1、实验八 碳钢的热处理及组织性能分析一、实验目的1. 掌握钢的退火、正火、淬火、回火工艺。2. 分析含碳量，加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响。3. 了解碳钢热处理后的基本组织。二、实验原理1. 热处理工艺通常由加热、保温、冷却三个阶段组成。退火：将钢加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却，如炉冷。正火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后在空气中冷却。淬火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后快速冷却，如淬入水或油里。回火：将淬火后的钢再加热到 A1 线以下某一温度后冷却。2. 热处理温度的选择亚共析钢：淬火、正火、退火的加热温度在 Ac3 以上 3050。共析钢，过共析钢：淬火、退火的
2、加热温度，在 Ac1 以上 3050；正火加热温度在 Acm 以上 3050。亚共析钢和过共析钢的淬火，退火温度范围不同（见图 8-1） ，这是由于如果亚共析钢的淬火温度过低，在 Ac1 以上 3050，这时钢的组织是铁素体和马氏体，使钢件上出现软点。而过共析钢在两相区加热后淬火得到的组织是马氏体和渗碳体。由于渗碳体本身硬度很高，不会影响钢的硬度；相反如果过共析钢加热到奥氏体单相区淬火，得到的组织是马氏体和大量的残余奥氏体，硬度反而要下降。图 8-1 淬火加热温度范围过共析钢在退火时若加热到奥氏体单相区，冷却时将在晶介析出网状渗碳体，使钢的塑性，冲击韧性降低。所以过共析钢退火加热温度不能过高。
3、过共析钢的正火主要是为了消除已经形成的网状渗碳体，只是加热到 Acm线以上才能使网状渗碳体全部溶入奥氏体，由于正火的冷却速度较快，网状渗碳体来不及析出而被消除。回火温度是根据零件所要求的机械性能确定的，通常将回火分为低温、中温、高温回火：低温回火：（150250 ）所得的组织为回火马氏体，硬度约为 HRC60，目的是降低淬火后的应力，减少钢的脆性，但保持钢的高硬度，这种回火常用于切削刀具和量具。中温回火；（350500 ）所得组织为回火屈氏体，硬度约为 HRC40，目的是获得高的弹性极限，同时有较好的韧性，主要用于中高碳钢弹簧的热处理。高温回火：（500650 ）所得组织为回火索氏体，硬度约为
4、 HRC30，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，主要用于中碳结构钢的热处理。3. 确定保温时间：保温时间与加热介质，加热温度，钢的成分和工件的形状尺寸等因素有关。生产上一般根据经验公式确定。试验中碳钢所用的保温时间可按每毫米直径 1 分钟计算。4. 冷却方法：热处理时的冷却方法适当，才能获得所要求的组织和性能，退火一般采用随炉冷却。正火多采用空气冷却，大件常进行吹风冷却。淬火的冷却方法非常重要。一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体组织；另一方面冷却速度应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为此，可根据 C 曲线图（见图8-2） ，估计连续冷却速度的
5、影响。图 8-2 淬火加热温度范围5. 碳钢的热处理后的显微镜组织(1) 共析钢连续冷却时的显微组织：V1 炉冷，得 100%的珠光体。V2 空冷，的较细的珠光体（即索氏体）V3 油冷，得屈氏体和马氏体和残余奥氏体V4 水冷，得马氏体和 A 残(2) 亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织：亚共析钢的 C 曲线与共析钢相比，在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线。V1 炉冷，得铁素体和珠光体。V2 空冷，得铁素体和索氏体。V3 油冷，得网状分布屈氏体和马氏体（可有少量贝氏体） 。V4 水冷，得马氏体。过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是过共析钢先析出的是渗碳体，并且连续冷却得不到贝氏体。6.
6、基本组织金相特征：(1) 索氏体(S)是铁素体与渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700 倍以上）放大才能分辨，硬度约为 HRC30。(2) 屈氏体(T)也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下无法分辨。当其少时析出时，沿晶介分布，呈黑色网状，包围着马氏体，当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。硬度约 HRC3540。(3) 马氏体(M)马氏体有两种形态。高碳马氏体呈针叶状，针叶大小不一，互不平行，最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将其分割，使以后形成的马氏体针的大小受到限制。并使针与针之间残留
7、有奥氏体。片状马氏体的硬度HRC6265，韧性较差，低碳马氏体呈板条状，许多平行的板条形成一束，束与束之间有较大的位向差，一个奥氏体晶粒内可有几个马氏体束或区，板条状马氏体的韧性较好。(4) 残余奥氏体 (Ar)奥氏体淬火时，被保留到室温的未转变的部分，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，未经回火时，Ar 与 M 很难区分，都呈白亮色；只有马氏体回火变暗后残余奥氏体才能被辨认。(5) 回火马氏体（ M 回 ）马氏体经低温回火（150250）所得到的组织为回火马氏体，它仍具有原马氏体形态的特征，针状马氏体由于有极细的碳化物析出，容易受浸蚀，在显微镜下为黑针状，M 回 具有高的强度和
8、硬度，而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。(6) 回火屈氏体（ T 回 ）马氏体经中温回火（350500）所得到的组织为回火屈氏体，保留有模模糊糊的马氏体外形。它是铁素体与细粒状渗碳体组织的混合物，用光学显微镜极难分辨，只有在电镜下才可观察到。回火屈氏体有较好的强度，最佳的弹性，韧性也较好。(7) 回火索氏体（ S 回 ）马氏体经高温回火（500650）所得到的组织为回火索氏体，它是再结晶了的铁素体基本上分布着粒状渗碳体，回火索氏体具有优良的综合机械性能。回火屈氏体和回火索氏体是淬火马氏体的回火产物，它的渗碳体呈粒状，且均匀分布在铁素体基体上，而屈氏体和索氏体是奥氏体过冷时直接形成的，它的渗碳
9、体呈片状，所以，回火组织同直接冷却组织相比，在相同的硬度下具有较好的塑性及韧性。三、实验设备及材料1. 设备：箱式电阻炉及控温仪表、洛氏硬度试验机、砂轮机、铁钳子；2. 材料：钢试样、水、油。四、实验内容1. 按下表工艺进行热处理操作，并测定经热处理后的各块样品的硬度。实验任务表热处理工艺 硬度值 HRC 或 HRB钢号 加热温度冷却方式回火温度1 2 3 平均换算为 HB或 HV预计组织炉冷空冷油冷水冷水冷 200水冷 400860水冷 60045750 水冷炉冷空冷油冷水冷水冷 200水冷 400750水冷 600T12860 水冷2. 观察实验室制备的下列样品的显微组织：样品序号 钢号
10、热处理工艺 腐蚀剂 显微组织1 45 钢 860空冷 4%硝酸酒精 F+S2 45 钢 860油冷 4%硝酸酒精 M+F3 45 钢 860水冷 4%硝酸酒精 M4 45 钢 860水冷，600回火 4%硝酸酒精 S 回5 T12 750水冷，200回火 4%硝酸酒精 M 回 +Cm+Ar6 T12 750球化退火 4%硝酸酒精P（粒状）+Cm（粒状）画出所观察样品的显微组织示意图五、实验步骤1. 全班每七人分成一组，每人一个试样。炉冷试样可由实验室事先处理好。2. 将炉温升到 860，放入钢样， （保温后其中一块气冷，一块油冷，四块水冷）和一块 T12 的试样（保温后水冷） 。3. 从两种加
11、热温度的水冷试样中各取出三块 45 钢和 T12 钢试样，分别放入200、400、600的炉内进行回火，回火保温时间为 30 分钟。4. 淬火时，试样用钳子夹好，出炉、入水迅速，并不断在水中或油中搅动，以保证热处理质量，取放试样时炉子要先断电。5. 热处理后的试样用砂轮磨去两端面氧化皮，然后测定硬度（HRC 或 HB）每个试样测三点，取平均值，并将数据填于表内。6. 每个同学必须抄下本组的全部实验数据，以便独立进行分析。六、实验报告要求1. 写出实验目的。2. 附上全套硬度数据。3. 画出冷却速度硬度；回火温度 -硬度曲线，并分析含碳量和淬火温度对硬度的影响。4. 画出所观察的热处理试样的显微组织示意图。
