实验七碳钢的热处理及硬度测定以及金相分析
实验项目名称：碳钢的热处理及硬度测定、金相分析
实验项目性质：综合实验
所属课程名称：金属材料与热处理
实验计划学时：4
一、实验目的
（1）熟悉碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。
（2）了解含碳量、加热温度、冷却速度等因素与碳钢热处理后性能的关系。
（3）分析淬火及回火温度对钢性能的影响。
（4）学会洛氏硬度计的使用。
（5）学会采用不同的热处理工艺，将会得到不同的组织结构，从而使钢的性能发生变化。
二、实验内容和要求
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，热处理的主要目的是改善钢材性能，提高工件使用寿命。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定
时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织发生了质的变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。
普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。
热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。Fe-FeC 相图和C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。
1、加热温度
（1）退火加热温度：完全退火加热温度，适用于亚共析钢，AC3+ （30~50C）；
球化退火加热温度，适用于共析钢和过共析钢，Ac i+ (30~50C)
(2)正火加热温度：对亚共析钢是AC3+ (30~50C)；过共析钢是Ac cm+
(30~50C),也就是加热到单相奥氏体区。
退火和正火的加热温度范围见图2-1所示。
图2-1退火与正火的加热温度
(3)淬火加热温度：对亚共析钢是AC3+ (30~50°C)；对共析钢和过共析钢是Ac i+ (30~50C),见图2-2。
钢的临界温度Ac i、AC3及AC cm，在热处理手册或合金钢手册中均可查到。
再经计算可求出钢的热处理温度。也可以利用铁碳相图决定A i、A3及Ac m点的温度再加上10~20C即近似Ac i、AC3及Ac cm，然后再计算热处理温度。表
是各种碳钢的临界温度。1200- A A cm
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图2-2 淬火加热温度范围
(4)回火温度：钢淬火后必须要回火。回火温度决定于最终所要求的组织和
性能。按加热温度，回火可分为低温、中温及高温回火三类。低温回火在
150~250C进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为HRC60,常用于切削刀
具和量具；中温回火是在350~500C进行回火，硬度约为HRC35~45，主要用于各类弹簧热处理；高温回火是在500~~650C进行，所得组织为回火索氏体，硬度为
HRC25~35,用于结构零件的热处理；高于650E的回火为珠光体，硬度较低。
例如，45钢的回火温度经验公式如下
T=200+K (60-X)
2-1
式中K――系数，当回火后要求的硬度值大于HRC30时，K=11;当硬度值
小于HRC30 时，K=12 ;
X ――所要求的硬度值(HRC)。
2、加热时间
热处理加热时间与许多因素有关，例如工件的尺寸、形状、使用的加热设备、装炉量、钢的种类；热处理类型、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。上述因素都要综合考虑，具体参考数据可查有关手册。
3、冷却方法
热处理的冷却方法至关重要，控制不同的冷却速度(即采用不同的冷却
方式)，可得到不同的组织，从而有不同的性能。
(1)退火一般采用随炉冷却，冷到500C左右，可以出炉空冷，不必在炉中冷到室温。
(2)正火多采用在空气中冷却，大件常进行吹风冷却。
(3)淬火采用急冷方式，即冷却速度应超过钢的临界冷却速度，以保证得到马氏体组织，另一方面冷却速度应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了调和上述矛盾，可以采用适当的冷却剂和冷却方式。常用的淬火方法有双液淬火、分级淬火、单液淬火、等温淬火等。
常用的淬火介质有清洁的自来水、浓度为5~10%的NaCI水溶液、矿物油等。
三、实验主要仪器设备和材料
1. 箱式电炉及控温仪表；
2. 水银温度计；
3. 洛氏硬度机；
4. 抛光机；
5. 金相显微镜；
6. 冷却剂：水、油；
7 .试样：20钢、45钢、T12钢四、实验方法、步骤及测试结果
1. 淬火部分的内容及具体操作步骤
(1)根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表3-2
(2)加热前先将全部试样测定硬度，一律用洛氏硬度测定。
(3)根据试样钢号，按照Fe-Fe3C相图确定淬火加热温度和保温时间(可按1分钟
/每毫米直径计算)。
(4)各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸磨平，以测出硬度值( HRC)
填入表2-2。
注：1~4组各种钢号一块，5组除20、T12钢各一块外，45钢取五块，以供回火用。2. 回火部分的内容及具体步骤:
(1)根据回火温度不同，分五个小组进行，见表3-3。各小组将已经正常淬火并测
定过硬度的45钢试样分别放入指定温度的炉内加热，保温30分钟, 然后取出空冷。
(2)有砂纸磨光表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值。
(3)将测定的硬度值分别填入表2-3中。
表2-3 回火实验
3 •洛氏硬度计测量方法：
(1)选择合适的压头及载荷。
(2)根据试件大小和形状选择载物台。
