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基于硬度回归法测定退火碳钢的含碳量

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第３２卷　第１期　２０１２年１月　物　理实　验　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴ１０Ｎ　Ｖ０Ｉ．３２　ＮＯ．１　Ｊａｎ．，２０１２　

实　验　技　术　与　基于硬度回归法测定退火碳钢的含碳量　徐剑　，许耀东　（１．上海市大众工业学校，上海２０１８００；２．上海工程技术大学，上海２００４３７）　摘要：测量了已知退火碳钢的硬度，揭示了含碳量与硬度线性相关的特性．利用最小二乘法进行回归分析，得到　硬度与含碳量的线性方程，并以此实现对未知碳钢的估计．另通过金相组织观察法和杠杆定律再次对未知碳钢含碳量　进行估计，结果发现与硬度测量法估计的含碳量基本一致．比较两种方法，硬度测量法更客观，更准确．并与标准金相图　谱比对，进一步验证了实验结论．　关键词：硬度；含碳量；线性相关；最小二乘法；金相观察；杠杆定律　中图分类号：ＴＧｌ１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－４６４２（２０１２）０１—００３０—０３　１　引　言　根据国标规定，钢按化学成分可分为碳钢和　合金钢．碳钢主要由铁元素和碳元素组成，又称　铁碳合金．合金钢是在碳钢的基础上添加了钨、　钼、铬、钒等合金元素．由于合金钢中合金元素的　存在使得晶体的晶粒得到细化，并在晶界上形成　碳化物的硬质点相，使得硬度呈现多样化的特点．　而对于碳钢由于不含合金元素，硬度表现相对单　一，可通过含碳量、金相组织和晶粒大小来分析．　退火碳钢由于其金相组织和晶粒的大小由退火状　态决定，所以其硬度与含碳量有关．根据摩擦学　原理得知，对于退火状态的碳钢，通常认为硬度与　含碳量成正比关系Ｌ１］．为了反映硬度与含碳量的　关系规律，本文通过对已知牌号退火碳钢进行硬　度测量，对测量数据进行相关性分析和线性回归，　最终得到碳钢硬度和含碳量的线性回归方程．通　过硬度测量和回归方程对未知碳钢进行估计，估　计的结果与金相观察法和标准图谱比对法得到的　结果相一致．　２　实验测量　对２０，Ｔ８，Ｔ１２退火碳钢进行布氏硬度测量，　实验采用的仪器为ＨＢＲＶＵ一１８７．５型布洛维光　学硬度计．具体数值如表１所示．４Ｄ２．５为压痕　直径，是硬度实验中采用直径２．５　ｍｍ的淬火钢　球作为压头所得工件压痕直径按１０　ｍｍ标准乘　以系数４折算后的查表直径．　袭１硬度测量实验数据　材料　４Ｄ２．５／ｍｍ　硬度／ＨＢＳ　１　２　３　４　５　平均值（Ｆ／Ｄ　＝３Ｏ）　

３数据处理　３．１相关性计算　设定ｚ　为第ｉ种碳钢的含碳量，Ｙ　为第ｉ种　碳钢测量的硬度，　，岁为算术平均值，ｒ　为相关　系数嘲．其中５一∑Ｘ　／ｎ，ｙ一∑Ｙ　／　，　∑（　一　）（　一　）　一了　＝＝＝＝１　＝＝＝‘　√　—ｘ）ｚ√　（　ｔ一　根据实验测得的数据进行相关性计算，得到　数据如表２所示．由表２可得平均值　一　０．７３３　，ｙ一１９７．７　ＨＢＳ，∑（ｚ　一ｘ）。一０．５１，　∑（　ｆ—　）　＝１　５８４．７，∑（　－－ｘ）（　－－ｙ）一２８．３．　根据表２数据，结合式（１），计算出　一０．９９９　９，　可知含碳量和硬度值属于线性相关［３］．　收稿日期：２０１１—０６—１０；修改日期：２０１１－１０—３１　作者简介：徐剑（１９７６一），男，上海嘉定人，上海市大众工业学校中教一级，学士，主要从事机械设计及其自动化方向　研究．　２＾　２　７　６　５　２＾　３　６　２　Ｏ　＾　４　６　ｏｏ　６　７　Ｏｏ　１　５　Ｏ●０　●　４　４　４　Ｏ　Ｏ　２　８　７　２　Ｏ　＾　４　６　Ｏ　４　５　５　８　６　９　９　４　３　Ｏ　２　Ｏ　６口●８５　２　Ｏ　４　４　４　０　２　６　４　０　１　６　１　Ｏ　●４』　４　０　２　１　ｒ

　第１期　徐剑，等：基于硬度回归法测定退火碳钢的含碳量　表２相关性计算数据　ｚ　／ｏ／　ｙｌ／ＨＢＳ　ｚ　一　Ｙ　一　（ｚ　一　）。　（　一　）　Ｏ．２　０．８　ｌ＿２　３．２最小二乘法回归　设　＝＝＝口１ｚ　＋口０，ｉ一１，２，３，…，　，　（２）　其中　为硬度值，　为含碳量（　）．跟据最ｒｉｔＺ．　乘法的原理嘲，设ｅ　一ａｌ　＋口。一　，则∑ｅ；一　∑（ｎ　＋口。一　）　，令Ｑ一∑Ｐ　取最小值，则　ａＱ—ａ∑（口１　＋口。一．ｙ　）。　ａｎ１　ａＱ—ａ∑（ｎ１　＋ｎ０一　）。　３ａｏ　３ａｏ　一０，　（３）　未知碳钢的牌号为３５．　表３优质碳素结构钢的牌号和化学成分　（摘自国标１９９９版ＧＢ／Ｔ　６９９－－１９９９）　

一Ｏ・　（４）　４．２　利用金相观察法进行估计　将ｉ一１，２，３实际测得的３点（０．２，１６８），　（Ｏ．８，２０１），（１．２，２２４）代入式（３）和（４）中的（ｚ　，　），化简后得到　４．２４ａ１＋４．４口。一９２６．４，　（５）　４．４口１＋６ａｏ一１　１８６．　（６）　对式（５）和式（６）建立方程组，求得系数ｎ　一　５５．９２１，ｎ。一１５６．６５８，代入式（２），得到碳钢硬度　与含碳量的回归方程：Ｙ一５５．９２１ｘ＋１５６．６５８，其　回归关系曲线　如图１所示．　

ｘ／％　图１硬度值和含碳量的回归关系曲线　４未知碳钢估计　４．１利用硬度测量法进行估计　对未知退火碳钢进行布氏硬度测量，具体数　据如下：压痕直径４Ｄ２．５测量数值为４．５７６，　４．５７６，４．４９６，４．５６０，４．５１２，平均值为４．５４４，硬　度（Ｆ／Ｄ　一３０）１７５／ＨＢＳ．　将硬度值１７５代人拟合方程　：５５．９２１ｘ＋　１５６．６５８中的　，求出　≈Ｏ．３３．根据优质碳素结　构钢的牌号和化学成分［６　（表３），可以估计出此　利用金相图法对碳钢进行估计一般是对退火　和正火态的碳钢进行估计，对于低中碳钢的估计，　利用铁素体和珠光体的比例对含碳量进行估计．　对于高碳钢可利用珠光体和渗碳体所占比例进行　估计［７］．对未知碳钢试样在４００×的金相显微镜　下观察，得到如图２所示的显微组织．经观察组　织由白色的铁素体和黑色的珠光体组成，其中铁　素体约占５５　，珠光体约为４５　．已知碳钢中纯　铁素体组织含碳量约为０．０２１　８　，纯珠光体含碳　量约为０．７７％．根据杠杆定律，设未知碳钢的含　碳量为ｚ，则有　ｚ—　．Ｏ２１　８一＾Ｅ　ｏ　０．７７—０．０２１　８　。　’　求得ｚ一０．３６，即估计的含碳量为０．３６　．对照　表３中优质碳素结构钢的牌号和化学成分得知，　未知碳钢的牌号为３５．　

图２未知退火碳钢显微组织（４００×）　３　３　８　１　２　９　Ｏ　１　９　７　３　Ｏ　２　１　１　１　１　４　Ｏ　１　３　８　１　９　８　６　４　４　８　４　４　７　８　Ｏ　１　２　Ｏ　２　Ｏ　Ｏ　Ｏ　７　３　３　６　３　３　６　３　３　６　３　３　９　３　６　２　２　—　３　７　７　３　６　６　３　６　６　５　Ｏ　４　Ｏ　Ｏ　Ｏ　—　ｏｏ　１　４　６　Ｏ　２　１　２　２　∞∞ｌ－—

　３２　物理实验　第３２卷　４．３金相图谱比对　根据标准金相图谱中３５钢的显微组织嘲（图　３），经对比，与实验观察的金相图基本一致，进一　步验证该未知碳钢为３５钢．　

图３标准金相图谱退火３５钢显微组织（４００×）　５　结　论　随着碳钢含碳量的增加，硬度也逐渐增大，对　于退火碳钢由于未发生热处理后的相变，所以使　硬度和含碳量呈现线性相关的特征．通过对已知　退火碳钢的硬度测量和最小二乘法线性拟合分　析，可以建立硬度与含碳量的线性方程．据此可　实现通过硬度测量法对未知碳钢进行定量估计．　利用金相观察法可以对退火碳钢进行估计，也可　以对正火碳钢进行估计，但肉眼观察显微组织各　相所占百分比时主观存在一定的估计偏差，不如　硬度测量法更客观、估计更精确．　参考文献　［１３　Ｅ２］　［３］　Ｅ４］　

Ｅ５］　Ｅ６］　Ｅ７］　Ｅ８］　温诗铸，黄平．摩擦学原理ＥＭ］．北京：清华大学出　版社，２００２：３０７—３０８．　曹昭．一元线性回归中的相关系数与回归直线斜率　探讨［Ｊ］．统计与决策，２００９（９）：１４７—１４８．　冯正南，宋文福．浅析相关系数的显著性检验ＥＪ］．　大学物理实验，２００９（９）：８５—８７．　徐国章，李宏海，李建华．曲线拟合的最小二乘法在　数据采集中的应用［Ａ］．中国自动化学会全国第九　届自动化新技术学术交流会论文集［ｃ］．承德，　２００４：１９９—２０１．　何菊明，王芙．实验数据的线性拟合及计算机处理　［Ｊ］．武汉工程大学学报，２００８（１）：１１７—１ｌ９．　许德珠．机械工程材料［Ｍ］．北京：高等教育出版　社，２００７：５４—５５．　刘延辉，何亮，林文松．提高铁碳合金相图课堂教学　效果探微［Ｊ］．上海工程技术大学教育研究，２０１０　（１）：３３—３５．　金相分析图谱ＥＥＢ／ＯＬ］．中国金相分析网．ｈｔｔｐ：／／　ｗｗｗ．ｃｈｉｎａ—ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ．ＣＯｉＴ１．　

Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｃａｒｂｏｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ａｎｎｅａｌｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｕｓｉｎｇ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ｍｅｔｈ　ＸＵ　Ｊｉａｎ　，ＸＵ　Ｙａｏ—ｄｏｎｇ　（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０　１　８００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００４３７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃａｒｂｏｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ａｎｎｅａｌｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ．Ｂｙ　ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅ　ｆｉｔｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔＯ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｗａｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｏ　ｔｈａｔ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｍｅｔａ１ｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｅｖｅｒ　ｌａｗ．Ｙｅｔ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ—ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｍｏｒｅ　ｏｂｊ　ｅｃ—　ｔｉｖｅ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｍｅｔａＩｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｃｈａｒｔ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｔｈｉｓ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｒｄｎｅｓｓ；ｃａｒｂｏｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ；ｌｉｎｅａｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ；ｌｅａｓｔ　ｓｑｕａｒｅ　ｍｅｔｈｏｄ；ｍｅｔａｌ１ｏｇｒａｐｈｉｃ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ：ｌｅｖｅｒ　ｌａｗ　［责任编辑：郭

伟］

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低碳钢的含碳量为多少

低碳钢的含碳量为多少

低碳钢的含碳量为多少

低碳钢为碳含量低于0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。

低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好，可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢还具有良好的焊接性。低碳钢一般是指含碳量在0.10～0.25%之间的钢.这类钢硬度低,塑性好,便于采用冷塑变形成型工艺，焊接和切削，

常用于制造链条， 铆钉， 螺栓， 轴等。

低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳钢硬度很低，切削加工性不佳，正火处理可以改善其切削加工性。

金属材料硬度实验测定实验报告

金属材料硬度实验测定实验报告

金属材料硬度实验测定实验报告

金属材料硬度实验测定实验

一、实验目的

(1)了解硬度测定的基本原理及常用硬度试验法的应用范围。

(2)学会正确使用硬度计。

二、实验设备

（1）布氏硬度计

（2）读数放大镜

（3）洛氏硬度计

（4）硬度试块若干

（5）铁碳合金退火试样若干（ф20×10mm的工业纯铁，20，45，60，T8，T12等）。

（6）ф20×10mm的 20，45，60，T8，T12钢退火态，正火态，淬火及回火态的试样。

三、实验内容

1、概述

硬度是指材料抵抗另一较硬的物体压入表面抵抗塑性变形的一种能力，是重要的力学性能指标之一。与其它力学性能相比，硬度实验简单易行，又无损于工件，因此在工业生产中被广泛应用。常用的硬度试验方法有：

布氏硬度试验――主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。

洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后产品性能检验。

维氏硬度试验——用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。 显微硬度试验——主要用于测定金属材料的显微组织组分或相组分的硬度。

2、实验内容及方法指导

（1）布氏硬度试验测定。

（2）洛氏硬度试验测定。 （3）试验方法指导。

3、实验注意事项

（1）试样两端要平行，表面要平整，若有油污或氧化皮，可用砂纸打磨，以免影响测定。

（2）圆柱形试样应放在带有“V”形槽的工作台上操作，以防试样滚动。

（3）加载时应细心操作，以免损坏压头。

（4）测完硬度值，卸掉载荷后，必须使压头完全离开试样后再取下试样。

（5）金刚钻压头系贵重物品，资硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其它物件碰撞。

（6）应根据硬度实验机的使用范围，按规定合理选用不同的载荷和压头，超过使用范围，将不能获得准确的硬度值。

四、实验步骤

1、布氏硬度 试验

布氏硬度试验是用载荷P把直径为D的淬火钢球压人试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试样表面上所压出的压痕直径d，从而计算出压痕球面积A，然后再计算出单位面积所受的力（P/A值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号HB表示。

JIS G0558-1998 钢的脱碳层深度测定方法(译)

JIS G0558-1998 钢的脱碳层深度测定方法(译)

日本工业标准

钢的脱碳层深度测定方法

JIS G 0558：1998

翻译：范海东

审核：傅金明

批准：祝宜明

整理：开发部

2004年12月

日本工业标准 JIS G 0558：1998

钢的脱碳层深度测定方法

前言：本标准1956年制定，1977年作了部分修改。这次为推动钢铁JIS 的

国际标准化，对应于ISO 3887 1976碳素钢及低合金钢的脱碳层深度的测定方法

的统一化，又进行了修改。

主要修改了以下几点：

a).试验方法中增加了根据碳含量的测定方法（见附录）与ISO一致。

b).为于别的JIS统一，增加了试验项目。

c).对报告的项目作了新的规定，内容上与ISO统一。

1．适用范围 规定了钢的脱碳层深度的测定方法。

备注：与本标准对应的国际标准如下所示

ISO 3887 1976 碳素钢及低合金钢的脱碳层深度的测定方法

2．引用标准 引用了下面列举标准的一部分。这些引用标准采用最新版本（含追

补）

JIS G 0201 钢铁名词(热处理)

JIS G 0202 钢铁名词(试验)

JIS G 1211 钢和铁-碳的定量方法

JIS G 1253 钢和铁-火花放电发光分光分析法

JIS G 2244 维氏硬度试验方法

3． 定义

主要名词除JIS G 0201及JIS G 0202以外，还有下例

a） 碳层：由于钢的热加工或热处理而使其表层碳含量减少的部分。

b）脱碳层深度：从脱碳层表面到脱碳层与基体在化学和物理性质差异不能区别

位置的距离。

备注： 这所说的化学性质是用显微组织或含碳量来判断，物理性质用硬度来判

断。

c铁素体脱碳层深度在钢的表面由于脱碳而全部转变成铁素体部分的深度。

备注：这里铁素体脱碳层深度，用显微组织来判定。

d．特定残碳率脱碳层深度 指从表面到某一定残碳率（残留碳含量与基体碳含量

的比率）位置的距离。

备注：这里用组织来判断。

e）实用脱碳层深度 指从表面到使用上不受影响的硬度的距离。

碳钢热处理实验

碳钢热处理实验

碳钢热处理实验

碳钢热处理实验报告

专业:

班级:

组别:

组员名单：

姓名学号XX⼤学机电⼯程系

指导⽼师：20XX年X⽉

碳钢的热处理实验1

⼀．实验⽬的

（1）了解碳钢热处理⼯艺操作。

（2）学会使⽤马⽒体测量材料的硬度性能值。

（3）探讨淬⽕温度、淬⽕冷却速度、回⽕温度对40钢和T12钢的组织和性能的影响。

（4）巩固课堂教学所学相关知识，体会材料的成分—⼯艺—组织性能之间关系。

⼆、概述

热处理是⼀种很重要的热加⼯⼯艺⽅法，也是充分发挥⾦属材料性能潜⼒的重要⼿段。热处理的主要⽬的是改变钢的性能，其中包括使⽤性能及⼯艺性能。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结构可以发⽣⼀

系列变化。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。

钢的热处理基本⼯艺⽅法可分为退⽕、正⽕、淬⽕和回⽕等。

三．实验原理(1)钢的热处理

1.钢的退⽕：

钢的退⽕指将钢加热到⼀定温度并保温⼀段时间，然后使它慢慢冷却的过程。钢

的退⽕是将钢加热到发⽣相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理⽅法。2.钢的正⽕:

正⽕，⼜称常化，是将⼯件加热⾄Ac3或Acm以上40~60℃，保温⼀段时间后，从炉中取出在空

⽓中或喷⽔、喷雾或吹风冷却的⾦属热处理⼯艺。其⽬的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，

去除材料的内应⼒，降低材料的硬度。3.钢的淬⽕：

所谓淬⽕就是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1(过共析钢)以上30～50℃，保温后放⼊各种不同的冷却介质中（ V冷应⼤于V临），以获得马⽒体组织。碳钢经淬

⽕后的组织由马⽒体及⼀定数量的残余奥⽒体所组成。

为了正确地进⾏钢的淬⽕，必须考虑下列三个重要因素：淬⽕加热的温度、保温时

间和冷却速度。 24.钢的退⽕：

退⽕是⼀种⾦属热处理⼯艺，指的是将⾦属缓慢加热到⼀定温度，保持⾜够时间，然