本科实验5 碳钢的热处理

实验5碳钢的热处理

一、实验目的

1.了解普通热处理四把火（退火、正火、淬火、回火）的方法。

2.分析碳钢在热处理时，加热温度、冷却速度及回火温度对其

组织与硬度的影响。

3.分析碳钢的含碳量对淬火后硬度的影响。

二、实验概述

钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温与冷却，以

改变其组织和性能的一种工艺。普通热处理有退火、正火、淬火及回

火等。

1.碳钢热处理工艺

1）加热温度

碳钢普通热处理的加热温度，原则上可按表5-1选定。但生产

中，应根据工件实际情况作适当调整。热处理加热温度不能过高，否

则会使工件的晶粒粗大，氧化、脱碳严重，变形、开裂倾向增加°但

加热温度过低，也达不到要求的效果。

2）加热时间

热处理的加热时间（包括升温与保温时间）与钢的成分、原始组

织、工件的尺寸与形状、使用的加热设备与装炉方式及热处理方法等

许多因素有关。因比，要确切计算加热时间是比较复杂的。

在实验室中，通常按工件有效厚度，用下列经验公式计算加热时

间：t=axD

式中t一加热时间（min）：a一加热系数（min/mm）：

D一工件有效厚度(mm)。

当碳钢工件的有效厚度DW50mm。在800〜960°C箱式电阻加

热炉中加热时,a=l~1.2(min/mm)。

回火的保温时间，要保证工件热透井使组织充分转变。组织转变

时间一般不大于0.5h,但热透时间则随回火温度、工件有效厚度、装

炉量及加热方式而异。生产中，一般为1〜3h,实验时可用0.5hc

表5-1碳钢普通热处理的加热温度

方法加热温度0C应用范围

储+(20〜60)亚共析钢完全退火

退火

h+(20〜40)过共析钢球化退火

脑+(50〜100)亚共析钢

正火

&+(30〜50)过共析钢

脑+(30〜70)亚共析钢

淬火

h+(30〜70)过共析钢

低温150〜250刀具、量具、冷冲模具、高硬度零件等

回火中温350〜500弹簧、中等便度零件等

回皿500〜630齿轮、轴、连杆等要求综合力学性能的零件

3)冷却方法

钢退火一般采用随炉冷却到600〜550°C以下再出炉空冷。正

火采用空气中冷却。淬火时，钢在过冷奥氏体最不稳定的范围内

(650-550°C)的冷却速度应大于临界冷却速度，以保证工件不转变

为珠光体型组织，而在Ms点附近的冷却速度应尽可能低，以降低淬

火内应力、减少工件变形与开裂。因此，淬火时除了要选用合适的淬

火冷却介质外，还应改进淬火方法。对形状简单的工件，常采用简易

的单液淬火法，碳钢用水或盐水溶液作冷却介质，合金钢常用油作冷

却介质。

2.碳钢热处理后的组织和性能

1)珠光体型组织

是过冷奥氏体在高温区（Ari至C曲线鼻尖）转变的产物。随奥

氏体在冷却时过冷度的增加，依次得到珠光体、索氏体、。它们都是

铁素体与渗碳体的细密机械混合物，但铁素体与渗碳体层片间距离依

次变小，使组织的强度、硬度递增。

2）贝氏体型组织

是在中温区（C曲线鼻尖到Ms）转变的产物。上贝氏体在光学

显微镜下呈羽毛状，下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针片状，下贝氏

体的性能与上贝氏体相比较，它不仅具有较高的硬度、强度与耐磨性,

而且下贝氏体的韧性与塑性均高于上贝氏体。

3）马氏体组织

是过冷奥氏体在低温区（Ms以下）转变的产物。马氏体是碳在

a-Fe中的过饱和固溶体。低碳马氏体组织呈板条状，它不仅具有

较高的强度与硬度，同时还具有良好的塑性与韧性。高碳马氏体组织

呈针片状，性能硬而脆。通常，共析钢和过共析钢在正常加热淬火后,

得到的马氏体是很细小的，在光学显微镜下分辨不出它的形态，故通

常称为隐晶马氏体。

4）回火组织

淬火组织为马氏体（常有少量残余奥氏体）的碳钢，在低温回火

后获得回火马氏体。它是由含碳过饱和的c固溶体与其晶格相联系的

£的碳化物组成的。回火马氏体仍保留着原来马氏体的针片状或板条

状形态，但由于在过饱和a固溶体上分布着大量高度弥散的细小£碳

化物，使回火马氏体比淬火状态马氏体容易被腐蚀。故在光学显微镜

下呈暗黑色。回火马氏体性能基本上与淬火马氏体相同，但脆性较低。

中温回火获得回火屈氏体。它是由尚未发生再结晶的铁素体与弥

散分布的极细粒状渗碳体组成的，这些极细的粒状渗碳体在光学显微

镜下无法分辨，且因铁素体尚未再结晶，仍保持原来马氏体形态，故

在显微镜下观察时，回火屈氏体与回火马氏体比较相似。回火屈氏体

具有高的屈服强度、弹性极限和较好的韧性。

高温回火得到回火索氏体.它是由已再结晶的铁素体与细粒状渗

碳体所组成。由于铁素体己发生再结晶，故基本上已失去马氏体的形

态。在放大五百倍以上的情况下，可以看见渗碳体微粒。回火索氏体

具有优良的综合机械性能。回火温度更高时(接近Acl),形成回火

珠光体。它是由多边形铁素体和较大的粒状渗碳体组成，其光学显徽

组织形态与球化退火后的显微组织形态相似。

表5—245钢正常热处理后的组织与力学性能特点

热处理方法冷却速度组织力学性能特点

退火炉冷冷铁素体+珠光体强度、硬度暗冷却速

正火空冷速铁素体+细珠光体度增大而递碧

淬火油冷递屈氏体+马氏体+残余奥氏体

水冷增马氏体+残余奥氏体

回低温回火马氏体+残余奥氏体保持高硬度,脆性比

火回火时稍低

中温回火屈氏体具有高弹性及较好的

韧性

高温回火索氏体具有良好的综合力学

性能

3.碳钢含碳量对淬火后硬度的影响

在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高,但

含碳量大于0.8%的钢，淬火后硬度增加不明显。一般低碳钢淬火后,

硬度在HRC40左右；中碳钢淬火后，硬度可达HRC50〜62；高碳钢

淬火后，硬度高达HRC62〜65。

三、实验设备、用品及试样

1.实验设备及用品

(1)高温箱式炉2台。

(2)中温箱式炉2台。

(3)电热干燥箱1台。

(4)洛氏硬度计(HR—150)2台。

(5)待热处理的试样。

(6)夹钳、砂纸、矿物油或变压器油等。

2.实验试样

试样材料数量用途

分析热处理(淬火)，加热温

45钢3块

度对钢组织、性能影响

分析热处理时，冷却速度对钢

45钢4块

组织、性能影响

分析回火温度对钢组织、性能

淬火状态45钢3块

影响

20钢

分析含碳量对钢淬火硬度的

45钢各一块

影响

T8钢

四、实验方法与步骤

1.学生按组领取实验试样，并打上钢号，以免混淆。

2.将三块45钢试样分别加热到750℃、840℃及950〜980℃,保

温后水冷，然后分别测定它们的硬度，并作好记录。

3.决定45钢的热处理加热温度与保温时间。调整好控温装置，

并将四块45钢试样放入以升到加热温度的电炉中进行加热与保温。

然后，分别进行炉冷(随炉冷到60()〜5()()℃再出炉空冷)、空冷、油冷

与水冷。最后，再测定它们的硬度，并作好记录。

4.首先测定三块淬火状态45钢的硬度，然后分别放人2()0℃、

400℃、600℃的电炉中回火30min。回火后的冷却，一般可用空冷。

测定回火后试样的硬度，并作好记录。

5.各组将20钢、45钢、T8钢分别按它们正常淬火温度加热、保

温后取出在水中冷却，然后测定淬火后硬度，并作好记录。

6.观察钢热处理状态的金相试样的显微组织，区别其组织组成物

及形态特征，并绘出指定的几种组织示意图。

五、实验注意事项

1.学生在实验中要有所分工。

2.淬火冷却时，试样要用夹钳夹紧，动作要迅速，并要在冷却介

质中不断搅动。夹钳不要夹在测定硬度的表面上，以免影响硬度值。

3.测定硬度前，必须用砂纸将试样表面的氧化皮除去并磨光。每

个试样应在不同部位测定三次硬度，并计算其平均值。退火、正火试

样可测HRB,其余测HRC。

4.热处理应注意安全操作

(1)在取放试样时，应切断电源。

(2)炉门开、关要快。炉门打开的时间不能过长.以免炉温下降

和损害炉膛的耐火材料与电阻丝的寿命。

(3)在炉中取放试样时，夹钳应擦干，不能沾有水或油。

(4)在炉中取放试样时，操作者应戴上手套，以防烧伤。

六、实验报告要求

1.将所测定的全部试样数据填入附表1至4中。

2.将各热处理组织填入表中。

3.根据实验数据，完成数据分析并回答下列问题。

附表

1.热处理（淬火）时，加热温度对钢组织、性能的影响

试样材料热处理工艺参数硬度值HRC

加热保温显微

尺寸冷却第一第二第三平均

钢号温度时间组织

mm介质次次次值

℃min

750

840

950~980

根据实验数据，说明淬火时加热温度对钢组织与性能的影响。

2.热处理时，冷却速度对钢组织、性能的影响。

试样材料热处理工艺参数硬度值HRC（炉冷、空冷测HRB）

加热保温显微

尺寸冷却第一第二第三平均

钢号温度时间组织

mm介质次次次值

℃min

炉冷

空冷

油冷

水冷

根据实验数据，说明钢加热成奥氏体后，冷却速度对钢组织与性能的

影响。

3.回火温度对淬火钢组织、性能的影响。

试样材料热处理工艺参数