金属材料与热处理-热处理实验报告

成型及控制工程专业金属材料与热处理课程设计报告姓名学号指导老师所在学院机电工程学院报告日期2016年05月22日目录一、综述3145钢概述32热处理概述33热处理的主要作用54组织5二、材料及仪器71材料及仪器72洛氏硬度试验机的原理及主要结构及其操作方法73原理及操作规程8三、实验过程101热处理加工方法、过程102硬度测试方法、过程113金相试样加工方法、过程11四、结果及分析121热处理加工结果122硬度测试结果123组织12五、结论13参考文献13一、综述145钢概述45钢是常用的中碳调质结构钢。该钢的冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。适合于氢焊和氩弧焊，不太适合于气焊。焊前需预热，焊后应进行去应力退火。正火可改善硬度小于160HBS毛坯的切削性能。该钢经调质处理后，其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢，但该钢的淬透性较低，水中临界淬透直径为1217MM，水淬时有开裂倾向。当直径大于80MM时，经调质或正火后，其力学性能相近，对中、小型模具零件进行调质处理后可获得较高的强度和韧性，而大型零件，则以正火处理为宜，所以，此钢通常在调质或正火状态下使用。45钢主要成分为FE（铁元素），且含有以下少量元素C042050SI017037MN050080P0035S0035CR025NI025CU025密度785G/CM3，弹性模量210GPA，泊松比0269。2热处理概述1热处理定义热处理就是在固态下，将金属以一定的加热速度加热到预定的温度，保温一定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。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正火、退火、回火、淬火等。2热处理的工艺过程热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳即钢铁零件表面碳含量降低，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。3几种常见的热处理工艺手段正火将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。退火将亚共析钢工件加热至AC3以上2040度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。回火将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。淬火将钢加热到临界温度AC3（亚共析钢）或AC1（过共析钢）以上某一温度，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。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。4其他的热处理工艺的手段表面热处理是指加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质气体、液体、固体中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。5综述金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。3热处理的主要作用1改变工件的内部组织例如钢退火可以得到硬度较低的珠光体组织，而淬火可以得到高硬度的马氏体组织。2改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求例如低碳钢太软不利于切削，切削过程中容易粘刀，可以进行正火处理以提高其硬度，改善切削加工性能。又例如调质钢经过调质处理后可以得到强度、硬度较高，塑性、韧性也较好，也就是较好的综合机械性能，满足一般工件的使用要求。3改变工件表层的成分、组织、性能例如汽车汽缸的激光表面淬火可以提高其工作表面的硬度和耐磨性，延长其使用寿命。又例如低碳钢经过渗碳处理后表层含碳量可以达到1左右，提高工件表面硬度和耐磨性。4消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷例如细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织、性能更加均匀等。4组织组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称为显微组织。合金组织一种相或多种；纯金属组织一般由一种相组成。马氏体组织马氏体MARTENSITE是黑色金属材料的一种组织名称。马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。低碳马氏体具有良好的强度和一定的韧性，高碳马氏体强度高、韧性大。索氏体组织钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。它是在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体GB/T7232标准。其实质是一种珠光体，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（80150NM），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。索氏体具有良好的综合机械性能。屈氏体组织通过奥氏体等温转变所得到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物，是一种最细的珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。一般的珠光体可以分为片状珠光体、细珠光体、极细珠光体三种，其中片间距为01微米的珠光体组织称为屈氏体组织，也就是平常所称的极细致珠光体。回火马氏体片状马氏体经低温回火（150250）后，得到回火马氏体。他具有针状特征。低温回火（150250）所得到的组织是回火马氏体，其性能是具有高的硬度（HRC5864）和高的耐磨性，因内应力有所降低，故韧性有所提高这种回火方法主要用于刃具，量具，拉丝模以及其它要求硬而耐磨的零件。钢淬火后的组织是马氏体及少量残余奥氏体，它们都是不稳定的组织，都有向稳定的组织（铁素体和渗碳体两相混合物）转变的倾向。但在室温下，原子活动能力很差，这种转变速度极慢。随着回火温度的升高，原子活动能力加强，组织转变便以较快的速度进行。由于组织的变化，钢的性能也发生相应的变化。回火屈氏体淬火状态的马氏体在中温300500回火后得到的粒状细珠光体组织就是回火屈氏体，即碳化物和相的混合物。形成过程淬火马氏体经中温回火300500后，马氏体中过饱和的碳大部或全部脱溶，析出的碳化物开始聚集长大和球化，基体马氏体已开始回复，这种组织叫屈氏体，又称二次屈氏体。回火屈氏体的组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物，针状形态已逐渐消失，但仍隐约可见，碳化物在光学显微镜下不能分辨，仅观察到暗黑的组织，在电镜下才能清晰分辨两相，可看出碳化物颗粒已明显长大，具有较高的弹性极限和韧性。回火索氏体回火索氏体的定义及组织特征。回火索氏体TEMPEREDMARTENSITE是马氏体于高温回火（500600）时形成的，在光学金相显微镜下放大500600倍以上才能分辨出来，其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织。它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。常温下是一种平衡组织。二、材料及仪器1材料及仪器1箱式电炉及控温仪表；2洛氏硬度机；3抛光机；4金像显微镜；5冷却介质水（使用温度约20）；6试样材料45钢，T8钢。2洛氏硬度试验机的原理及主要结构及其操作方法1洛氏硬度机的原理洛氏硬度试验，是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头），在先后施加两个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的，总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和，即PP0P1。洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1后，在预载荷P0继续作用下，由主载荷P1引起的残余压入深度E来计算。图中，H0表示在预载荷P0作用下，压头压入被试材料的深度；H1表示施加总载荷P并卸除主载荷P1，但仍保留预载荷P0时，压头压入被试材料的深度。深度差EH1H0，该值用来表示被测材料硬度的高低。图为HR150A型洛氏硬度计。其主要零部件如下1机身2加荷手柄3升降手把4手轮5丝杠保护套（内有丝杠）6待测试件7主轴8小杠杆9大杠杆10调整块11定位标记12吊环13螺钉14砝码变换器15砝码16油针17油毡18后盖19缓冲器20卸荷手柄21压头22上盖23指示表24变荷手柄25工作台2硬度测试方法、过程将经过热处理以后的钢试样擦磨去除表面污垢和氧化层后，置于洛氏硬度机上测量硬度，为了减小测量误差，应进行多次测量，记录数据。3原理及操作规程1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3050，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。淬火温度的选择选定正确的加热温度是保证淬火质量的重要环节。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据相图确定（如右图所示）。对亚共析钢，其加热温度为3050，若加热温度不足（低于），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低。对过共析钢，加热温度为3050，淬火后可得到细小的马氏体与粒状渗碳体。后者的存在可提高钢的硬度和耐磨性。保温时间的确定淬火加热时间是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留保温所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所需的加热介质及加热方法等因素有关，一般可按照经验公式来估算，碳钢在电炉中加热时间的计算如下表所示。加热温度（）工件形状冷却速度的影响冷却是淬火的关键工序，它直接影响到钢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缓慢冷却，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650550）进行快冷，而在较低温度（300100）时冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果,应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等，不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却速度有所差别。各种冷却介质的特性见下表冷却介质在下列温度范围内的冷却速度（/秒）在下列温度范围内的冷却速度（/秒）65055030020018的水60027050的水10027010NACL水溶液（18）110030010NAOH水溶液（18）1200300蒸馏水（50）250200硝酸盐（200）35010菜籽油（50）20035矿务机油（50）15030变压器油（50）120252钢的回火钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆，并且工件内部存在很大的内应力，如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会由于变形引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此钢淬火后必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的性能。下表为45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能圆柱形方形板形保温时间（单位分钟/每毫米直径）70015223800101529000812161000040608类型回火温度（回火后的组织回火后硬度（HRC）性能特点低温回火150250回火马氏体残余奥氏体碳化物6057硬度高，内应力减小中温回火350500回火屈氏体3545硬度适中，又较高的弹性高温回火500650回火索氏体2033具有良好塑性、韧性和一定强度相配合的综合性能对碳钢来说，回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据。各种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅。几种常用的碳钢（45、T8、和20钢）回火温度与硬度的关系如下表所示回火温度（）45钢2003005040300400504040050040335006003324也可以采用经验公式近似地估算回火温度。例如45钢回火温度的经验公式为T（）200K（60X），式中K系数，当回火后要求的硬度值HRC30时，K11；HRC时，K12。X所要求的硬度值（HRC）。保温时间回火保温时间与工件材料、尺寸及工艺条件等因素有关，通常采用13小时。由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为短一些，回火后在空气中冷却。三、实验过程1热处理加工方法、过程45钢采用淬火加高温回火；淬火用油冷，回火空冷。处理过程列表如下名称45钢淬火温度/880保温时间/分钟30回火温度/500保温时间/分钟1202硬度测试方法、过程将经过热处理以后的钢试样擦磨去除表面污垢和氧化层后，置于洛氏硬度机上测量硬度，为了减小测量误差，应进行多次测量，测试方法如下（1）选择压头及载荷。（2）根据试样大小和形状选用载物台。（3）将试样上下两面磨平然后置于载物台上。（4）加主载。逆时针缓慢转动转盘，是显示器上载荷满格，发出声音时就停止加载。（5）读硬度值。（6）下降载物台。顺时针缓慢转动转盘，当试样完全离开压头后，才可取下试样。（7）用同样的方法在试样的不同位置测三个数据，取其算术平均值为试样的硬度值。3金相试样加工方法、过程金相试样的制备包括取样、磨制、抛光、浸蚀四个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、水迹。1取样取样的部位和磨面应根据检验目的选取具有代表性的部位。例如，检验表面脱碳层的厚度应取横向截面、观察纵裂纹就要取纵向截面。为防止受热可在截取过程中用冷却液冷却试样。金相试样的尺寸要便于手握持和易于磨制，常用的试样尺寸为1210或121210，如果不是观察表面组织，可以倒角便于磨制。根据需要，例如观察表面渗碳层的厚度，为防止在磨制过程中发生倒角，应采用镶嵌法，把试样镶嵌在热塑性塑料或热固性塑料中。我们所用试样为车削好的1020的45钢试样。2磨制这是最关键的步骤，磨制质量的好坏直接决定了试样的好坏。粗磨将试样在砂轮上或用粗砂纸（300,500）之成平面。磨制时使试样受力均匀，