热处理实验报告.pdf

热处理热处理实验 报告实验 报告 实验名称实验名称 金属材料金属材料热处理实验热处理实验 学学 院院 高等工程师学院高等工程师学院 专业班级专业班级 材材 E E152152 姓姓 名名 魏学源魏学源 学学 号号 4151812041518120 2012018 8 年年 6 6 月月 1 1 日日 目录 一 实验目的 3 二 实验工艺及原理 3 1 金属热处理 3 2 热处理方法及目的 3 3 热处理后的组织 4 4 硬度测量原理 6 三 实验仪器与设备 6 四 实验步骤及具体操作 6 1 试样热处理 6 2 硬度测量 7 3 显微组织观察 7 五 实验结果与分析 8 实验一 45 号钢 860 C 保温 30min 水淬 400 C 回火 40 分钟空冷显微组织分析 8 实验二 不同试样不同热处理后组织和性能 9 1 热处理工艺对试样影响 10 1 1 淬火温度对试样影响 10 1 2 冷却速度对试样的影响 11 1 3 回火工艺对试样影响 12 2 合金元素对试样影响 15 2 1 合金元素对热处理方法的影响 15 2 2 合金元素对淬硬性的影响 17 六 结论 17 七 参考文献 18 一一 实验目的 实验目的 1 熟悉基本热处理 淬火 回火 的工艺方法 2 了解基本的金相分析方法 磨样 抛光 观察金相显微镜 3 练习使用洛氏硬度计 4 熟悉和了解不同组织所对应的微观形貌 5 分析热处理钢种 含碳量 合金成分 以及热处理工艺 热处理加热 温度 冷却速度 的对比对材料组织 性能的影响 二 实验工艺及原理二 实验工艺及原理 1 1 金属热处理金属热处理 金属热处理就是在固相状态下 通过温度的变化 即加热 保温 冷却 的方式 使原有的组织发生固态相变 从而改变原有的相组成以及组织结构等 从而使我们获得所要求性能的一种工艺操作 从而可以充分发挥金属材料的潜力 常用的热处理手段有 退火 正火 淬火 回火 以及表面处理和形变处理 2 2 热处理方法及目的热处理方法及目的 2 1 淬火 淬火是将钢加热到临界温度 Ac3 亚共析钢 或 Ac1 过共析钢 以上温度 保温一段时间 使之全部或部分奥氏体化 然后以大于临界冷却速度的冷速快冷 到 Ms 以下 或 Ms 附近等温 进行马氏体 或贝氏体 转变的热处理工艺 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变 得到马氏体或贝氏体 组织 然后配合以不同温度的回火 以大幅提高钢的强度 硬度 耐磨性 疲劳 强度以及韧性等 从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求 也可以通过淬 火满足某些特种钢材的铁磁性 耐蚀性等特殊的物理 化学性能 2 2 回火 将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度 Ac1 加热时珠光体向奥氏体 转变的开始温度 的适当温度 保温一段时间后在空气或水 油等介质中冷却的 金属热处理工艺 或将淬火后的合金工件加热到适当温度 保温若干时间 然后 缓慢或快速冷却 一般用于减小或消除淬火钢件中的内应力 或者降低其硬度和 强度 以提高其延性或韧性 淬火后的工件应及时回火 通过淬火和回火的相配 合 才可以获得所需的力学性能 2 3 正火 将工件加热到适当温度 Ac3 或 ACcm 以上 30 50 见钢铁显微组织 保温后在空气中冷却的金属热处理工艺 主要作用是去除材料的内应力 降低材 料的硬度 提高塑性 为接下来加工作准备 3 3 热处理后的组织热处理后的组织 1 淬火组织 板条状马氏体 位错马氏体 低 中碳钢 0 6 以下 低碳合金钢中可以 形成该组织 是许多定向平行排列 取向略有差异的板条组成马氏体束 一些接 近平行的马氏体束再组成马氏体块的结构 亚结构有大量的位错 板条马氏体有 较低的硬度和较好的韧性 针状马氏体 孪晶马氏体 高碳钢 一般需要 1 以上 针状马氏体才单独 存在 高碳合金钢可以形成该组织 在显微镜下 针与针之间成一定的角度 最先形成的马氏体较为粗大 往往横穿整个奥氏体晶粒 将奥氏体加以分割 使 以后形成的马氏体片的大小受到限制 因此针状马氏体的大小不一 同时马氏体 一般有一条中脊线 并在马氏体周围有残留奥氏体 针状马氏体有较高的硬度和 比较差的韧性 残余奥氏体 大约是含碳量大于 0 5 的奥氏体淬火时被保留到室温不转变的 亚稳的过冷奥氏体 它不易受硝酸酒精的侵蚀 在显微镜下呈白亮色 分布在马 氏体之间 没有固定的形态 3 2 回火组织 回火马氏体 是低温回火 150 250 度 组织 它保留了原马氏体形态特征 针状马氏体回火析出了极细的碳化物 容易受到侵蚀 在显微镜下呈黑色针状 低温回火后马氏体针变黑 而残余奥氏体不变仍呈白亮色 低温回火后可以消除 淬火钢的内应力 增加韧性 同时仍能保证钢的高硬度 回火屈氏体 是中温回火 350 500 度 组织 回火屈氏体是铁素体与粒状 渗碳体组成的极细混合物 铁素体基本上保持了原马氏体形态 第二相渗碳体则 析出在其中 呈极细颗粒状 用光学显微镜极难分辨 中温回火后有很好的弹性 和一定的韧性 回火索氏体 是高温回火 500 650 度 组织 回火索氏体是铁素体与较粗 的粒状渗碳体所组成的机械混合物 碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶 呈等轴晶粒状 经充分回火的索氏体已经没有针状的形态 在大于 500 倍的光镜 下 可以看到渗碳体微粒 回火索氏体具有较好的综合性能 4 4 硬度测量硬度测量原理原理 硬度测量主要应用洛氏硬度计 包括三个过程 加载 读数 卸载 并舍 弃第一组数据 然后选择试样二个不同的位置测量二组数据 取其平均值为试样 的硬度值以提高测量结果的准确性 因为第一次打硬度由于氧化铁皮和试验机适 应程度问题 第一次实验数据应该舍弃 而且试验中由于洛氏硬度计自身和人为 操作具有误差等原因 需要测两组数据求其平均值 三 实验仪器与设备 45 号钢 40CrNi T8 圆柱钢试样 高温电阻炉 手磨砂纸 水磨机 抛光 机 4 的硝酸酒精溶液 洛氏硬度计 金相显微镜等 四 实验步骤及具体操作 1 1 试样热处理试样热处理 1 淬火操作 开启高温炉 将试样放在高温炉内 予以加热 加热时间 定为 30min 加热完毕后 试样由炉中取出淬火 动作要迅速 以免试样温度有 所下降 影响淬火质量 同时要将试样放在液体的中层 并不断搅动使样品能够 淬透 此外 往炉中放 取试样时必须使用夹钳 夹钳必须擦干 不得沾有油和 水 开关炉门要迅速 打开炉门时间不得过长 2 回火操作 另选高温炉 将淬火后的试样放在高温炉内 予以回火加 热 加热时间定为 40min 待加热完毕后 取出试样 放在实验室的台子上对其 进行空冷 等到冷却到是室温时 就可以进行下面实验了 注意 不可用手摸 要测试试样的温度 可将手靠近 感觉它的辐射热量 3 正火操作 开启高温炉 将试样放在高温炉内 予以加热 加热时间 定为 30min 加热完毕后 试样由炉中取出 放在耐火砖上空冷 等到冷却到是 室温时 就可以进行下面实验了 注意 不可用手摸 要测试试样的温度 可将 手靠近 感觉它的辐射热量 2 2 硬度测量硬度测量 1 砂纸打磨 将回火后的钢样进行打磨 选择一个底面作轻微的打磨 用一道次砂纸去掉氧化皮 磨平即可 另一个底面作为要观察的一面 需要打磨 两道次砂纸 保持被侧面平整 2 硬度测量 将光亮的一面向上 平置于载物台上 预加载荷 按顺时 针方向转动手轮 将试样与压头接触 此时观察到显示面板上有一个指示的箭头 继续旋转 直到显示已满为止 此时等待几秒钟后就会显示硬度值 卸载后 用 同样的方法在试样的不同位置上再测二个数据 取平均值 3 3 显微组织观察显微组织观察 1 粗磨 打完硬度后 用不同的等级的砂纸逐一打磨 每次打磨要顺着 一个方向 当把上一次的痕迹打磨消除后 再换 90 度方向进行下一个方向的打 磨 直到打磨到 1000 等级的砂纸便可以结束 2 精磨 利用实验室的打磨机进行粗磨划痕的消除 在打磨机上打磨时 要注意 每次都要使试样表面的划痕沿着半径方向 和砂纸打磨一样 下一次的 要覆盖上一次的打磨痕迹 3 抛光 试样在金相样品抛光机上细抛 抛光的时 间以肉眼看不到划痕 光亮如镜面就可以停止了 4 侵蚀 用棉花球蘸取硝酸液 轻轻擦拭试样表面 等到试样表面变成 白灰色时 立即用大量水冲洗 然后用蘸取酒精的棉花球擦拭表面 用滤纸擦拭 干净 然后将滤纸放在指定位置 5 观察 利用 500 倍的光学显微镜进行观察 并拍照留图 五 实验结果与分析 实验一 45 号钢 860 C 保温 30min 水淬 400 C 回火 40 分钟空冷 显微组织分析 45 号钢 860 C 保温 30min 水淬 400 C 回火 40 分钟空冷显微组织如图 1 图 1 45 号钢 860 C 水淬并 400 C 回火空冷显微组织 由图 1 可以看出 45 号钢 860 C 保温 30min 水淬 然后 400 C 回火 40 分 钟空冷金相组织为屈氏体和铁素体 由于回火温度较低 C 的扩散速度较低 所 以形成的屈氏体片层间距小 即使在高倍显微镜下也无法分辨出片层来 由于钢 种是亚共析钢 所以除了形成索氏体组织之外 还会形成铁素体组织 45 号钢 860 C 保温 30min 水淬 然后 400 C 回火 40 分钟空冷的硬度为 42 2HRC 随着回火温度升高 扩散速度不断增高 固溶在铁素体中的 C 原子不 断扩散析出 致使点阵畸变减小 位错运动摩擦阻力减小 硬度降低 实验二 不同试样不同热处理后组织和性能 在本次试验中 不同试样不同热处理后的洛氏硬度汇总于下表 1 材质 1000 C 淬火 860 C 770 C 回火 水淬 油淬 正火 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 45 55 7 62 35 24 55 12 15 49 8 56 5 50 95 42 2 28 7 25 2 40CrNi 46 7 49 8 24 9 53 1 50 3 48 5 44 7 31 6 27 5 T8 62 8 770 C 水淬 油淬 61 85 55 75 47 45 28 3 22 3 23 15 65 9 44 0 表 1 实验数据汇总表 1 1 热处理工艺对试样影响热处理工艺对试样影响 1 1 淬火温度对试样影响 1 1 1 淬火温度对试样硬度影响 根据表 1 以 45 号钢为例 可得 45 号钢不同淬火温度下的硬度值如图 1 所示 图 1 试样的硬度随淬火温度的变化 由图 1 可以看出 随着淬火温度的升高 试样硬度先变大后变小 1 1 2 淬火温度对试样组织影响 图 2 45 号钢在 770 C 860 C 1000 C 水淬显微组织 如图 2 所示 45 号钢在 770 C 保温 30min 水淬显微组织为淬火马氏体 过 冷奥氏体和铁素体 在 860 C 保温 30min 水淬显微组织为细小的淬火马氏体和 部分残余奥氏体 在 1000 C 保温 30min 水淬显微组织为粗大的淬火马氏体和 部分残余奥氏体 对于 45 钢而言 它的淬火加热温度应在 Ac3 以上 30 50 故淬火温度 选 860 可得细而均匀的奥氏体晶粒 淬火后获得细小的马氏体组织 若在 Ac3 以上过高温度如 1000 加热 会使奥氏体晶粒粗化 淬火后马氏体粗大 脆性增大 硬度下降 若在 Ac1 Ac3 之间的两相区加热 如 770 加热淬火 高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体 造成硬度不足 力学性能下降 1 2 冷却速度对试样的影响 1 2 1 冷却速度对试样硬度的影响 在本次试验中 水淬 油淬和正火工艺的冷却速度不同 并且冷却速度水 淬 油淬 正火 控制钢的材质和温度相同 采用不同的冷却速度 得到钢的硬 度如下表 2 所示 材质 温度 水淬 油淬 正火 45 号钢 860 C 62 35 24 55 12 15 T8 860 C 65 9 44 0 23 15 表 2 不同钢种不同冷却速度下试样的硬度 由表 2 可知 无论是 45 号钢还是 T8 钢 硬度值大小都是水淬 油淬 正 火 这也就意味着 冷却速度越大 钢的硬度越大 1 2 2 冷却速度对试样组织的影响 图 3 860 C 水淬 油淬 正火的 45 号钢的显微组织 以 45 号钢为例 如图 3 所示 860 C 水淬 45 号钢的显微组织为淬火马氏 体和少量残余奥氏体 860 C 油淬 45 号钢的显微组织为铁素体 板条状马氏体 和屈氏体 860 C 正火的 45 号钢的显微组织为铁素体和珠光体 由于 45 号钢的临界冷却速度大 一般采用冷却能力较强的淬火介质如水 才能得到全部为马氏体的显微组织 若选用油作为淬火介质 由于其冷却速度 较小 冷却曲线会与 CCT 曲线 鼻尖 处相交 转变过程得到小部分屈氏体组织 和铁素体 因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出 并连成网状结构 并且转变过 程中生成硬度较低的铁素体 使强度降低 硬度明显下降 若在空气中冷却 由于其冷却速度小 冷却曲线会与 CCT 曲线的转变终了线相交 全部转变为铁 素体和珠光体组织 由于铁素体和珠光体组织的硬度远远低于马氏体组织的硬 度 所以 45 号钢正火硬度远远低于水淬和油淬硬度 1 3 回火工艺对试样影响 钢在淬火后强度 硬度高 但塑性差 脆性大 容易产生变形和开裂 故 淬火后的很多零件必须进行回火才能使用 1 31 回火工艺对试样硬度影响 在本实验中 对 860 C 淬火后的不同钢种在不同温度下进行回火处理 得 到他们在未回火时和不同温度下回火的硬度值如下表 3 其硬度变化曲线如下 图 4 材质 860 C 淬火 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 45 号钢 62 35 56 5 50 95 42 2 28 7 25 2 40CrNi 50 3 48 5 44 7 31 6 27 5 T8 61 85 55 75 47 45 28 3 22 3 表 3 不同钢种未回火时和不同温度下回火的硬度值 图 4 不同钢种不同温度下回火的硬度值 由图 4 可以看出 随着回火温度的升高 无论什么钢种 钢的硬度都呈下 降趋势 由表 3 可得 45 号钢 860 C 淬火钢的硬度为 62 35HRC 而不同温度回火 后的硬度分别为 56 5HRC 50 95HRC 42 2HRC 28 7HRC 25 2HRC 低于淬 火钢的硬度 由此可以看出 回火使钢的硬度降低 1 3 2 回火温度对钢组织影响 图 5 45 号钢水淬和水淬后在 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 回火显微组织 由图 5 可知 45 号钢 860 C 水淬组织为淬火马氏体和残余奥氏体 200 C 回火组织为回火马氏体和少量残余奥氏体 300 C 回火组织为回火屈氏体和部 分剩余的回火马氏体 400 C 回火组织为回火屈氏体 500 C 和 600 C 回火组 织为回火索氏体 在 200 300 范围内回火时 残余奥氏体分解为过饱和 固溶体和薄片状 碳化物的复相组织 并且回火马氏体部分分解析出 碳化物 故回火后组织残 余奥氏体量不断减少 屈氏体组织开始形成 由于回火马氏体的硬化作用和 碳化物的弥散强化作用 使硬度下降缓慢 在 300 400 C 范围内回火 碳钢 马氏体中过饱和碳原子几乎全部脱溶 析出 碳化物和 碳化物 渗碳体 马 氏体组织逐步转变为屈氏体组织 使硬度快速下降 当回火温度为 500 时 回火组织逐步由屈氏体转变为索氏体 渗碳体明显聚集长大并球化 并且产生 回复 致使位错密度降低 硬度快速下降 当回火温度为 600 时 组织完全 转变为索氏体 相发生再结晶 由等轴状铁素体逐步代替针状 相 使硬度 下降 2 2 合金元素合金元素对试样影响对试样影响 2 1 合金元素对热处理方法的影响 在钢中加入合金元素后 钢的基本组元铁元素会和加入的合金元素发生交 互作用 如与铁形成固溶体 与碳形成碳化物 形成金属间化合物等 从而影 响铁碳相图 CCT 曲线等 影响钢的热处理方法 2 1 1 合金元素对于淬火温度的影响 由表 1 可得 45 号钢和 40CrNi 钢都是在 860 C 淬火 从而获得最大硬 度 然而对于 T8 钢来说 却是 770 C 淬火 从而获得最大硬度 主要是因为 其碳含量的不同 45 号钢和 40CrNi 钢都属于亚共析钢 淬火加热温度应为 Ac3 30 50 可得到细而均匀的奥氏体晶粒 淬火后获得细小的马氏体 如果温度在 Ac1 Ac3 之间两相区加热 马氏体中有铁素体 造成硬度不足 降低力学性 能 如果在 Ac3 以上过高温度加热 奥氏体晶粒粗化 淬火后马氏体组织粗 大 脆性增大 工件在淬火过程中容易变形 而 T8 钢属于过共析钢 淬火加热温度应为 Ac1 30 50 如原始组织为 粒状珠光体 加热淬火后获得马氏体 颗粒状渗碳体及少量残余奥氏体 因而 硬度高 耐磨性好 还有点韧性 如果加热到 Accm 以上 先共析渗碳体全部 溶入奥氏体 使奥氏体含碳量增加 马氏体转变点 Ms 和 Mf 降低 淬火后保留 大量奥氏体 而且获得粗片状马氏体 使钢的硬度和耐磨性降低 脆性增加 并增加淬火开裂倾向 2 1 2 合金元素对于不同冷却速度下钢硬度和组织的影响 2 1 2 1 合金元素对于不同冷却速度下钢硬度影响 以 45 号钢 40CrNi 钢为例 由表 1 可得 45 号钢 860 C 油淬和正火后的硬 度分别为 34 55HRC 和 12 15HRC 而 40CrNi 钢 860 C 油淬和正火后的硬度分 别为 49 8HRC 和 24 9HRC 相同热处理条件下 几乎相同的碳含量 45 号钢碳 含量为 0 42 0 50 40CrNi 钢碳含量为 0 37 0 44 然而 40CrNi 钢的硬度远 远大于 45 号钢的硬度 这主要是因为合金元素影响了钢的 CCT 曲线 进而影 响了钢的组织和硬度 2 1 2 1 合金元素对于不同冷却速度下钢组织影响 图 6 45 号钢和 40CrNi 钢 860 C 油淬组织 以 860 C 油淬为例 如图 6 所示 860 C 油淬的 45 号钢的显微组织为铁 素体 淬火马氏体和屈氏体 而 860 C 油淬的 40CrNi 钢的显微组织为淬火马氏 体 故 860 C 油淬的 40CrNi 钢硬度大于 45 号钢的硬度 除钴外所有合金元素的溶入 均增加过冷奥氏体的稳定性 使 C 曲线向右 移 40CrNi 中含有的 Cr Ni 等元素 都会使 C 曲线向右移动 从而提高钢的 淬透性 即使在油冷条件下也能获得全马氏体组织 2 2 合金元素对淬硬性的影响 从表 1 和已有知识可以推理出 45 号钢和 40CrNi 钢在 860 C 水淬后的硬 度最大 T8 钢在 770 C 水淬后的硬度最大 由于缺乏 40CrNi 钢在 860 C 水淬 后的硬度 故在此只讨论碳含量对淬硬性的影响 T8 钢和 45 号钢只有碳含量 差别大 其他元素含量均相似 由表 1 可知 45 号钢最大硬度为 62 35HRC T8 钢最大硬度为 65 85HRC 由此可知 随着碳含量的增加 淬硬性增加 这主要是因为马氏体的硬度主要 取决于碳的含量 马氏体的显微硬度在含碳量低时随碳含量增加而提高 主要 是因为随着碳含量的增加 淬火后获得的马氏体正方度大 晶格畸变严重 相 应的硬度高 但碳含量超过 0 6 时趋于稳定 主要是由于碳含量的增加降低了 Ms 点和 Mf 点 使产生残余奥氏体量逐渐增多 与晶格畸变所造成的硬化相互 抵消 硬度值趋于稳定 六 结论 根据所做实验及其结果可得以下结