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1、碳钢的热处理及硬度测试一、实验目的1、了解碳钢的热处理工艺规程，并能动手操作简单的热处理工艺。2、分析碳钢在热处理时：1）含碳量对淬火硬度的影响；2）不同的冷却速度对钢的组织与性能的影响；3）不同的回火温度对淬火钢组织和性能的影响。3、了解金属材料的硬度测试方法。二、预习内容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。（1）淬火温度的
2、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（如图1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。图1（2）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表1所示。表1 碳钢在箱式电炉中
3、加热时间的确定 加 热温度()工 件 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7001.52.238001.01.529000.81.21.610000.40.60.83）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，可根据C曲线图（如图2所示），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（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300100）时冷却速度则尽可能小些。为
4、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表2. 图2 表2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）65055030020018的水60027050的水10027010NaCl水溶液（18）110030010NaoH水溶液（18）120030010NaoH水溶液（18）800270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
5、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。低温回火，工件在150-250进行的回火，目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。力学性能：58-64HRC，高的硬度和耐磨性。应用范围：主要应用于各类高碳钢的工具、刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。中温回火，工件在350-500 之间进行的回火。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。回火后得到回火屈氏体，指马氏体回火
6、时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。力学性能：35-50HRC，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性。应用范围：主要用于弹簧、发条、锻模、冲击工具等。高温回火，工件在500-650以上进行的回火。目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着细小球状碳化物（包括渗碳体）的复相组织。力学性能：25-35HRC，较好的综合力学性能。应用范围：广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。几种常见碳钢回火后硬度值（HRC）见下表3表3 各种不同温度回火后的硬度值（HRC）回火温度（）45钢T
7、8钢T10钢T12钢15020060546460646265622003005450605562566257300400504055455647574940050040334535473849385006003324352738273828注：由于具体处理条件不同，上述数据仅供参考。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（60）式中：K系数，当回火后要求的硬度值HRC30时，K=11；HRC时，K=12。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
8、30分钟，回火后在空气中冷却。3、洛氏硬度洛氏硬度试验常用的压头有两种：一种是顶角为120的金刚石圆锥，另一种是直径为1/16吋（1.588mm）的淬火钢球。据金属材料软硬程度不同，可选用不同的压头和负荷配合使用，最常用的是HRA、HRB、和HRC。这三种压头、负荷及应用范围可参考表4。表4洛氏硬度实验的压头、载荷数和适用范围符号压头负荷（kgf）硬度值有效范围使用范围HRA120金刚石圆锥6070使用测量硬度质合金、表面淬火层、渗碳层HRB1/16钢球10025100（HB60230）使用测量有色金属、退火及正火钢HRC120金刚石圆锥1502067（HBC230700）使用测量调质钢、淬火
9、钢洛氏硬度同布氏硬度一样，也属压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图3所示。图3洛氏硬度值的计算公式如下： 式中：h1预加载荷压入试样的深度（）； H3卸除主载荷后压入试样的深度（）； K常数，采用金刚石圆锥时，K为0.2（用于HRA、HRC），采用钢球时，K为0.26(用于HRB)。因此，上式可改为： THR150D数显洛氏硬度计结构如下图4图4测定洛氏硬度的技术要求（1）根据被测金属材料的硬度高低，按表4选定压头和载荷。（2）试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。（3）试样厚度应不小于压入深度的10倍。（4）两相邻压痕及压痕离
10、试样边缘的距离均不应小于3。（5）加载时，力的作用线必须垂直于试样表面。硬度计的使用方法：以THR150D数显洛氏硬度计为例。（1）打开电源。（2）选择合适的载荷及压头，设置标尺换算，保荷时间等参数。（实验中可直接采用默认设置）（3）清洁载物台，将需要测试的实验钢块放置在载物台上，注意测试面朝上，钢号面朝下。（4）顺时针转动手轮使载物台上升，上升的过程中注意调整钢块的位置，不能测重复的位置，也不要太接近试样的边缘。使试样慢慢无冲击地与压头接触，直至硬度计显示屏显示580为止，此时已施加98.07N的初试验力，蜂鸣器短响。人为操作完成。注意当载物台上升速度过快，显示值超过610时，蜂鸣器长响，提
11、示操作错误，应下降试台，改换测点位置再测试。（5）等待自动施加主试验力，当总试验力保持一定时间后（默认设定为5秒），自动卸除主试验力，保留初试验力，蜂鸣器短响，显示屏的数值即为被测试件的硬度值。（6）记录下显示屏中的HRC值。然后降低载物台，更换测试位置，每个钢块测试3个不同的位置并记录。三、实验设备及材料1、实验用箱式电阻加热炉四台（附测温控温装置）：1）SRX39型加热炉一台；2）SRX29型加热炉一台；3）SX22.510型加热炉一台；4）SX2413型加热炉一台。2、THR150D数显洛氏硬度计一台。3、冷却剂：水，10号机油（使用温度约20）。4、热处理工艺其他耗材等 。5、实验试样
12、：45钢、T8钢、T10钢各4块。四、实验内容与步骤1、学生分成45，T8和T10三个大组，分别负责三种钢块的淬火和回火处理，并指定一名组长负责汇总整理数据。2、分组实验内容指导：1）45组学生将4块45钢试样加热到840，T8/T10组学生将4块T8/T10钢试样加热到770保温20分钟，然后其中2块进行水冷，1块油冷，1块空冷，其后，分别测定它们的硬度，并将数据记录到表格（其中表一中记录平均硬度值较高的一块对应的数据）。淬火实验数据记录与整理试样材料热处理工艺参数硬度值HRC钢号尺寸（）加热温度（）保温时间（min）冷却方式第1次第2次第3次平均值空冷油冷水冷根据实验数据，说明钢加热到奥氏
13、体状态后，不同的冷却速度对钢的组织与性能的影响。2）各组将3块测完硬度的水冷的钢块分别放入200，600的电炉中回火20分钟。回火后的冷却，一般可用空冷。其后，分别测定回火后试样的硬度，并将数据记录到表格。回火实验数据记录与整理试样材料回火工艺参数硬度值HRC显微组织钢号回火前硬度HRC加热温度（）保温时间（min）冷却介质第1次第2次第3次平均值200600根据实验数据，绘出回火温度与钢硬度的关系曲线，并联系组织，分析其性能变化的原因。3）三个大组互相交换水冷后的硬度数据，选取三块钢块中平均硬度最高的一块的数据用于进行对比分析。实验数据记录与整理试样材料含碳量（%）热处理工艺参数硬度值HRC钢号尺寸（）加热温度（）保温时间（min）冷却介质第1次第2次第3次平均值45水T8水T10水根据实验数据，绘出钢的含碳量与淬火后硬度间的关系曲线，并分析其原因。3、组长负责整理好本组数据。
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