材料工程基础实验指导书

材料工程基础实验指导书PAGE姓名：班级：姓名：班级：学号：材料工程基础金相实验材料工程基础实验指导书PAGE17实验一金相试样制备与组织观察综合实验实验学时：6h实验性质：综合性一、实验目的1了解金相显微镜的结构及主要零部件的作用；学会正确使用显微镜，提高物像的质量；了解显微镜的维护方法。2学习金相试样的制备方法；了解金相试样质量对金相分析的影响。3掌握二元铸态合金的固溶体，共晶(包括亚共晶和过共晶)和包晶组织的特征，能识别这些组织；掌握Fe—C合金平衡和非平衡组织的特征。二、实验内容本次实验为综合实验，要求综合运用金相显微镜和各种金相制样设备学会各种不同试样的金相制样要点，并能分析合金尤其是铁碳合金的典型组织。实验分三阶段进行，首先熟悉金相显微镜的结构、操作方法和维护要求，再进行具体试样的金相试样制备，第三步观察分析常见二元合金和铁碳合金的组织。实验中各阶段每位同学独立完成。通过预习了解显微镜结构、维护要求以及金相制样方法和不同合金的组织特征，写出实验步骤，然后到实验室通过自己的操作体会各个过程。三、实验仪器、设备及材料3.1实验仪器、设备砂轮机、预磨机、抛光机、电吹风、金相显微镜3.2实验材料试样：铁碳合金试样及有色金属合金试样（用于组织观察）；制备试样材料选用碳钢。制样材料：砂纸、抛光剂、抛光布、3-4%硝酸酒精、滤纸四实验原理4.1金相显微镜结构与使用4.1.1成像原理简单地说，成像原理就是将物像两级放大。如图1—1所示。物AB经物镜放大成一倒立的实像A′B′，再经目镜放大成虚像A″B″。1）显微镜的放大倍数显微镜的放大倍数等于物镜与目镜放大倍数的乘积：f物，f目——物镜和目镜的焦距；l——显微镜的光镜筒长度放大倍数的选择决定于组织的粗细和观察的目的。放大倍数大，则组织清晰，但视域小，不能观察全貌，代表性受局限，放大倍数低，则效果完全相反，如图1-2所示。在金相分析时，根据需要，往往高、低倍变换使用。图1—3球差示图图1—4色差示图3）显微镜的分辨率显微镜能区分开的两点间的最小距离叫分辨率，所以分辨率又可表示为或 ——光源波长——物镜的孔径角的1/2，如图1—6所示；叫物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力，显微镜的分辨率。英语缩写N.A表示显微镜的分辨能力或鉴别率。由上式可知提高分辨率的方法是：(1)用波长短的光源；(2)增大孔径光栏以增加有效的孔径角；(3)用折射率大的光介——物镜与试样间的介质对光的折射率。图1—5像域弯曲示图图1—6孔径角4.1.2照明方式1）明场照明明场照明是最常用的一种照明方式，其光程如图1—7所示。这种照明方式，光线基本上是垂直地射入试样表面。因此，只要试样表面平滑，其像就是明亮的，故叫明场照明。试面上的划痕，孔洞则是暗黑的。2）暗场照明由明场变为暗场的方法是：用环形光栏代替孔径光栏，再在物镜外套一弧形反射聚光器。暗场的照明效果同明场相反。平滑磨面的像是暗黑的，而划痕、凹坑则是明亮的。与明场相比，暗场的衬度好，分辨率高，能判断非金属类杂物的透明度和颜色。所以暗场是鉴别非金属夹杂物的一种不可缺少的照明方式。图1—7显微镜光学系统图图1—8显微镜结构4.1.3金相显微镜的结构及主要零部件金相显微镜由光学系统、照明系统和机械系统三部分组成（图1-8），主要部件作用如下：1）物镜物镜是决定物像质量的主要部件。因为像的校正情况不同，有不同类型的物镜。各类物镜的用途不同，并要与不同的目镜和滤色片配合，才能得到较好的物像质量。为了提高分辨率，在物镜与试样之间加松柏油等作介质，这种物镜叫油浸物镜。油镜一般是高倍物镜。物镜上标有放大倍数，数值孔径和物镜类型，油镜上还标有“oil”字样。2）目镜目镜的作用是将物镜成的像再次放大成虚像或实像。3）光栏孔径光栏：其位置在光源聚光器之后。其作用是提高物像质量。增大孔径光栏，可提高分辨率，但球差也增大，像的清晰度下降、衬度下降，所以不能过大，也不能过小。可根据像的清晰度、衬度和分辨率适当调节。视场光栏：其位置在孔径光栏之后。视场光栏不影响像的清晰度和分辨率，只能改变视场大小，提高衬度。4）滤色片滤色片作用主要有三：(1)减少色差，提高像的清晰度；(2)提高分辨率；(3)制成彩色金相试样，而采用黑白底片摄影时，选用适当的滤色片，可提高照片的衬度。

4.2金相试样的制备金相试样质量，直接关系着金相检查的结论的可靠性。因此，必须十分重视制样，金相试样磨面必须平整、光滑、组织真实清晰。4.2.1金相试样观察原理显示金属组织的基本原理是：由于金属内部原子结构有着一定的排列规则，晶粒内和晶界之间、不同位向的晶粒之间、不同的相之间的物理或化学性质不同，经一定物理或化学作用后，对光线的反射能力不同或干涉色不同，因而在显微镜下观察时，明暗度不同或颜色不同。制样时首先把金属表面磨平，再选用适当的腐蚀剂进行腐蚀，在晶界、相界等原子排列较紊乱的地方会容易被腐蚀，使晶粒或各相得以显示出来。而单相组织较难被腐蚀，此外由于在同一平面不同晶粒表现出的位向不同，在显微镜下可以观察出不同的形貌特征，根据这项特征可以观察和分析金属晶粒的大小、组织分布的特征等。4.2.2金相试样制备过程1）取样取样的方法有砂轮片切割、锯、线切割等等。取样必须有代表性，能反映真实的组织，能说明需要说明的问题。因此，取样必须注意以下问题：部位和方向应根据金相分析的目的合理选择。如检查轧制的钢材有无带状组织。必须纵向切取，才能说明有无带状，如图2—1所示。检查高速钢锻造后的碳化物级别，必须取半径的1/2处。总之，检查内容各不相同，取样部位和方向就灵活多样。切取时严防试样温度升得过高。以免组织变化，所以必须水冷。试样尺寸不能过大或过小，以利制样操作。图2—1同一试样不同方向的组织2）试样的镶夹试样一般不需要镶嵌。但试样太小或太薄如细丝、薄片细管等，或检查表层组织不允许倒角，制样时比较困难，则必须将它夹持或镶嵌在另一材料中。镶嵌材料可以是塑料，也可以是低熔点金属。方法有热压法和浇注法。目前一般用电木粉镶嵌，采用专门的金相镶嵌机。3）磨平磨平是用磨料将试样表面凸出的部分磨削去除，使其平整。磨的步骤是先用砂轮磨，后用砂纸由粗到细地磨。用砂轮磨时用力要小，并经常用水冷却；用砂纸磨时由粗到细逐次磨制，可将砂纸铺于平板玻璃上，进行手工磨制，也可将砂纸铺在预磨机的盘上，当盘旋转时，就可进行机械磨制，采用水砂纸时要不断地加水冷却。磨制应注意以下问题：(1)试样必须拿平，试样磨面必须均匀地与砂轮或砂纸接触，使试样磨成一个平面，而不能磨成曲面。(2)用力不能太大，以防试样温度升得过高引起组织变化。(3)必须待前道砂纸的磨痕完全去除后，才能换更细的砂纸。换砂纸时，应将试样和手上的砂粒除净，同时将试样旋转约90°角度。(4)试样的边缘的棱角如没有保留的必要应在抛光前磨圆（倒角），以免抛光时划破抛光布。4）抛光抛光的目的是去除砂纸的磨痕。得到光滑的平面。抛光的方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光、机械电解抛光、机械化学抛光。本实验采用最常用的机械抛光法。机械抛光是在专用抛光机上进行，抛光盘上铺以抛光织物。如帆布、丝绸、呢绒等，再浇以抛光粉(Cr2O3或Al2O3)的悬浊液，即可进行抛光，抛光过程中，将试样均匀平整地压在抛光盘上，压力不宜过大，并沿盘中心到边沿不断作径向往复运动。抛光时间一般是3～5分钟，当磨痕消失而呈现光亮的镜面时，即可停止抛光，并将试样清洗干净。5）组织的显示经抛光后的试样，只能观察到石墨、非金属夹杂物、孔洞、裂缝等。若要观察组织，必须用一定方法将其显示出来。显示组织的方法有化学浸蚀法、电解浸蚀法、气相沉积法、热蚀法、恒电位法等等，本实验用最常用的化学浸蚀法。显示组织的化学试剂有酸、碱、盐类及某些溶剂(水或有机溶剂作缓蚀剂)。将上述试剂适当配合，即成金相试剂。金相试剂成分的选择决定于试样的成分，组织状态和检查的目的。具体选用时，可查阅有关手册。应用最广泛的是3～5%硝酸酒精溶液和苦味酸酒精溶液。化学浸蚀时，将磨面浸入试剂中，或用脱脂棉蘸试剂涂擦试样磨面，浸蚀深浅根据组织特点和观察倍数来确定。一般是磨面变灰即可，试样经浸蚀后必须经水冲洗、再用吸水纸吸水电吹风吹干后才能在显微镜下观察。若组织完全清晰可见，浸蚀就合适。若组织未完全显示出来，应再加浸蚀，若浸蚀过度，则应重新抛光后再浸蚀。4.3合金组织观察与分析4.3.1二元合金铸态组织特征1）单相固溶体组织的特征单相固溶体平衡组织就是一个个的晶粒，如图3—1(左)所示。而非平衡组织存在枝晶偏析的特点：由于成分偏析枝晶轴与轴间成分不同，因而浸蚀程度不同，在显微下观察明暗度也不同，如图3—1(右)所示，很易误认为是两相组织，应特别注意与两相组织区分开。图3—1单相固溶体组织示意图2）共晶型组织特征(1)共晶体特征：二元合金的共晶体是两相的均匀混合物，其中一个相是连续相，另一个相则孤立地分布于连续相中，按孤立相的形态，共晶组织有层片状，短棒状和针状(图3—2)(a)层片状(b)短棒状(c)针状图3—2共晶组织形态示意图(2)亚共晶和过共晶组织特征：亚共晶和过共晶组织是由初生晶和共晶体组成，初生晶粗大，而且具有树枝状形态或直边多边形，如三角形、四边形、长直条状，……。共晶体分布于初生晶之间。当共晶体量很少时，呈连续或断续网状，甚至呈离异共晶(图3—3)。(a)初生晶呈直边块状(b)初生晶呈树枝状(c)离异共晶图3—3亚共晶及过共晶组织形态以上组织特征是二元合金铸态组织形态，除非平衡组织外，平衡铸态组织特征是不能用热处理方法改变的，但可用锻轧等压力加工方法改变组织。4.3.2铁碳合金平衡组织特征概述不同成分的Fe-C合金的平衡组织都是由铁素体、渗碳体、珠光体和莱氏体组成，其区别仅在于分布形态和数量不同。根据各组成物的形态、分布和数量就可判断和识别组织及含碳量。[1]铁素体：铁素体有两种形态和分布：一是呈游离状的不规则多边形。如工业纯铁组织(图3-4)和亚共析钢中的铁素体(图3-6)。二是与渗碳体呈层状相间排列，这就是珠光体中的铁素体(图3-5所示)。[2]渗碳体：渗碳体的分布和形态有：工业纯铁中的Fe3CⅢ（图3-4）沿铁素体晶界分布，呈细条状；过共析钢中的Fe3CⅡ(图3-7)沿奥氏体晶界呈网状分布；珠光体中的共析Fe3C(图3-5)与铁素体呈片层状相间分布；过共晶白口铁中的Fe3CⅠ(图3-10)游离的渗碳体，呈直条状；莱氏体中的渗碳体(图3-8)是作为基体，其中分布有孤立的珠光体。图3-4工业纯铁组织图3-5珠光体组织图3-6亚共析钢组织图3-7过共析钢组织图3-8共晶白口组织图3-9亚共晶白口铁组织[3]珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体片的机械混合物(图3-9)，其组织分布形态有，呈树枝状分布，如亚共晶白口铁中由初生晶奥氏体转变成的珠光体(图3-9)；呈块状与铁素体块混合，即亚共析钢中的珠光体(图3-6)；珠光体呈粒状与渗碳体混合而成莱氏体(图3-8)。必须指出，在显微镜下观察珠光体时，当片层粗大时，可见渗碳体与铁素体的相界线，则渗碳体为白亮的片状(用硝酸酒精浸蚀)，若片层较小或放大倍数低时，则渗碳体为一条黑线；若片层很小，或放大倍数很小时，连珠光体的片层状也不能分辨，则为黑暗的一片，所以Fe—C合金的平衡组织中片层状组织或黑色区域都是珠光体。4.3.3铁碳合金非平衡组织特征概述铁碳合金经缓冷后的显微组织基本上与铁碳相图所预料的各种平衡组织相符合，但碳钢在非平衡状态，即在快冷条件下的显微组织就不能用铁碳合金相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温转变曲线图—C曲线来确定。按照不同的冷却条件，过冷奥氏体将在不同的温度范围发生不同类型的转变。通过金相显微镜观察，可以看出过冷奥氏体各种转变产物的组织形态各不相同。共析碳钢过冷奥氏体在不同温度转变的组织特征及性能如表3—1所示。表3—1共析碳钢(T8)过冷奥氏体在不同温度转变的组织及性能转变类型组织名称形成温度范围(℃)金相显微组织特征硬度(HRC)珠光体型相变珠光体(P)＞650在400～500倍金相显微镜下可观察到铁素体和渗碳体的片层状组织索氏体(S)600～650在800～1000倍以上的显微镜才能分清片层状，在低倍下片层模糊不清25～35屈氏体(T)550～600用光学显微镜观察时呈黑色团状织，只有在电子显微镜(5000～15000×)下才能看出片层组织35～40贝氏体型相变上贝氏体(B)350～550在金相显微镜下呈暗灰色的羽毛状特征40～48下贝氏体(B)230～350在金相显微镜下呈黑色针叶状特征48～58马氏体型相变马氏体(M)＜230在正常淬火温度下呈细针状马氏体(隐晶马氏体)，过热淬火时则呈粗大片状马氏体62～65[1]钢的退火和正火组织属于亚共析成分的碳钢(如40、45钢等)一般采用完全退火，经退火后可得到接近于平衡状态的组织，其组织特征已在铁碳合金平衡组织观察中加以分析和观察。过共析成分的碳素工具钢(如T10、T12钢等)则都采用球化退火，T12钢经球化退火后组织中的二次渗碳体及珠光体中的渗碳体都将变成颗粒状，图3-19中均匀而分散的细小粒状组织就是粒状渗碳体。45钢经正火后的组织（图3-17）通常要比退火的细，珠光体的相对含量也比退火组织（图3-19）中的多，原因在于正火的冷却速度稍大于退火的冷却速度。图3-1745钢退火组织组织图3-1845钢正火组织图3-19T12钢球化退火组织[2]钢的淬火组织将45钢加热到760℃(即AC1以上，但低于AC3)，然后在水中冷却，这种淬火称为不完全淬火。根据Fe—Fe3C相图可知，在这个温度加热，部分铁素体尚未溶入奥氏体中。经淬火后将得到马氏体和铁素体组织。在金相显镜中观察到的是呈暗色针状马氏体基底上分布白色块状铁素体。低碳钢淬火后得到板条马氏体（图3-20）；45钢经正常淬火（图3-21）后将获得细针状马氏体。由于马氏体针非常细小，在显微镜中不易分清。若将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度不足(V冷＜VK，得到的组织将是马氏体和部分屈氏体(或混有少量贝氏体)。45钢经加（图3-22）钢在MS点以上温度淬火时，还会得到B上（图3-23）和B下（图3-24）组织。若将淬火温度提高到1000℃(过热淬火)，由于奥氏体晶粒的粗化，经淬火后将得到粗大针状马氏体组织。色)存在于马氏体针之间。图3-2020钢正常淬火组织图3-2145钢正常淬火组织图3-2245钢油冷淬火组织图3-23上贝氏体组织图3-24下贝氏体组织图3-25T12钢过热淬火组织[3]钢的回火组织钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，它们具有向稳定的铁素体和渗碳体的两相混合物组织转变的倾向。通过回火将钢加热，提高原子活动能力，可促进这个转变过程的进行。淬火钢经不同温度回火后所得到的组织不同，通常按组织特征分为以下三种：a回火马氏体淬火钢经低温回火(150～250℃)，马氏体内的过饱和碳原子脱溶沉淀，析出与母相保持着共格联系的ε碳化物，这种组织称为回火马氏体。回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，故颜色要比淬火马氏体深些，是暗黑色的针状组织。b回火屈氏体淬火钢经中温回火(350～500℃)，得到在铁素体基体中弥散分布着微小粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体。回火屈氏体中的铁素体仍然基本保持原来针状马氏体的形态，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨清楚，故呈暗黑色。用电子显微镜可以看到这些渗碳体质点，并可以看出回火屈氏体仍保持有针状马氏体的位向。C回火索氏体淬火钢高温回火(500～650℃)得到的组织称为回火索氏体，其特征是已经聚集长大了的渗碳体颗粒均匀分布在铁素体基体上。用电子显微镜可以看出回火索氏体中的铁素体已不呈针状形态而成等轴状。五实验步骤实验预习与实验时间预约；金相显微镜操作步骤选择并装好物镜和目镜。转换物镜时用力要轻，不能碰撞到载物台；将金相试样放在载物台上，正对物镜。试样必须无水和抛光粉等物；。接通照明电源。照明灯泡一般是6V、12V、50V等。调节焦距，使物像清晰。应先粗调至物像基本可见时，再微调。使用高倍物镜，应特别注意物镜与试样相碰。避免压碎物镜；移动载物台，选择需观察的视场，进行观察分析；实验完成关上电源，取下试样，整理显微镜，使其复原；每个人完成至少一个金相试样的制备；实验步骤见前述实验原理部分；试样制备好后应选择适当放大倍数观察组织，注意组织的特点，在φ40mm的圆内画下来。观察分析铁碳合金平衡与非平衡组织并画出组织形貌图；5、完成实验数据记录，并经实验老师检查，实验结束后须经老师签字同意后离开实验室。六实验注意事项显微镜室必须保持清洁、干燥，必须换鞋才能进入；不能随意拆卸显微镜及其零部件；镜头等光学零部件上的灰尘及污物，不能用嘴吹或手巾擦，只能用专用的毛刷或镜头纸擦；在观察显微组织时，可先用低倍全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍放大，对部分区域进行详细地观察。在移动金相试样时，不得用手触摸试样表面或将试样重叠起来，以免引起显微组织模糊不清，影响观察。画组织图时，应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织，不要将磨痕或杂线画在图上。实验操作中应严格遵守设备操作规程和实验室工作条例，保证自身安全和他人安全，保证设备正常，有异常及时与实验室指导老师联系。每组实验完毕，对实验场所和实验设备进行清扫，维护好实验室环境。七、实验报告要求写明制样过程出现的问题，取样注意事项；评价本人制样质量，存在缺点，分析产生的原因。说明不同放大倍数下观察的效果和放大倍数选择的原则；写出金相显微镜的操作注意事项；合金组织观察与分析：画出所要求观察的合金试样的组织图，图中标明各组织组成物，注明金相试剂。谈谈自己实验体会与心得。实验报告应写明实验项目、实验时间、指导老师等，填写工整，条理清楚，在实验完成后一周内必须交给相关实验老师。八思考题预习1简述金相显微镜的结构及使用时的注意事项。2简述金相试样制备的过程及各操作步骤注意要点。3简述二元铸态合金常见组织组成物种类和组织特点4简述Fe-C合金平衡组织中常见组织组成物种类和组织特点5简述材料进行热处理的目的6简述碳钢常见的热处理方式及对应热处理工艺处理后显微组织及性能特点课后1画出铁碳相图，并分析含碳量对碳钢平衡组织的影响。2分析碳钢平衡组织渗碳体的几种形态及形成条件。3比较共析钢过冷奥氏体在不同形成温度时转变产物的组织特征；比较碳钢的正火与退火组织之间、淬火与回火组织之间组织差异。4完整的记录金相试样的制备过程，写明制样过程出现的问题，说明取样注意事项；评价本人制样质量，存在什么缺点，分析产生的原因。材料工程基础实验报告实验记录（用铅笔在记录纸上绘出观察到的显微组织示意图，并标明试样材料、组织组成物、放大倍数）.1.1、实验用试样序号材料热处理状态组织特征腐蚀剂P1工业纯铁等温退火F+Fe3CⅢ4%硝酸+酒精P220等温退火F+P（少量）4%硝酸+酒精P345等温退火F+P4%硝酸+酒精P4T8等温退火P（片层状）4%硝酸+酒精P5T12等温退火P+Fe3CⅡ4%硝酸+酒精P6T8球化退火P（球状）4%硝酸+酒精P7亚共晶白口铁铸态P+Fe3CⅡ+Le′4%硝酸+酒精P8共晶白口铁铸态Le′4%硝酸+酒精P9过共晶白口铁铸态Fe3CⅠ+Le′4%硝酸+酒精1.2、画出显微组织特征并在图中注明各组织组成物123放大倍数：放大倍数：放大倍数：材料名称：材料名称：材料名称：组织组成：组织组成：组织组成：456放大倍数：放大倍数：放大倍数：材料名称：材料名称：材料名称：组织组成：组织组成：组织组成：

.2.1实验用试样序号材料热处理状态组织特征腐蚀剂F020920℃淬火M(板条)4%硝酸+酒精F145等温退火F+P4%硝酸+酒精F245正火F+P4%硝酸+酒精F345760℃淬火M(细针)+F4%硝酸+酒精F445850℃淬火M(细针)4%硝酸+酒精F545850℃油淬M(细针)+T4%硝酸+酒精F745850℃淬火，低温回火回火M(细针)4%硝酸+酒精F10T12球化退火P（球状）4%硝酸+酒精F11T12760℃淬火M(细针)+球状碳化物4%硝酸+酒精F12T121000℃淬火M(粗片)+残余A4%硝酸+酒精2.2画出显微组织特征并在图中注明各组织组成物123放大倍数：放大倍数：放大倍数：材料名称：材料名称：材料名称：组织组成：组织组成：组织组成：456放大倍数：放大倍数：放大倍数：材料名称：材料名称：材料名称：组织组成：组织组成：组织组成：实验二热处理综合实验实验学时：8h实验性质：综合性一、实验目的通过本次综合实验学会通过金相技术分析判别不同材料；并了解不同材料，尤其是钢在加热、冷却以及回火过程中发生的组织和性能的变化；熟悉热处理设备、金相制样设备和硬度计的操作和应用；熟悉常规热处理工艺并利用所学相关知识对热处理缺陷进行分析。二、实验内容本次实验为综合实验，鼓励同学们以组为单位，自行设计实验参数和实验过程，并对实验结果进行综合分析，本实验需要综合运用定量金相、热处理工艺、硬度测试和金相组织分析等知识。本实验要求同学分组后，以组为单位，先到实验室领取不同试样运用所学知识判定材料类型后，小组讨论制定实验方案、目的，根据实验室现有资源合理设计实验步骤，并说明预期效果。实验时间和实验过程设计好后，需以班为单位提前2周与实验室老师预约具体时间，并将实验参数报给实验老师，确定其可行性；预约后若未按时进行实验，取消本次实验资格，不予补做。三、实验仪器、设备及材料3.1实验仪器、设备3.1.1材料成型实验室：箱式电炉及控温仪表；淬火水槽；洛氏硬度计、3.1.2材料基础实验室：洛氏硬度计、显微硬度计、金相显微镜、砂轮机、预磨机、抛光机、电吹风、牛伏特显微镜、图象分析系统。3.2实验材料试样：20钢，45钢，T10钢，T10钢，60钢试样冷却剂：水，油(使用温度约20℃)制样材料：砂纸、抛光剂、抛光布、硝酸酒精、相纸四实验原理热处理是一种很重要的金属热加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构可以发生一系列变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。4.1钢的退火和正火钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时奥氏体在高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢(如40、45钢)经退火后组织稳定，硬度较低(HB180～220)有利于下一步进行切削加工。正火则是将钢加热到Ac3或Acm以上30～50℃，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对高碳钢则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作准备。不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值见表1所示。4.2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30～50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(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。表1碳钢在退火及正火状态下的机械性能性能热处理状态含碳量(%)≤0.10.2～0.30.4～0.6硬度(HB)退火～120150～160180～230正火130～140160～180220～250强度σb(MN/m2)退火300～330420～500560～670正火340～360480～550660～700（1）淬火温度的选择正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据Fe—Fe3C相图确定。对亚共析钢，其加热温度为Ac3＋30～50℃，若加热温度不足(低于Ac3)，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Ac1＋30～50℃，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。过高的加热温度(如超过Acm)不仅无助于强度、硬度的增加，反而会由于产生过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性的下降。需要指出，不论在退火、正火及淬火时，均不能任意提高加热温度。温度过高晶粒容易长大，而且增加氧化脱碳和变形的倾向。各种不同成分碳钢的临界温度列于表2中。（2）保温时间的确定淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，碳钢在电炉中加热时间的计算列于表3。（3）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，以减小内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线图(如图1—1所示)，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(即与C曲线的“鼻尖”相切)，而在较低温度(300～100℃)时的冷却速度则尽可能小些。为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质(如水、油等)和冷却方法(如双液淬火、分级淬火等)。不同的冷却介质不同的温度范围内的冷却能力有所差别。各种冷却介质的特性见表4。表2名种碳钢的临界温度(近似值)类别钢号临界温度(℃）Ac1Ac13或AccmAr1Ar3碳素结构钢碳素工具钢207358556808353073281367779640724790680760457247806827505072576069072160727766695743T7730770700—T8730—700—T10730800700—T12730820700—表3碳钢在箱式炉中加热时间的确定加热温度(℃)工作形状圆柱形方形板形保温时间分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度70080090010001.51.00.80.42.21.51.20.6321.60.8表4几种常用淬火介质的冷却能力冷却介质在下列温度范围内的冷却速度(℃/秒)650～550℃300～200℃18℃的水60027026℃的水50027050℃的水10027074℃的水3020010%NaCl水溶液(18℃)110030010%NaOH水溶液(18℃)120030010%Na2CO3水溶液(18℃)800270矿物机器油(50℃)15030变压器油(50℃))120254.3钢的回火钢经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆，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引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。表5为45钢淬火后经不同温度回火后的组织性能。表545钢经淬火及不同温度回火后的组织和性能类型回火温度(℃)回火后的组织回火后硬度(HRC)性能特点低温回火150～250回火马氏体＋残余奥氏体＋碳化物50～57高硬度，内应力减小中温回火350～500回火屈氏体35～45硬度适中，有高的弹性高温回火500～650回火索氏体20～33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。回火温度：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。现将几种常用的碳钢(45、T10和T12)回火温度与硬度的关系列于表6。也可以采用经验公式近似地估算回火温度。例如45钢的回火温度经验公式为：T(℃)≈200＋K(60－χ)式中：K——系数，当回火后要求的硬度值＞HRC30时，K=11；＜HRC30时，K=12。χ——所要求的硬度值(HRC)。保温时间：通常采用1～3小时，实验所用试样较小，定为30分钟，