钢的热处理及硬度测定

钢的热处理及硬度测定 一 实验目的 1 了解钢的基本热处理工艺 2 了解布氏和洛氏硬度计的主要原理 结构及操作方法 3 了解不同的热处理工艺对钢的性能的影响 二 实验原理 热处理是充分发挥金属材料性能潜力的重要方法之一 其工艺特 点是把钢加热到一定温度 保温一段时间后 以某种速度冷却下来 通过改变钢的内部组织来改善钢的性能 其基本工艺包括退火 正 火 淬火和回火等 金属的硬度是材料表面抵抗硬物压入而引起塑性变形的能力 硬 度越大 表明金属抵抗塑性变形的能力越大 材料产生塑性变形就 越困难 硬度是金属材料一项重要的力学性能指标 硬度的试验方 法很多 其中常用的有布氏法 洛氏法和维氏法三种硬度试验方法 1 钢的退火 正火 淬火和回火 钢的退火通常是将钢加热到临界温度 1 Ac 或 3 Ac 线以上 保温后缓 慢地随炉冷却的一种热处理工艺 钢经退火处理后 其组织比较接 近平衡状态 硬度较低 约 180 22OHBS 有利于进行切削加工 钢的正火是将钢加热到 3 Ac 或 cm Ac 线以上 30 50 保温后在空气 中冷却的一种热处理工艺 由于冷却速度稍快 与退火组织相比 所形成的珠光体片层细密 故硬度有所提高 对低碳钢来说 正火 后提高硬度可改善其切削加工性能 降低加工表面的粗糙度 对高 碳钢来说 正火可以消除网状渗碳体 为球化退火和淬火作准备 钢的淬火就是将钢加热到 3 Ac 或 1 Ac 线以上 30 50 保温后在不 同的冷却介质中快速冷却 从而获得马氏体和 或 贝氏体组织的 一种热处理工艺 马氏体的硬度和强度都很高 特别适用于有较高 耐磨性能要求的工模具材料 淬火工艺包括三个重要参数 淬火加 热温度 保温时间和冷却速度 淬火加热温度过高时晶粒容易长大 而且还会产生氧化脱碳等缺陷 加热温度过低则会因组织中存在铁 素体或珠光体而导致材料硬度不足 保温时间与钢的成分 工件的形状 尺寸及加热介质等因素有关 一般可 按照经验公式加以估算 保温时间过 长或过短都会对钢的组织及性能造成 不利的影响 冷却是淬火的关键工序 它直接影响到淬火后的组织和性能 冷却时应使冷却速度大于临界冷却速度 以保证获得马氏体组织 在这个前提下又应尽量降低冷却速度 以减小内应力 防止变形和 开裂 因此 可根据 C 曲线图 见图 1 3 1 使淬火工件在过冷奥 氏体最不稳定的温度范围 650 550 进行快冷 而在较低温度 300 100 时的冷却速度则尽可能小些 钢的回火是把经过淬火后的钢再加热到 1 Ac 线以下某一温度 保 温一段时间 然后 冷却到室温的热处理工艺 其主要目的是改善淬火组织 马氏体 的 韧性 消除淬火时产生 的残余内应力并减小钢件的变形 回火温度和保温时间是回火工艺 的两个重要参数 根据回 火温度的不同 回火又可分为低温回火 小于 250 中温回火 250 500 和高温 回火 500 650 2 硬度试验原理 结构及操作方法 硬度测试方法很多 使用最广泛的是压入法 压入法就是把一个 很硬的压头以一定的压力压入试样的表面 使金属产生压痕 然后 根据压痕的大小来确定硬度值 压痕越大 则材料越软 反之 则 材料越硬 根据压头类型和几何尺寸等条件的不同 常用的压入法 可分为布氏法 洛氏法和维氏法三种 1 布氏硬度 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷 P 将直径为 D 钢的球压入 被测金属表面后保持一定时间 然后 卸除载荷 根据钢球在金属表面上所 压出的压痕直径查表即可得硬度值 用钢球压头所测出的硬度值用 HBS 表示 用硬质合金球压头所测 出的硬度值用 HBW 表示 布氏硬度 的优点是测定结果较准确 缺点是压 痕大 目前布氏硬度计一般以钢球为 压头 主要用于测定较软的金属材料 的硬度 布氏硬度值的计算式如下 HBS HBW 22 2 0 102 P D DDd 式中 P 试验力 N D 压头球体直径 mm d 相互垂直方向测得的压痕直径1 d 2 d 的平均值 mm 布氏硬度试验机的外形结构如图 1 3 2 所示 其基本操作和程 序是 1 将试样放在工作台上 顺时针转动手轮 使压头向试样表 面直至手轮对下面螺母产生相对运动 打滑 为止 此时试样已承 受 98 07N 初载荷 2 按动加载按钮 开始加主载荷 当红色指示灯闪亮时 迅 速拧紧紧压螺钉 使圆盘转动 达到所要求的持续时间后 转动即 自行停止 3 逆时针转动手轮降下工作台 取下试样用读数显微镜测出 压痕直径 d 以此查表即得 HBS 值 2 洛氏硬度 洛氏硬度以顶角为 120 的金刚石 圆锥体作为压头 以一定的压力使其 压入材料表面 通过测量压痕深度来 确定其硬度 被测材料的硬度可在硬 度计刻度盘上读出 洛氏硬度有 HRA HRB 和 HRC 三种标尺 其中 以 HRC 应用最多 一般用于测量经过 淬火处理后较硬材料的硬度 在实际使用中为了使硬材料的洛氏硬度值比软材料的高 以符 合人们的习惯 因此被测试材料的硬度值尚须用下式作适当变换 23 KhhKe HR cc 式中 K 常数 采用金刚石压头时为 0 2 采用 1 5875mm l 16 钢球压头时为 0 26 c 常数 采用金刚石压头或钢压头时都为 0 002 3 h 2 h 施加载荷前后的压痕深度 mm 常用的三种洛氏硬度试验规范见表 1 3 1 洛氏硬度试验机的结构如图 1 3 4 所示 其基本操作程序是 1 将试样放置在试样台上 顺时针转动手轮 使试样与压头 缓慢接触 直至表盘小指针指到 0 为止 然后将表盘上指针调零 2 按动按钮或转动手柄 加主载荷 当表盘大指针反转停止 后 再顺时针旋转摇柄 卸除主载荷 此时表盘大指针即指示出该 试样的 HRC 值 3 逆时针转动手轮 取出试样 硬度测定完毕 3 维氏硬度 维氏硬度测定的基本原理和布氏硬度相同 区别在于压头采用锥面夹角为 136 的金刚石 棱锥体 压痕是四方锥形 图 1 3 5 维氏硬度用 HV 表示 HV 的计算式为 2 0 102 1 8544 F HV d 式中 F 载荷 N D 压痕对角线长度 mm 三 实验内容 1 退火 正火及淬火部分的内容及具体步 骤 1 根据处理条件不同 可按表 1 3 2 进行分组试验 2 表 1 3 2 中所用原始试样一律经退火处理后测定其 HBS 值 经淬火实验后一律用洛氏 HRC 硬度计测定 3 根据试样钢号及铁碳相图确定加热温度及保温时间 4 将退火 淬火及正火后的试样表面用砂纸磨平 测出硬度 值 HRC 并填入表 1 3 2 中 2 回火部分的内容及具体步骤 1 将已经正常淬火并测过硬度的 45 钢试样分别按表 1 3 3 中指定的各温度值放入炉内加热 保温 1 小时 然后取出空冷 2 用砂纸磨光试样表面 测定其硬度值 HRC 3 将测定的硬度值分别填入表 1 3 3 中 四 实验报告要求 1 明确实验目的 2 分析加热温度与冷却速度对钢的性能的影响 3 按照表 1 3 2 及表 1 3 3 记录各硬度值数据 并绘制出 45 钢回 火温度与硬度的关系曲线图 根据铁碳相图 共析钢加热到超过 A1 温度时 全部转变为奥 氏体 而亚共析钢和过共析钢必须加热到 A3 和 Acm 以上才能获得 单相奥氏体 在实际热处理加热条件下 相变是在不平衡条件下进 行的 其相变点与相图中的相变温度有一些差异 由于过热和过冷 现象的影响 加热时相变温度偏向高温 冷却时偏向低温 这种现 象称为滞后 加热或冷却速度越快 则滞后现象越严重 图 6 1 表 示加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响 通常把加热时的实际临 界温度标以字母 c 如 Ac1 Ac3 Accm 而把冷却时的实际临界 温度标以字母 r 如 Ar1 Ar3 Arcm 等 钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体 然后以不同速度冷却使奥 氏体转变为不同的组织 得到钢的不同性能 因此掌握热处理规律 首先要研究钢在加热时的变化 一 加热时奥氏体的形成过程 1 共析钢的加热转变 从铁碳相图中看到 钢加热到 727 状态图的 PSK 线 又称 A1 温度 以上的温度珠光体转变为奥氏体 这个加热速度十分缓慢 实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度 实际珠光体转变 为奥氏体的温度高于 A1 定义实际转变温度为 Ac1 Ac1 高于 A1 表明出现热滞后 加热速度愈快 Ac1 愈高 同时完成珠光体向奥 氏体转变的时间亦愈短 共析碳钢 含 0 77 C 加热前为珠光体组织 一般为铁素体相与 渗碳体相相间排列的层片状组织 加热过程中奥氏体转变过程可分 为四步进行 IMG 第一阶段 奥氏体晶核的形成 由 Fe Fe3C 状态图知 在 A1 温度 铁素体含约 0 0218 C 渗碳体含 6 69 C 奥氏体含 0 77 C 在 珠光体转变为奥氏体过程中 原铁素体由体心立方晶格改组为奥氏 体的面心立方晶格 原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格 所以 钢的加热转变既有碳原子的扩散 也有晶体结构的变化 基 于能量与成分条件 奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交 界处产生 见图 6 2 a 这两相交界面越多 奥氏体晶核越多 第二阶段 奥氏体的长大 奥氏体晶核形成后 它的一侧与渗碳体 相接 另一侧与铁素体相接 随着铁素体的转变 铁素体区域的缩 小 以及渗碳体的溶解 渗碳体区域缩小 奥氏体不断向其两侧 的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大 直至铁素体完全消失 奥 氏体彼此相遇 形成一个个的奥氏体晶粒 第三阶段 残余渗碳体的溶解 由于铁素体转变为奥氏体速度远高 于渗碳体的溶解速度 在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的 残 余渗碳体 存在 见图 6 2 C 还需一定时间保温 让渗碳体全 部溶解 第四阶段 奥氏体成分的均匀化 即使渗碳体全部溶解 奥氏体内 的成分仍不均匀 在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低 在原 渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高 还需保温足够时间 让碳原 子充分扩散 奥氏体成分才可能均匀 上述分析表明 珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两 个必要而充分条件 一是温度条件 要在 Ac1 以上加热 二是时间 条件 要求在 Ac1 以上温度保持足够时间 在一定加热速度条件下 超过 Ac1 的温度越高 奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短 在一定的温度 高于 Ac1 条件下 保温时间越长 奥氏体成分越 均匀 还要看到奥氏体晶粒由小尺寸变为大尺寸是一个自发过程 在 Ac1 以上的一定加热温度下 过长的保温时间会导致奥氏体晶粒的合并 尺寸变大 相对之下 相同时间加热 高的加热温度导致奥氏体晶 粒尺寸的增大倾向明显大于低的加热温度的奥氏体晶粒长大倾向 奥氏体晶粒尺寸过大 或过粗 往往导致热处理后钢的强度降低 工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒 为此可以采用 途径之一是在保证奥氏成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化温度 途径之二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的奥氏体来不 及长大而冷却得到细小的晶粒 工程上把奥氏体晶粒尺寸大小定义为晶粒度 并分为 8 级 其中 1 4 级为粗晶粒 5 级以上为细晶粒 超过 8 级为超细晶粒 2 非共析钢的加热转变 亚共析钢与过共析钢的珠光体加热转变为奥氏体过程与共析钢转变 过程是一样的 即在 Ac1 温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢 中的珠光体均要转变为奥氏体 不同的是还有亚共析钢的铁素体的 转变与过共析钢的二次渗碳体的溶解 更重要的是铁素体的完全转 变要在 A3 温度 Fe Fe3C 状态图的 GS 线 以上 考虑热滞后实际要 在 Ac3 以上 二次渗碳体的完全溶解要在温度 Acm Fe Fe3C 状态图 的 ES 线 以上 考虑热滞后要在 Accm 以上 即亚共析钢加热后组 织全为奥氏体需在 Ac3 以上 对过共析钢要在 Accm 以上 如果亚 共析钢仍仅在 Ac1 Ac3 温度之间加热 无论加热时间多长加热后 的组织仍为铁素体与奥氏体共存 对过共析钢在 Ac1 Accm 温度之 间加热 加热后的组织应为二次渗碳体与奥氏体共存 加热后冷却 过程的组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变 其中的铁素体及 二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变 铁碳平衡图铁碳平衡图 铁碳平衡图 iron carbon equilibrium diagram 又称铁碳相图或铁碳状态图 它以 温度为纵坐标 碳含量为横坐标 表示在接近平衡 条件 铁 石墨 和亚稳条件 铁 碳化铁 下 或极缓慢的冷却条件下 以铁 碳为组元的二 元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系 简史 早在 1868 年 俄国学者切尔诺夫 就 注意到只有把钢加热到某一温度 a 以上再快冷 才能使钢淬硬 从而 有了临界点的概念 至 1887 1892 年奥斯蒙 F Osmond 等利用 热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点 即临 界点 A3 和 A2 它们的温度视加热或冷却 分别以 Ac 和 Ar 表示 过 程而异 奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体 他称在室温至 A2 温 度之间保持稳定的相为 铁 A2 A3 间为 铁 A3 以上为 铁 1895 年 他又进一步证明 如铁中含有少量碳 则在 690 或 710 左右出现临界点 即 Ar1 点 标志在此温度以上碳溶解在铁中 而在低 于这一温度时 碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来 随铁中碳量提高 Ar3 下降而与 Ar2 相合 然后断续下降 至含碳为 0 8 0 9 时与 Ar1 合为一点 1904 年又发现 A4 至熔点间为 铁 以上述临界点 工作的成果为基础 1899 年罗伯茨 奥斯汀 W C Roberts Austen 制定了第一张铁碳相图 而洛兹本 H W Bakhius Roozeboom 更首先在合金系统中应用吉布斯 Gibbs 相律 于 1990 年制定出较完整的铁碳平衡图 随着科学技术的发展 铁碳平衡图 不断得到修订 日臻完善 目前采用的铁碳平衡图示于图 1 图中 各重要点的温度 浓度及含义如下表所列 当铁中含碳量不同时 得到的典型组织如图 2 所示 铁碳平衡图释义 纯铁有两种同素异构体 在 912 以下为体心 立方的 Fe 在 912 1394 为面心立方的 Fe 在 1394 1538 熔点 又呈体心立方结构 即 Fe 当碳溶于 Fe 时形成的固溶体称铁素体 F 溶于 Fe 时形成的固溶体称奥氏体 A 碳含量超过铁的溶解度后 剩余的碳可能以稳定态石墨形式存 在 也可能以亚稳态渗碳体 Fe3C 形式存在 Fe3C 有可能分解成 铁和石墨稳定相 但这过程在室温下是极其缓慢的 即使加热到 700 Fe3C 分解成稳定相也需几年 合金中含有硅等促进石墨化 元素时 Fe3C 稳定性减弱 石墨虽然在铸铁 2 4 C 中大量存在 但在一般钢 0 03 1 5 C 中却较难形成这种稳定相 Fe Fe3C 平 衡图有重要的意义并得到广泛的应用 图 1 中的实线绘出亚稳的 Fe Fe3C 系 虚线和相应的一部分实线表示稳定的 Fe C 石墨 系 平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的 有些线 如 Fe3C 的液相线 石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出 的 Fe Fe3C 平衡图由包晶 共晶 共析三个基本反应组成 见相 图 在 1495 HJB 线 发生包晶反应 LB H 匊 AJ 此时液 相 LB 0 53 C 铁素体 H 0 09 C 奥氏体 AJ 0 17 C 三相 共存 冷凝时反应的结果形成奥氏体 在 1148 ECF 线 发生共晶反应 LC 匊 AE Fe3C 此时液 相 LC 4 30 C 奥氏体 AE 2 11 C 渗碳体 6 69 C 三相共 存 冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物 通称 为莱氏体 在 727 PSK 线 发生共析反应 AS 匊 FP Fe3C 此时奥氏 体 As 0 77 C 铁素体 FP 0 0218 C 渗碳体 6 69 C 三相共 存 冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体的混合物 通称珠光体 共析反应温度常标为 A1 温度 其他几条线的含义如下 GS 线 奥氏体中开始析出铁素体或铁 素体全部溶入奥氏体的转变线 称 A3 温度 ES 线 碳在奥氏体中 的溶解限度线 称 Acm 温度 在 1148 时 碳在奥氏体中的最大溶 解度为 2 11 而在 727 时只为 0 77 所以凡是碳含量大于 0 77 的铁碳合金 在 Acm 温度以下时 奥氏体中将析出渗碳体 称为二次渗碳体 以区别于从液态中析出的一次渗碳体 PQ 线 碳 在铁素体中的溶解限度线 在 727 时 碳在铁素体中最大溶解度为 0 0218 600 时为 0 0057 400 时为 0 00023 200 以下 时小于 0 0000007 碳含量大于 0 0218 的合金 在 PQ 线以下 均有析出渗碳体的可能性 通常称此类渗碳体为三次渗碳体 NJ 线 奥氏体转变为 铁素体 称 A4 温度 纯铁为 1394 随碳含 量增加而提高 ABCD 线 合金的液相线 AHJE 线 合金的 固相线 此外 770 水平线表示铁素体的磁性转变温度 常称为 A2 温 度 在此温度以下 铁素体呈铁磁性 230 水平线表示渗碳体的磁 性转变温度 磁性转变时不发生晶体结构的变化 渗碳体在 230 以下呈铁磁性 用途 铁碳平衡图是研究碳钢和铸铁的基础 也是研究合金钢的 基础 它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意 义 如在简单二元 Fe C 系中出现的各种相 往往在复杂合金钢中 也存在 当然 需要考虑到合金元素对这些相的形成和性质的影响 因此研究所有钢铁的组成和组织问题都必须从铁碳平衡图开始 工 程上依据 Fe Fe3C 平衡图把铁碳合金分为三类 即工业纯铁 C 0 021 钢 0 021 2 11 C 和铸铁 2 11 6 69 C 其他在 制定钢铁材料的铸造 锻轧和热处理工艺等方面 也常以铁碳平衡 图为依据 实际加热时钢铁的临界点往往高于 Fe Fe3C 平衡图上的 临界点 冷却时则低于平衡图的临界点 如图 3 所示 习惯上以 A 表 示平衡图上的临界点 沿用奥斯蒙以法文加热的首字母 c 及冷却的首 字母 r 分别标志加热和冷却 Ac 表示加热时的临界点 Ar 表示冷却 时的临界点 铁碳合金相图铁碳合金相图 从某种意义上讲 铁碳合金相图是研究铁 碳合金的工具 是研究碳钢和铸铁成分 温度 组织和性能之间关系的理论基础 也是制定各种热加工工艺的依据 一 铁碳合金中的基本相 铁碳合金相图实际上是 Fe Fe3C 相图 铁碳合金的基本组元也应该 是纯铁和 Fe3C 铁存在着同素异晶转变 即在固态下有不同的结 构 不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体 Fe Fe3C 相图上 的固溶体都是间隙固溶体 由于 Fe 和 Fe 晶格中的孔隙特点不 同 因而两者的溶碳能力也不同 1 铁素体 2 奥氏体 3 渗碳体 二 铁碳合金相图分析 1 Fe Fe3C 相图中的特性点 图 4 14 是 Fe Fe3C 相图 图中各点的温度 含碳量及其意义示于 表 4 1 中 Fe Fe3C 相图中的特性点均采用固定的字母表示 重庆大学精品课程 工程材料 图 4 14 Fe Fe3C 相图 2 Fe Fe3C 相图中的特性线 相图中的 ABCD 线为液相线 AHJECFD 为固相线 ES 线是碳在 Fe 中的固溶度曲线 又叫作 Acm 线 PQ 线是碳在 Fe 中的固 溶度曲线 GS 线是冷却过程中 由奥氏体中析出铁素体的开始线 或者是加热时 铁素体溶入奥氏体的终止线 GS 线又叫作 A3 线 根据生成条件的不同 渗碳体可分为一次渗碳体 二次渗碳体 三 次渗碳体 共晶渗碳体 共析渗碳体五种 它们的不同形态与分布 除对铁碳合金性能有不同影响外 就其本身来讲 并无本质区别 三 铁碳合金的结晶过程 下面以几种典型的铁碳合金为例 分析其平衡结晶过程及组织 由 于工业纯铁的实际应用较少 所以这里不分析其结晶过程 所选合 金的成分如图 4 15 所示 重庆大学精品课程 工程材料 图 4 15 6 个典型的铁碳合金结晶过程分析 重庆大学精品课程 工程材料 6 个典型的铁碳合金结晶过程分析 1 共析钢的结晶过程分析 图 4 15 中 合金