实验2 钢的普通热处理及组织观察
一、实验目的
1．掌握退火、正火、淬火热处理工艺的操作方法，掌握根据零件硬度要求来选择回火温度的原则。
2. 熟悉连续冷却转变速度对钢的组织和硬度的影响规律；熟悉回火温度对淬火马氏体分解产物及硬度的影响。
3. 了解淬火钢回火脆性发生的温度范围，理解回火后采用不同冷却方式的涵义。
4.对钢热处理后的组织进行金相观察。
二、实验原理
钢的热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。最基本的热处理工艺包括退火、正火、淬火及回火。
热处理后组织的分析，要借助于等温转变曲线。以图1-1共析碳钢的等温转变曲线为例，图中的V1连续冷却速度相当于炉冷，叫作退火。获得粗片状的珠光体。V2相当于空冷，为正火。获得较细片状的索氏体。V3相当于油冷，为淬火。获得了托氏体加马氏体的混合组织。V4相当于水冷，为淬火。其冷却速度大于马氏体临界冷速，获得马氏体。
图1-1 共析钢等温冷却曲线
由获得的组织可分析判断硬度的大小。显而易见，炉冷后的硬度小于空冷后的硬度，油冷后的硬度小于水冷后的硬度。
1. 退火
将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。一般情况下，亚共析钢加热至A c3+（30～50）℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至A c1+（10～20）℃（球化退火）；
2. 正火
其方法是将钢加热到相变点以上完全奥氏体化后，在空气中冷却。正火的加热温度比退火高，一般为Ac3或Ac cm以上（30～50）℃。保温时间主要取决于工件有效厚度和加热炉的型式，如在箱式炉中加热时，可以每毫米有效厚度保温一分钟计算。保温后一般可在空气中冷却。
3. 淬火
将钢加热到相变点以上，使钢发生奥氏体化，然后保温一定时间，以大于马氏体临界冷却速度Vc的速度进行快冷，使过冷奥氏体发生马氏体转变的热处理工艺，称为淬火。淬火加热温度选择的原则是，亚共析碳钢为：Ac3+（30～50）℃，共析碳钢和过共析碳钢为：Ac1+（30～50）℃。
在空气箱式炉保温时间按下列经验公式估算：
碳素钢：t = （1～1.2）H
合金钢：t = （1.2～1.5）H
式中：t—保温时间（min）
H—工件有效厚度（mm）
有效厚度H是指工件在受热条件下在最快传热方向上的截面厚度，如圆柱体有效厚度H=D（直径），圆盘有效厚度H=h（厚度），筒形工件有效厚度H=（D-d）/2
常用淬火冷却介质有水、油以及盐或碱的水溶液等。
4. 回火
将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的目的是调整和改善钢的性能，稳定工件尺寸，消除淬火内应力。
钢淬火后都要回火，回火温度的选择决定于钢最终要求的组织和性能。按加热温度高低，回火可分为三类：
（1）低温回火。低温回火温度为150～250℃，所得组织回火马氏体。其目的在保持钢高硬度的条件下，使脆性有所降低，残余内应力有所减小。低温回火常用于工具、轴承、渗碳件及
碳氮共渗件表面淬火件。
（2）中温回火。中温回火温度为350～500℃，所得组织为回火托氏体。其目的是在钢具有高屈服强度及优良的弹性的前提下使钢具有一定塑性和韧性。中温回火常用于弹簧钢。
（3）高温回火。高温回火温度为500～650℃，所得组织为回火索氏体。其目的是使钢既有较高的强度又有良好的塑性和韧性的综合力学性能。我们把钢淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理。高温回火常用于主轴、半轴、曲轴连杆、齿轮等重要零件。
淬火钢在某些温度范围内回火时，钢的韧性不仅没有提高，反而显著降低，这种现象称为回火脆性。为了避免回火脆性的发生，对于小型工件在450℃～650℃回火后，采用快速冷却的方法。对于大型工件只有在钢中加入W、Mo等合金元素方可避免。
三、实验设备及材料
1. 箱式电阻炉，洛氏硬度计
2. 夹钳、砂布、机油、清水等辅助实验用品
3. 规格为 10×15mm的45钢、T10钢试件各1套
四、实验步骤和方法
1. 热处理操作实验按表1-1所列工艺进行。每班分为两大组，每组领取一套试样做好标记。
2. 按表1-1进行热处理操作（炉温由实验指导人员预先升好）
3. 测试热处理后试样硬度值，每个试样测三点，取其平均值，填入表1-1中。
五、实验注意事项
1. 放置试样时，试样一定要靠近热电偶。
2. 夹钳上的水和油一定要擦干才能到炉子取样或放样。淬火时动作要迅速，并要在领取介质中不断搅动。
3. 测试硬度前一定要用砂纸将试样表面氧化皮去除并磨光。
4. 实验完成后关闭电炉开关，切断电源。
六、实验报告要求
1.将所测定的全部试样硬度值填入表1-1中。
2.由实验结果分析总结亚共析钢、过共析钢淬火加热温度的选择原则，并论述理由；分析含碳量、淬火温度、冷却速度及回火温度对碳钢硬度的影响。
4.思考题：45钢淬火，高温回火后的硬度为25HRC，若再进行200℃回火，硬度能否提高？为什么？该钢经淬火和低温回火后硬度为55HRC，若再进行高温回火，其硬度可否降低？问什么？
5. 根据所学知识，将各热处理后组织填入表1-1中。
