北京科技大学热处理实验报告-45号钢的退火工艺

《金属材料及热处理》实验报告

一、实验名称：45号钢热处理及其金相观察

二、实验目的：

（1）熟悉中碳钢（45号钢）的基本热处理（淬火、回火）的工艺方法；

（2）练习试样的制备过程（粗磨，精磨，抛光，侵蚀）；

（3）练习使用金相显微镜，进一步熟悉其使用方法；

（4）练习使用洛氏硬度计；

（5）熟悉和了解不同组织所对应的微观形貌；

（6）通过与其他同学的热处理钢种（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，分析以上这些因素对组织、性能的影响。

三、实验仪器：45号钢圆柱试样（高：16cm；直径：15cm），高温电阻炉及其附属设备（手套，夹子），手表；淬火介质——常温水，砂纸（100-800五个等级范围），打磨机，抛光机，4%的硝酸，酒精，金相显微镜等。

四、实验工艺及原理：通过对45号钢正常淬火，即加热温度860度（时间为30min）——>正常水冷淬火后得到马氏体（板条状或者是板条状+针状）+少量残余奥氏体组织——>然后将淬火马氏体钢放在500度的炉中进行中温回火，时间为40min，然后将试样以空冷的方式冷却至室温，进行粗磨，细磨，抛光，侵蚀，观察。

（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。本次实验主要涉及到的是淬火和回火。

（2）淬火加热温度的选择：45号钢属于亚共析钢，所以在一般的热处理工艺中，奥氏体化时需要加热到A C3以上30-50度，否则若加热到两相区，则由于淬火组织中存在软相铁素体会导致强度和硬度大大降低，从而导致性能严重下降。

（3）淬火冷却介质的选择：45号由于是中碳钢，因而淬透性比较差，所以为了得到马氏体组织，我们需要用淬火能力比较强的水来来作为淬火介质。同时水温要保持在20-30度，以保证好的冷却效果。水温过高要及时换水。

（4）淬火组织：碳钢正常淬火组织为马氏体（板条状或者是板条状+针状）+少量残余奥氏体组织。

①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，一些接近平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。

②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限制，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。

③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，它不易受硝酸酒精的侵蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，没有固定的形态。因为本次实验使用的是45号碳钢，所以残余奥氏体的量很少。

（5）回火温度的选择：回火温度的不同直接影响回火后组织的形貌结构。

①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。

②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。

③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。

注意：回火屈氏体、回火索氏体是淬火马氏体钢回火时的产物，它们的渗碳体是颗粒状的，且均匀地分布在铁素体基体上；而直接冷却得

到的索氏体和屈氏体是过冷奥氏体形成的，其渗碳体一般是层状的。回火组织在相同的硬度下具有较高的塑性和韧性。

（6）洛氏硬度计：主要包括三个过程，加载——>读数——>卸载，并选择试样三个不用的位置测量三组数据，取其平均值为试样的硬度值以提高测量结果的准确性。在本次试验中使用的洛氏硬度计由于自身具有误差等原因，需要在最后的结构减掉HRC23以得到最终的测量结果。

五、实验步骤及具体操作：

（1）淬火操作：开启高温炉（为了节省时间，实验室老师已经将炉温860度等各个电阻炉温度调好），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，并不断搅动以防止试样表面冷却不均出现软点。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（500度），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，就可以结束了。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）砂纸打磨：将回火后的钢样进行打磨，抛光以有利于金相观察。选择一个底面作轻微的打磨，去掉氧化皮，磨平即可，另一个底面作为要观察的一面（一般，为了更好的研究空冷组织，选择冷却时朝上的那一面）。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800等级的砂纸便可以结束。

（4）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测三个数据，取其平均值。

（5）打磨机打磨，抛光：利用实验室的打磨机和抛光机进行划痕的消除。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。在抛光机上进行抛光时没有这样的要求，可以在涂抹抛光膏后在一个固定方

向，使试样在打磨机留下的痕迹沿半径方向进行抛光。抛光的时间以肉眼看不到划痕，光亮如镜面就可以停止了。

（6）侵蚀：用棉花球蘸取硝酸液，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。

（7）利用500倍的光学显微镜进行观察，并拍照留图。

六、实验结果和数据记录：

（1）淬火45号钢回火硬度测量：

第一次第二次第三次平均值

洛氏硬度HRC 36.2 37 37.6 36.93 （2）淬火45号钢回火光学显微镜500倍显微观察金相组织：

七、实验结果分析和总结：

（1）硬度分析：根据资料，低温回火得到的回火马氏体硬度约HRC58-64；中温回火得到的回火屈氏体硬度约为HRC35-50；高温回火得到的回火索氏体约为HRC25-35。通过实验结果得到的硬度值为HRC36.93，可以判断回火组织极有可能为回火屈氏体，或者是屈氏体占大部分。

①对于45号钢，与水淬火钢相比，回火可以大大降低组织的硬度；油淬由于冷却速度比较小，使得在M S点以上，发生了部分的过冷奥氏体转变，从而使其硬度与水淬火钢相比，有很大的降低。而空冷则由于冷却速度比较慢，碳、铁原子可以较为充分地进行扩散，得到接近平衡的铁素体+珠光体组织，而且它与回火钢最大的不同就是，它的珠光体是片层状的，而回火得到的是粒状珠光体（渗碳体分散在铁素体的基体上），尽管空冷的得到的组织与某一回火温度得到的组织相同，但由于组织结构不同，从而导致其硬度较低。对于不同的回火温度，通过作图，可以很清楚地看到，随着回火温度的升高，硬度总体变化趋势是下降的（600度的回火45号钢可能是数据出现了问题），这也说明了回火温度的不同导致了组织结构的不同，也验证了我们的理论：1）当回火温度很低时，由于组织结构仍为马氏体（回火马氏体），所以硬度只是略有下降；2）对于回火珠光体，回火温度越低，得到的组织越细（渗碳体析出颗粒越小），界面积越大，则界面的强化作用就越强，从而导致其硬度越大。此外，就奥氏体化温度对淬火钢的硬度影响而言，加热温度升高时，由于晶粒粗大，会导致淬火钢的硬度下降（对40CrNi，T8也如此）。

②与合金钢40CrNi（和45号钢相比，碳含量并无太大的变化，为

0.4%）相比，由于在碳钢的基础上加入了合金元素，一方面它们可以增加钢的淬透性，从而可以细化晶粒；此外，由于Cr和Ni的固溶强化，也使得硬度较同样热处理条件下的碳钢要大。

③与高碳钢T8相比，当进行一般的热处理工艺时（即加热到两相区），由于碳化物的界面强化作用，会导致其硬度较高。

（2）金相组织分析：在原理中已经述及各类组织的形貌，通过实验的结果，我们看到粒状的渗碳体分布在铁素体基体中，符合实验预期的结果。但通过对比其他同学的实验结果，很难从金相组织判断相的不同，除了马氏体比较容易区分外，屈氏体和索氏体都是以粒状渗碳体分布在铁素体的基体上存在的。

（3）总结：通过本次实验，进一步加深了对金属材料热处理的工艺作用的理解。在钢样仍保持固态的情况下，通过加热到一定温度，保温，冷却这样的处理工艺，可以改变原有的组织，进而改变其性能，如硬度和强度，塑性等。热处理过程所采用的制度不同，会对最终得到的组织有不同的影响，合理选择热处理制度（加热温度，冷却介质等），可以得到符合我们需要性能的最终组织结构。热处理中的四把火“正火”，“退火”，“淬火”，“回火”尤其是淬火和回火相结合可以得到我们想要的强度，硬度，塑性，韧性相互补的组织，在实

际生产中有非常广泛的应用。