实验4 钢的整体热处理及其非平衡组织观察

一、实验目的

1．了解碳钢整体热处理的原理及操作方法。

2．熟悉碳钢整体热处理后的组织与性能。

3．分析加热温度、冷却速度及回火温度对热处理材料组织与硬度的影响。

二、实验内容

在了解碳钢整体热处理的原理及操作方法的基础上，对45钢试样进行淬火和回火处理并通过用洛氏硬度计对淬火前、后和回火后的试样硬度进行测定来了解热处理对材料性能的影响；使用金相显微镜观察几种典型材料的非平衡组织。

三、实验原理

1．钢的整体热处理的概念

碳钢的热处理是指将碳钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。如果对碳钢进行穿透加热的热处理工艺被称之为钢的整体热处理；仅对碳钢的某一部位或几个部位进行热处理的工艺被称之为局部热处理。通过热处理能显著提高材料的力学性能及零件的使用寿命，因此热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。

热处理工艺过程分为加热、保温和冷却三个阶段，工艺曲线如图4-1所示。

图4-1 热处理工艺曲线

加热：多数碳钢零件进行热处理时，都需要加热到相变点以上，以获得全部或部分均匀的奥氏体组织。

保温：保温的目的是为了使零件内外都达到所要求的温度，充分完成组织转变。

冷却：冷却介质是影响碳钢最终所获得组织与性能的重要工艺因数，主要根据零件所要求的组织和性能来确定。同一种碳钢，在不同的介质中冷却时，由于冷却速度不同，过冷奥氏体处在不同温度下发生转变，得到不同的组织产物，具有不同的性能。

2．过冷奥氏体连续冷却转变曲线

图4-2 共析钢连续冷却转变曲线

实际生产中，普遍采用的冷却方式是连续冷却，图4-2 是通过实验测定的共析钢连续冷却转变曲线。从图中可以看出：Vc是得到全部马氏体组织（含少量残余奥氏体）的最小冷却速度，称为“临界冷却速度”，又称“上临界冷速”；V’c为奥氏体在连续冷却过程中全部获得珠光体的最大冷速，也称“下临界冷却速度”。如果实际冷却速度小于V’c时只发生珠光体转变，大于Vc时只发生马氏体转变，介于二者之间时先发生珠光体转变，后发生马氏体转变。共析碳钢连续冷却时没有贝氏体形成（无贝氏体转变区）。因此，掌握过冷奥氏体在连续冷却过程中的组织转变规律对制定热处理工艺具有很大的实际意义。

3．几种常用的热处理方法

碳钢的整体热处理一般分为淬火、回火、退火、正火四种，俗称“四把火”。同一种材料，采用不同的热处理方法，最终所获得的组织和性能均不同。

⑴ 碳钢的淬火

淬火是将钢加热到临界点Ac₁或Ac₃以上30℃～50℃，经过适当的保温后，在冷却介质中快速冷却，以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火可显著提高碳钢的强度和硬度，以适应零件的使用要求。而加热温度、保温时间和冷却速度是影响淬火质量的重要工艺参数。

淬火加热温度的确定：亚共析钢的淬火加热温度一般在Ac₃以上30℃～50℃，经过适当的保温后得到均匀细小的奥氏体组织，淬火后得到均匀细小的马氏体组织。若加热温度在Ac₁～Ac₃之间，此时亚共析钢的组织为铁素体和奥氏体，淬火后的组织为为铁素体和马氏体。由于铁素体的存在，显著降低了钢淬火后的硬度和强度。若加热温度过高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大马氏体，使钢的韧性变差，同时也增加了淬火应力，使零件变形和开裂倾向增大；共析钢和过共析钢的的淬火加热温度一般在Ac₁以上30℃～50℃，经过适当的保温后得到奥氏体或奥氏体与渗碳体，淬火后得到的马氏体或马氏体与少量渗碳体，由于渗碳体的存在，提高了淬火钢的硬度和耐磨性。若加热温度选在Ac_cm以上，渗碳体全部溶解于奥氏体中，淬火后得到粗大马氏体和残余奥氏体，使钢的硬度、耐磨性变差。若加热温度过低，得到非马氏体组织，淬火就失去意义。表4-1列出了部分常用碳钢的临界温度，供同学们实验时查阅。

保温时间的确定：加热、保温的目的是为了使零件表面和心部均达到所要求的加热温度，完成组织转变。保温时间主要取决于零件的大小、形状、加热介质以及热处理炉的装炉量等。本次实验选用圆柱形试样，淬火保温时间按直径每毫米保温1分钟计算。

淬火介质：冷却是淬火的关键工序，同一种碳钢，在不同的冷却介质中冷却时，由于冷却速度不同，最终得到的组织不同。常用的冷却介质有水、盐水和油，本次实验采用盐水冷却。

（2）淬火钢的回火

回火是将淬火后的碳钢加热到Ac₁以下某一温度，保温一定时间后，随炉冷却或空冷至室温的一种热处理工艺。

由于工件淬火后存在很大的内应力，易使工件发生变形甚至开裂，而且淬火后工件中的马氏体和残余奥氏体都是不稳定的组织，在室温下会发生分解，从而引起工件变形。因此，一般工件淬火后都要进行回火处理以消除内应力，提高韧性，获得稳定的组织和性能。

回火的加热温度在Ac_l以下，在回火的加热、保温过程中淬火马氏体和残余奥氏体都要发生分解和分解产物的聚集长大及再结晶。随着回火温度的升高，得到的回火组织依次为回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体。淬火钢的强度、硬度依次降低，韧性、塑性将逐渐升高，内应力也逐渐趋于消除。根据回火温度的不同，回火分为低温回火、中温回火、高温回火三种，其组织与性能特点如表4-2所示。

（3）碳钢的退火与正火

退火是将碳钢加热到临界点Ac_l或Ac₃以上30℃～50℃，经过适当的保温后，缓慢随炉冷却至室温的一种热处理工艺。由于冷却是缓慢进行，所以碳钢的退火组织接近平衡状态的组织，基本符合铁碳合金状态图的组织。退火可以降低工件的硬度，以利于切削加工。

正火是把碳钢加热到临界点Ac_l或Ac_cm以上30℃～50℃，经过适当的保温后，在空气中冷却至室温的一种热处理工艺。亚共析钢的正火组织为索氏体（细珠光体）和铁素体，共析钢的正火组织为索氏体，过共析钢的正火组织为索氏体和颗粒状渗碳体。正火可以细化晶粒，调整硬度，改善材料的切削加工性能。

由于正火比退火的冷却速度快，因此同一种材料的正火组织要比退火组织细小，硬度、强度也高。

碳钢的退火、正火的保温时间，可按工件每毫米厚度1.2～1.5分钟估算。

四、实验材料及设备

1．箱式电阻炉、洛氏硬度计、金相显微镜。

2．淬火钳、淬火介质（盐水）及水箱等。

3．45钢试样，几种典型材料的标准试样。

五、实验方法和步骤

1．学生3人一组，每组领取三块45钢试样，测定试样的硬度值（HRC）。确定45钢的淬火加热温度、保温时间、冷却介质等工艺参数。

2．将试样放人热处理炉中加热。当温度控制器的保温指示（红灯）第一次闪亮时开始计算保温时间。

3．保温时间一到，迅速取出试样放进盐水中进行淬火处理。

4．将试样表面的氧化皮用砂纸磨去，测定试样淬火后的硬度值（HRC）。

5．每组三块试样分别放入180℃、400℃、600℃的热处理炉中回火。回火时间到后，试样可在空气中冷却。

6．测定回火后试样的硬度值（HRC），按表4-3作好记录。

表4-3 热处理实验数据记录

材料	热处理工艺			洛氏硬度（HRC）
45	淬火加热温度/℃	淬火介质	回火温度/℃	淬火后	回火后
			180
			400
			600

7．利用金相显微镜观察、分析表4-4中几种典型材料经过热处理后的显微组织（非平衡组织）。

六、实验报告要求

简述金属材料热处理的原理及在工业生产中的应用。

列出实验数据表，说明45钢试样淬火后和回火后的组织变化。

绘制45钢试样淬火后的硬度随回火温度而变化的曲线。

分析加热温度、冷却速度及回火温度对热处理材料组织与硬度的影响。

列表说明几种典型材料热处理后的组织。

七、思考题

1．热处理工艺在工业生产中的意义与作用。

2．分析在热处理工艺中加热温度、冷却速度等工艺参数对碳钢组织和性能的影响。