碳素钢热处理实验指导书

碳素钢热处理

一、实验目的

（1）了解碳素钢基本热处理（退火、正火、淬火、及回火）的工艺方法和主要设备。

（2）研究碳的质量分数，加热温度、冷却温度，回火温度对钢性能的影响。

（3）熟悉硬度计的使用。

二、实验内容

（1）表3所列工艺进行热处理操作实验。

（2）测定热处理后试样的硬度（炉冷、气冷试样测HRB，其余试样测HRC）。

三、实验原理

碳素钢热处理工艺主要有退火、正火、淬火及回火。加热温度、保温时间和冷却速度，是达到热处理良好效果的最重要工艺参数。

1.加热温度

（1）退火亚共析钢加热至Ac3+(20℃～30℃)(完全退火)；共析钢，过共析钢加热至Ac1+(20℃～30℃)（球化退火），得到粒状渗碳体，硬度降低，以利切削加工。

（2）正火亚共析钢加热至Ac3+(30℃～50℃)；过共析钢加热至Accm+(30℃～50℃),即加热至奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围，见图1.

（3）淬火亚共析钢加热至Ac3+(30℃～50℃)；共析钢和过共析钢加热至Ac1+(30℃～50℃)，淬火的加热温度范围，见图2.

图1 退火和正火的加热温度范围图2 淬火的加热温度范围

钢的成分，原始组织及加热速度等皆影响临界点Ac1，Ac3，Accm的位置。热处理前需认真查阅有关的材料手册，按规范操作。否则，得不到预期的组织。如加热温度过高。晶粒容易长大，材料氧化，脱碳和变形而失去效能。几种碳素钢的临界点，见表1.

表1 几种碳素钢的临界点

（1）回火碳素钢淬火后需尽快回火，按热温度的不同，可分为三种：

1）低温回火加热温度150℃～250℃，目的是得到回火马氏体。部分降低淬火应力，减少脆性并保持淬火碳素钢的高硬度。用于切削工具、冷作模具、滚动轴承等。

2）中温回火加热温度350℃～500℃，目的是得到回火托氏体，较多的降低淬火应力，有高的韧性和弹性极限。用于弹簧钢等热处理。

3）高温回火加热温度500℃～650℃，目的是得到回火索氏体，消除淬火应力。强度、硬度、冲击韧度较好。淬火加上高温回火又称调质，用于重要零件，如主轴，齿轮等。

2.保温时间为了保证工件内外均达到指定的温度，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，工件升温和保温所需要的加热时间要给与保证。

保温的加热时间需考虑诸多因素，可参考有关手册数据。据经验估算，按工件有效厚度在空气介质炉中每毫米碳素钢需1min～1.5min；合金钢则需2min左右。利用盐浴炉加热，时间可减半。

3.冷却速度热处理时要充分注意不同的冷却方法，具体说：退火一般采用随炉冷却；正火（又称常化）采用出炉置于空气中冷却，大件则常常需要加吹风。

淬火工艺则较复杂。一方面要求工件冷却大于临界冷却速度，目的是得到全部马氏体组织或下贝氏体组织；另一方面又要要求工件减缓冷却速度，避免淬火应力过大，造成开裂或变形。理想的冷却是过冷奥氏体在最不稳定的温度范围内（650℃～550℃）尽快冷却，迅速渡过危险区域，而在马氏体转变温度（300℃～20℃）尽量降低冷却速度。淬火时的理想冷却曲线示意图，见图3.

图3 淬火时的理想冷却曲线示意图

四、实验步骤

（1）全班分成两组，每组一套试样（45试样8块，T12试样8块）炉冷试样由实验室预先准备好。

（2）一加热温度的45和T12钢试样放入860℃和780℃炉子内加热（炉温预先由实验室升好）保温15～20min后，分别进行水冷、油冷、气冷操作。45钢750℃水冷试样待780℃炉中试样处理完后再进行。

（3）每组将水冷试样各取出三块45和T12试样分别放入200℃、400℃、600℃的炉内回火，回火保温时间为30分钟。

（4）淬火时，试样要用钳子夹住，动作要快，并不断在水中搅拌，以免影响热处理质量，取放试样要预先将炉子电源关掉。

（5）热处理后试样用砂纸磨去两端面氧化皮，然后测量硬度（HRC NRB）。

（6）一个同学都将自己测定的硬度填入表1-3中（每个试样打三点），并记下实验的全部数据，以供分析。

五、实验设备、仪器及材料

（1）线切割机。

（2）砂轮机。

（3）各种热处理炉。

（4）淬火油箱。

（5）硬度计。

六、实验结果

七、思考题

表3 实验任务表

八、实验报告要求

（1）写出实验目的。

（2）列出全部试验数据，填表1-3.

分析碳含量、淬火温度、淬火介质及回火温度对碳钢性能（硬度）的影响，画出它们同硬度的关系的示意曲线，并根据铁碳相图、C曲线（CCT曲线）和回火时的转变阐明硬度变化的原因。