu)示意圖洛氏硬度計操作方法如下:a）按表3-4選擇壓頭和載荷；b）根據(jù)試樣大小和形狀選用載物臺；c）將試樣上下兩面磨平，然后置于載物臺上；d）加預(yù)載荷，按順時針方向轉(zhuǎn)動升降機(jī)構(gòu)的手輪,度盤上小針移動至小紅點為止；e）調(diào)整刻度盤（圖3-7）,使表盤上的長針對準(zhǔn)硬度值的起點。如測定HRCHRA硬度時，長針與表盤上黑字C處對準(zhǔn)；測定HRB更度時，長針與表盤上紅字B處對準(zhǔn)；f）加主載荷，平穩(wěn)地扳動加載手輪，手柄自

23、動升高至停止位置（時間為57秒）并停留10秒（保荷時間）；g）卸主載荷，扳回加載手柄至原來位置；h）讀取硬度值，讀數(shù)表盤上長針指示的數(shù)字為硬度的讀數(shù)，HRCHRA賣黑色數(shù)字，使試樣與壓頭接觸，并觀察讀數(shù)刻讀紅色數(shù)字;HRBi）降下載物臺，當(dāng)試樣完全離開壓頭后，方可取下試樣;j）用同樣的方法在試樣的不同位置測定三個數(shù)據(jù)，取其算術(shù)平均值為所測試樣的硬度。（3）維氏硬度試驗1）原理維氏硬度的測定原理基本上和布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積上的載荷計量硬度值。維氏硬度試驗原理圖3-15所示。所不同的是維氏硬度試驗采用的壓頭為金剛石的圖8維氏硬度計試驗原理示意圖錐面夾角為136的正四棱錐體壓頭。試驗時

24、，在載荷P（公斤力）的作用下，試樣表面上壓出一個四方錐形的壓痕，測量壓痕對角線長度米2）,以P/F的數(shù)值表示試樣的硬度值，用符號2）維氏硬度的優(yōu)缺點優(yōu)點：它有一個連續(xù)一致的標(biāo)度，試驗載荷可以任意選擇，所測硬度值比布氏硬度精確，可以比洛氏硬度能更好地測定極薄試樣的硬度。甚至金相組織中各相的硬度。缺點：操作較為麻煩，其硬度值需要測量對角線，然后計算或查表獲得，生產(chǎn)率不如洛氏硬度試驗高，因此，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗。適用于實驗、科研等領(lǐng)域。（4）顯微硬度試驗顯微硬度試驗實質(zhì)上就是小負(fù)荷的維氏硬度試驗，其原理和維氏硬度試驗一樣，所不同的是負(fù)荷以克計量，壓痕對角線長度以微米計量。試樣必須制成金相試樣

25、，在顯微鏡下操作測量。主要用來測定各種組成相的硬度。顯微硬度符號用HM表示。三、實驗設(shè)備及材料本實驗主要設(shè)備有：箱式電阻爐，田期電爐，洛氏硬度計，金相顯微鏡，長柄鐵鉗等。所用實驗材料有：45鋼和T12鋼試樣，鋼的各種不平衡組織樣品，金相圖譜，冷卻介質(zhì)水和油，砂紙等。四、實驗內(nèi)容1 .按表7所列工藝進(jìn)行熱處理操作實驗。2 .使用洛氏硬度計測定熱處理后試樣的硬度；3 .觀察表8中各種樣品的顯微組織。表7熱處理實驗任務(wù)表（45鋼）熱處理工藝硬度值HRC或HRB組織加熱溫度/C冷卻方法回火溫度/C123平均值爐冷一氣冷一油冷一860水冷一水冷200水冷400水冷600750水冷一表8觀察樣品的材料、熱處理工藝和顯微組織樣品編號材料