实验二 碳钢的热处理操作及硬度测定

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C．高温回火 是在 500~650 ℃进行回火，所得组织为回火索氏体，硬度为 HRC25~35。
用于结构零件的热处理。其综合机械性能较好。淬火加高温回火叫调质处理。
D．高于 650 ℃的回火为珠光体，硬度较低。
表 2-3 45 钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能
类型
回火温 度/℃
回火后组织
回火后硬度 （HRC）
钢的热处理基本工艺可分为退火、正火、淬火和回火等。热处理操作中，加热温度、保 温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。正确选择这三种工艺参数， 是热处理成功的基本保证。Fe-Fe3C 相图和 C 曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。 （一）加热温度 1、退火加热温度
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 号、45 号钢等）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。
为了调和上述矛盾，可以采用适当的冷却剂和冷却方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温
度范围（650~550℃）快冷，其冷速超过临界冷却速度；而在马氏体转变温度（300~100℃） 以下慢冷。然而，现实中没有符合上述原则的理想冷却介质，使用双液淬火和分级淬火是符
合上述原则的冷却方法，其它常用的淬火方法还有等温淬火法等。
性能特点
低温回火 150~250 回火马氏体+残余奥氏体+碳化物
60~57
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 度相配的综合性能
回火温度也可用经验公式近似估算。
例如，45 钢的回火温度经验公式如下：T／℃＝200 十 K(60-X)
2P
F π D(D − D2 − d 2 )
式中： P 为计算平均压力，以此作为试样硬度值，称为布氏硬度值，以符号 HB 表示； F
P—施加的载荷，N； F—压痕的表面积； D—钢球的直径，mm2；
d—压痕直径。
在 P 和 D 一定的情况下，布氏硬度的高低取决于压痕的直径 d，d 越大，表明材料的
HB 值越低，即材料越软；反之材料硬度高，即 HB 值越大。在具体测量时，并不是每次都
可求出钢的热处理温度。也可以利用铁碳相图
图 2-2 淬火加热温度范围
来确定，A1、A3 及 Acm 点的温度再加上 10~20 ℃即近似为 Ac1、Ac3 及 Accm，然后再计算热
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处理温度。
表 2-2 是各种碳钢的临界温度。热处理时不能任意提高加热温度。因为加热温度过高，
钢的晶粒容易长大，同时钢的表面氧化和脱碳都会增加。
800
270
蒸馏水
250
200
肥皂水
30
200
菜子油（50℃）
200
35
矿物机器油（50℃）
150
30
变压器油（50℃）
120
25
5
常用的淬火介质有清洁的自来水、浓度为 5%~10％的 NaCl（食盐）水溶液、矿物油（或 变压器油）。不同的冷却介质在不同的温度范围内的冷却能力有所差别。各种冷却介质的冷 却能力和特性见表 2-5。
热处理的冷却方法至关重要，控制不同的冷却速度（即采用不同的冷却方式），可得到
不同的组织，从而有不同的性能。
A．退火 一般采用随炉冷却，冷到 500 ℃左右，可以出炉空冷，不必在炉中冷到室温。 B．正火 多采用空气中冷却，大件常进行吹风冷却。 C．淬火 采用急冷方式，即冷却速度应超过钢的临界冷却速度，以保证得到马氏体组 织；另一方面得到马氏体组织后，冷却速度应当尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。
实验二 碳钢的热处理操作及硬度测定
一、实验目的
1、熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法。 2、了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能（硬 度）的影响。 3、了解不同种类硬度测定的基本原理及应用范围。 4、了解布氏、洛氏、维氏硬度实验的操作方法及设备特点。 5、学会洛氏硬度计的使用。
表 2-2 各种碳钢的临界温度
类别
钢号
临界温度/℃
Ac1
Ac3 及 Accm
AR1
淬火温度/℃ AR3
20
735
855
680
835
860~880
30
732
813
677
835
850~870
40 碳素结构钢
45
724
790
680
760
840~860
724
780
682
751
840~860
50
725
760
690
0.8
1.2
1.6
1000
0.4
0.6
0.8
实际工作中可以根据经验大致估算出加热时间。一般规定，在空气介质中加热，温度
4
升到规定温度后的保温时间，对碳钢而言，按工件厚度（或工件直径）每毫米估算需 1min 或 90s；合金钢按每毫米 2min 估算，可参考表 2-4。在盐浴炉中加热，其保温时间为每毫米 缩短 1~2 倍(一般为 0.3~0.5min)。 （三）冷却方法
火三类。
A．低温回火 是在 150~250℃进行回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为 HRC60。
低温回火常用于切削刀具和量具，其主要作用是去除淬火后工件的内应力，韧性有所改善，
而硬度并不降低。
B．中温回火 是在 350~500 ℃进行回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为 HRC35
~45。主要用于各类弹簧热处理。
560~670 660~760
3、淬火加热温度 对亚共析钢是 Ac3 十(30~50 ℃)；对共析
钢是和过共析钢是 Ac1 十(30~50 ℃)，见图 2-2 所示。在此温度保温后放入各种不同的冷却介
质中快速冷却，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。
钢的临界温度 Ac1、Ac3 及 Accm，在热处 理手册或合金钢手册中均可查到，再经过计算
二、碳钢的热处理
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手 段。热处理在改善钢材性能，提高工件使用寿命方面起着重要的作用。例如汽车后桥半轴， 经热处理后其使用寿命大为提高，达数年之久。这是因为经过热处理后钢的内部组织发生了 质的变化，从而引起了机械性能的改变，最后表现出使用寿命的延长。
完全退火加热温度，适用于亚共析钢，Ac3 十(30~50℃)；球化退火加热温度，适用于共
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析钢和过共析钢，Ac1 十(30~50℃)。 2、正火加热温度
对亚共析钢是 Ac3 十(30~50 ℃)；过共析钢 Ac3
是 Accm 十(30~50 ℃)，也就是加热到单相奥氏体 区，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退
三、硬度测定
金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬 度测量能够给出金属材料软硬度的数量概念。由于在金属表面以下不同深处材料所承受的应 力和所发生的变形程度不同，因而硬度值可以综合地反映压痕附近局部体积内金属的弹性、 微量塑变抗力、塑变强化能力以及大量形变抗力。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力 越大，材料产生塑性变形就越困难。
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发生了一系列 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。
式中 K——系数，当回火后要求的硬度值大于 HRC30 时，K＝11；当硬度值小于 HRC30
时，K＝12，X——所要求的硬度值(HRC)。
（二）加热时间
热处理加热时间（包括升温和保温时间）与许多因素有关。例如：工件的尺寸、形状、
使用的加热设备、装炉量、装炉温度、钢的种类（碳钢、低合金钢或高合金钢）；热处理类
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，其至开裂。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 2-3 为 45 钢淬火后经不同温度回火时的组织及性能。回火温度决定于最终所要
求的组织和性能（工厂中常提出硬度的要求）。按加热温度，回火分为低温、中温及高温回
型（退火、正火、淬火等）、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。上述因素都要综合
考虑。具体参考数据可查有关手册，一般情况见表 2-4。
表 2-4 钢铁材料热处理时的一来自加热时间工件形式加热温度/℃
圆柱形
方形 保温时间
板形
min/mm
min/mm
min/mm
700
1.5
2.2
3
800
1.0
1.5
2
900
表 2-1 不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值
性能
热处理状态
含碳量/%
≤0.1
0.2~0.3
0.4~0.6
硬度（HB）
退火 正火
~120 130~140
150~160 160~180
180~230 220~250
强度 σb/Mpa
退火 正火
200~300 340~360
420~500 480~550
硬度试验的方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又可分为布 氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。