热处理实验报告

1 / 18 热处理实验报告 钢的热处理实验报告 一、 实验目的 1、了解热处理对材料性能的影响 2、了解在相同的热处理状态下材料成分对材料性能的影响 3、了解用显微镜观察金相的制样过程 二、仪器材料 箱式电炉、硬度测试仪、 30 钢、 T10 钢、砂轮 三、实验过程 1）、金相的制备 将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光，去除金相磨面由细磨所留下的细微磨痕及表面变形层，使磨面成为无划痕的光滑镜面，然后用侵蚀 剂进行腐蚀，以使组织被显示出来，这样就得到了一块金相样品。 2）、钢的热处理淬火和正火 钢的淬火：淬火就是将钢加热到相变温度以上，保温后放入各种不同的冷却介质中，以获得马氏体组织。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。 步骤为：加热前先对试样进行硬度测定；再将试样放入箱式电炉中， T10 钢在 770左右， 30 钢在 860左右分别均匀加热 15 分钟；然后迅速在水中冷却，并不断搅拌。2 / 18 将淬火后的试样用砂轮磨平 ,并测出硬度值填入表 1 中。 钢的 正火：钢加热到 Ac3 或 Ac1 以上 30 50以上，保温适当时间后，在自由流动的空气中冷却的热处理工艺。 步骤为：加热前先对试样进行硬度测定。再将试样放入箱式电炉中， T10 钢在 770左右， 30 钢在 860左右分别均匀加热 15 分钟，后在空气中缓慢冷却。将正火后的试样用砂轮磨平 ,并测出硬度值填入表 2 中。 四、结果及讨论 1、为什么淬火处理后的硬度值比正火处理后的高？ 答：因为淬火冷却速度比正火冷却速度快，由过冷奥氏体的连续冷却转变图像可知淬火后得到的是马氏体组织 ，而正火后得到的组织主要是珠光体。马氏体比珠光体晶粒度细 晶界面多，使得晶体的位错滑移阻力增大，从而硬度提高。 2、在相同的热处理状态下不同的材料成分对钢的硬度的影响？ 答：钢的硬度与钢的含碳量有关。 30 钢是亚共析钢，热处理后室温下的组织为铁素体和珠光体，而 T10 钢为过共析钢，热处理后室温下的组织为珠光体和渗碳体。渗碳体是3 / 18 脆硬相硬度比铁素体高，所以在相同的热处理状态下 T10 的硬度比 30 钢高。 五、结论 1、不同的热处理对材料的性能影响不同。 2、不同材料成分的钢在相同的热处理状态下性能不同。 金属材料及热处理实验报告 学 院： 高等工程师学院专业班级： 冶金 E111 姓 名： 学 号： 杨泽荣 41102016 2016 年 6 月 7 日 45 号钢 300回火后的组织观察及洛氏硬度测定 目录 一、 实 验 目的 . 1 二、 实 验 原理 . 1 1. 加 热 温 度 的 选择 .4 / 18 . 1 2. 保 温 时 间 的 确定 . 2 3. 冷 却 方法 . 3 三、 实 验 材 料 与 设备 . 4 1. 实验材料 . 4 2. 实 验 设备 . 4 四、 实验步骤 . 4 1. 试样的热处5 / 18 理 . 4 淬火 . 4 回火 . 5 2. 试样硬度测定 . 5 3. 显 微 组 织 观 察 与 拍 照 记录 . 5 样品的制备 . 5 显 微 组 织 的 观 察 与 记录 . 6 五、 实 验 结 果 与 分6 / 18 析 . 6 1. 样 品 硬 度 与 显 微 组 织 分析 . 6 2.淬火温 度 、 淬 火 介 质 对 钢 组 织 和 性 能 的 影响 . 6 淬火温度的影响 . 6 淬 火 介 质 的 影响 . 7 3 回火温度对钢组织与性能的影响 . 7 回 火 温 度 对 45 钢 组 织 的 影响 . 7 回火温度对 45 钢硬度和强度的影7 / 18 响 . 7 4 合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响 . 8 合 金 元 素 对 钢 的 淬 透 性 的 影响 . 8 合金元素对钢的回火稳定性的影响 . 9 5 碳含量对钢的淬硬性的影响 . 9 六、 结论 . 9 参考文献 . 9 一、 实验目的 1. 掌握碳钢的常用热处理工艺及其应用。 2. 研究加热条件、保温时间、冷却条件与钢性能的关系。 3. 分析8 / 18 淬火及回火温度对钢性能的影响。 4. 观察钢经热处理后的组织，熟悉碳钢经不同热处理后的显微组织及形态特征。 5. 了解金相照相的摄影方法，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。 二、 实验原理 钢的热处理就是利用钢在 固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。 进行热处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素。正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。 1. 加热温度的选择 1) 退火加热温度 一般亚共析钢加热至 Ac3+；共析钢和过共析钢加热至 Ac1 +，目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。 2) 正火加热温度 一般亚共析钢加热至 Ac3 +；过共析钢加热至 Accm +，即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围选择见图。 3) 淬火加热温度 一般亚共析钢加热至 Ac3+；共析钢和过共析钢加热至 Ac1+，见图。 钢的成分，原始组织及加热速度等皆影响到临界点的位置。在各种热处理手册或材料手册中，都可以查到各种9 / 18 钢的热处理温度。热处理时不能任意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变形等都会变得比较严重。各种常用钢的工艺规范见表。 4) 回火温度的选择 钢淬火后都要回火 ，回火温度决定于最终所要求的组织和性能。按加热温度高低回火可分为三类： 图 淬火的加热温度范围图 退火和正火的加热温度范围 表 常用钢的工艺规范 a 低温回火 在 150 250的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为 HRC60。其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承件。 b 中温回火 在 350 500的回火称为中温回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为 HRC40 48。其目的是获得 高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于含碳 %的弹簧钢热处理。 c 高温回火 在 500 650的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为 HRC25 35。其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。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。 2. 保温时间的确定 10 / 18 为了使工件内外各部分温度约达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间 。 热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。 1) 退火、正火保温时间 实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度或直径每毫米需一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫米二分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短 1 2 倍。 2) 淬火加热保温时间按下列经验公式估算： t?K?H 式中 t 保温时间； 加热系数 ； K 工件装炉方式修正系数； H 工件有效厚度。 表 加热系数 可参考经验公式加以确定： 3) 回火时间回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。回火时间一般为 13h， t?D?b 11 / 18 式中 t 回火保温时间； D 工件有效厚度； b 附加时间，一般为 1020min； 加热系数。 3. 冷却方法 热处理时的冷却方式要适当， 才能获得所要求的组织和性能。 退火一般采用随炉冷却。 正火采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。 淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内快冷，超过临界冷却速度，而在 Ms点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度如图所示。 常用淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火，如图所示。表中列出了几种常 用淬火介质的冷却能力。 图 淬火时的理想冷却曲线示意图 图 各种淬火冷却曲线示意图 实验报告 课程名称： 材料科学基础 2 实验 指导老师： 成绩： 12 / 18 实验名称：铸钢件的制备热处理及性能与显微组织检测实验类型： 同组学生姓名： 一、实验目的和要求 三、主要仪器设备 五、实验数据记录和处理 七、讨论、心得 一、实验目的 1、了解铸钢件制备技术 2、了解铸钢件热处理工艺 3、了解铸钢件的性能指标及检测方法 4、掌握金相试 样制备方法并了解普通碳钢的金相显微组织 二、实验内容和原理 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析 二、实验原理 铸钢的熔炼 1、电弧炉熔炼 电弧炉熔炼可采用电弧加热，金属炉料在电弧高温下发热、熔化、过热。电弧炉熔炼工艺可分为熔化期、氧化期和还原期。熔化期主要任务是熔化金属材料，并通过造渣来除去钢液中的一部分磷；氧化期的主要任务是提高钢液温度，去除钢液中的气体以及夹杂物。脱硫，在氧化期中往钢液中加入铁矿并吹氧，钢液中的碳与矿山或氧气的氧化反应生 成大量一氧化碳气泡，气泡上浮过程中吸收钢液中的气体以及夹杂物并上浮至钢液表面进入炉渣，达到精炼钢液的目的。氧化期中还需要加入石灰石造渣，其目的是除去钢液中13 / 18 的有害元素硫；还原期的主要任务是脱氧、调整成分，由于氧化期中加入了大量的铁矿石并吹氧，钢液中的氧化铁含量急剧增加，氧化期结束时，钢液中含氧量很高，为了保证钢液质量，必须对钢液进行脱氢处理。还原其脱氧工艺主要以扩散脱氧为主，扩散脱氧的主要原理是降低钢液表面炉渣的氧化铁含量，使钢液中的氧向炉渣扩散，从而降低钢液的含氧量。 2、中频感应熔炼炉熔炼 中频感应熔炼炉是利用感应加热来熔炼金属材料，感应炉内的金属材料在感应圈产生的交变磁场的作用下会发热、熔化，由于是感应加热，材料熔化后，覆盖在刚也表面的炉渣温度很低，炉渣的冶金反应进行很慢。因此，严格意义上来说，中频感应炉熔炼钢液只是重熔，没有氧化期和还原期，也就是说没有对钢液进行精炼，为了提高钢液质量，中频感应熔炼炉熔炼钢液时往往增加了氢气精炼工艺。 铸造碳钢的结晶过程和铸态组织 1、结晶过程 铸造碳钢多为亚共析钢，其结晶过程可分为两个阶段，其一次结晶和二次结 晶 一次结晶：当钢液温度降至液相线，有高温铁素体析出，温度降至包晶温度时，发生包晶转变，生成奥氏体。温度继续下降，穿过液固两相区，成为单一奥氏体组织。 14 / 18 二次结晶：当温度下降至，共析转变温度时，先有共析铁素体析出。再发生共析转变，形成珠光体。 2、铸态组织 碳钢逐渐的铸态组织的特征是晶粒粗大，有些情况下还存在魏氏组织或网状组织。 1）晶粒粗大 与热处理后的组织相比，铸态组织的晶粒较粗大，而且存在柱状晶区。晶粒粗大则晶界的比表面积较小，因而钢的强度较低，柱状晶具有各向异性，在横 向上的力学性能特别是韧性较低，在经受外力冲击作用时，易沿晶界发生断裂。这种铸态组织特征在厚壁铸件上尤为明显，铸件壁越厚，则铸态下的性能越差，因此碳钢件一般需经热处理后才能使用。 装 订 线 图 1 铁 -碳相图 2.魏氏组织 铸造碳钢在二次结晶过程中，当温度通过奥氏体加铁素体两相区时，共析铁素体的析出会因钢的含碳量和冷却速度不同而长成不同的形态，通常有粒状、条状和网状三种。这三种组织的形态及形成条件如下： 1）粒状组织 15 / 18 在所有的形态中，这种形态的晶粒具有最小的表面能，因此是最稳定的形态。但在奥氏体晶粒中形成这种形态的铁素体，需要有较大规模的原子扩散，其中包括碳原子的自扩散。实际上只有在含碳量低而且壁又厚的铸钢件中，才会在铸态下得到这种组织。 2）魏氏体组织 铁素体在奥氏体晶粒内部以一定的方向呈条状析出。这种形态的铁素体常出现在中等含碳量的铸件中。特别是壁较薄的铸件中。在这样的条件下，铁素体易于以奥式体晶格中的几个铁原子密排的晶面为惯性面析出，这样形成铁素体相只需进行较近程的原子扩散过程。魏氏 体组织属亚稳定组织，通过热处理，可以转变为更稳定的粒状组织。 1）网状组织 铁素体在原奥氏体的晶界处析出。由于奥氏体晶界上晶格缺陷多，且组织疏松，故易于铁素体新相的形核和铁原子的聚集，从而为网状组织的形成创造条件。 铸造碳钢的热处理 碳钢铸件热处理的目的是细化晶粒，消除魏氏体组织和铸造应力。热处理方法有退火、正火或正火加回火。 1、退火 将铸件加热至奥氏体区温度并保温一段时间，然后随炉冷却。加热温度是奥氏体上临界温度以上 30-50 度。加16 / 18 热温度不能过高或过低。加热温度过低时，不能完成由珠光体到奥氏体的转变，晶粒不能细化，魏氏组织不能消除；加热温度过高时，又会使钢的晶粒粗化，当出现这些情况时，都会使钢的性能下降。保温时间的长短应该是有足够的时间完成珠光体向奥氏体的转变。具体时间应按铸件壁厚而定；一般情况下。 25mm 厚的时间大约需要 1 小时的保温时间。壁厚超过 25mm，每增加 25mm 厚度，需相应增加一小时的保温时间。保温时间达到后，铸件随炉冷却。待炉冷至 200-300度以下时可以出炉，在空气中进一步冷却至常温。 2、正火 正火所采用的加热温度以及保温时间与退火相同，不同之处是保温时间达到后将铸件拉出炉外空冷至常温。正火的作用与退火相同，但由于冷却速度快，钢的晶粒比退火更细，而且使得奥氏体能在较低的