热处理实验报告

《热处理实验》报告

实验名称 金属材料热处理实验 学 院 高等工程师学院 专业班级 材E152 姓 名 魏学源 学 号 41518120

2018年6月1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、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

1.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.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.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*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，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.硬度测量原理

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.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.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.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 45# 40CrNi T8 1000°C淬火 55.7 46.7 62.8 水淬 62.35 860°C 油淬 24.55 49.8 正火 12.15 24.9 770°C 23.15 水淬 65.9 770°C 49.8 53.1 油淬 44.0 200°C 56.5 50.3 61.85 300°C 50.95 48.5 55.75 回火 400°C 42.2 44.7 47.45 500°C 28.7 31.6 28.3 600°C 25.2 27.5 22.3 表1.实验数据汇总表

1.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） 45号钢（860°C） T8（860°C） 水淬 62.35 65.9 油淬 24.55 44.0 正火 12.15 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 45号钢 40CrNi T8 860°C淬火 62.35 200°C 56.5 50.3 61.85 300°C 50.95 48.5 55.75 400°C 42.2 44.7 47.45 500°C 28.7 31.6 28.3 600°C 25.2 27.5 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α固溶体和薄片状ε碳化物的复相组织，并且回火马氏体部分分解析出ε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ε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χ碳化物和θ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，α相发生再结晶，由等轴状铁素体逐步代替针状α相，使硬度下降。

2.合金元素对试样影响

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论：

1. 淬火条件影响样品的组织和性能。淬火温度及冷却速度（选择有效的冷却介质）适宜时，生成细小的马氏体组织，回火后强度高，塑性好，获得较好的综合力学性能。淬火温度低，发生不完全淬火，组织为马氏体和铁素体组织，强度低，硬度也低，力学性能较差。淬火温度较高时，形成粗大奥氏体，由于组织的遗传性，淬火后形成粗大马氏体组织。冷却速度过快，形成巨大内

应力，可能发生淬裂现象。冷却速度过慢，形成的马氏体不完全，有珠光体形成(珠光体，索氏体，屈氏体)。

2. 回火温度影响样品的组织和性能。根据回火温度分为低温回火，中温回火，高温回火（不同钢种，所对应的温度有差异，一般合金元素越多，温度越高）；回火组织为回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体；回火马氏体晶粒最细小，硬度强度最高；回火屈氏体晶粒介于两者之间，硬度强度中等，具有极好的弹性；回火索氏体板条最粗大，强硬度最低，但具有较高的塑韧性。

3. 合金元素影响样品的组织和性能。碳原子能起到固溶强化作用，碳含量越高，固溶强化作用越强，马氏体越不易形成，Ms点和Mf点越低，过冷奥氏体含量越高，并且，碳含量的不同（过共析钢和亚共析钢）会导致相同温度下淬火后的组织不同,从而导致最优淬火温度不同。合金元素的融入还可使CCT曲线移动（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），从而提高（或降低）样品的淬透性，对热处理方案的选择有至关重要的作用。

七、参考文献

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