常用金属材料及热处理

模块一 常用金属材料及热处理 项目二 钢的热处理 任务一： 钢的普通热处理 一、实验目的 1、 了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。 2、 研究冷却条件对碳钢性能的影响。 3、 分析淬火及回火温度对碳钢性能的影响。 二、实验原理 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30～50℃，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4所示）。对亚共析钢，其加热温度为 ＋30～50℃，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 ＋30～50℃，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。 （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 碳钢在箱式电炉中加热时间的确定 加 热 圆 柱 形 工 件 形 状 方 形 板 形 温度(℃) 分钟/每毫米直径 700 800 900 1000 1.5 1.0 0.8 0.4 保 温 时 间 分钟/每毫米厚度 2.2 1.5 1.2 0.6 分钟/每毫米厚度 3 2 1.6 0.8 （3）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（650～550℃）进行快冷（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300～100℃）时冷却速度则尽可能小些。 为了保证淬火效果,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. 表2 几种常用淬火介质的冷却能力 在下列温度范围内的冷却速度（℃/秒） 冷却介质 650～550℃ 18℃的水 50℃的水 10％NaCl水溶液（18℃） 10％NaoH水溶液（18℃） 10％NaoH水溶液（18℃） 蒸馏水（50℃） 硝酸盐（200℃） 菜籽油（50℃） 矿务机油（50℃） 600 100 1100 1200 800 250 350 200 150 300～200℃ 270 270 300 300 270 200 10 35 30 变压器油（50℃） 120 25 2、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。表4－2为45钢淬火后经不同温度回火后的组织及性能。 表3 45钢经淬火及不同温度回火后的组织合和性能 类型 低温回火 中温回火 高温回火 回火温度（℃) 150～250 350～500 500～650 回火后的组织 回火马氏体＋残余奥氏体＋碳化物 回火屈氏体 回火索氏体 回火后硬度（HRC） 60～57 35～45 20～33 性能特点 硬度高，内应力减小 硬度适中，又较高的弹性 具有良好塑性、韧性和一定强度相配合的综合性能 对碳钢来说，回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。 回火温度：在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据。各种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅。几种常用的碳钢（45、T8、T10和T12钢）回火温度与硬度的关系如表4所示。 表4各种不同温度回火后的硬度值（HRC） 回火温度（℃） 150～200℃ 200～300℃ 300～400℃ 400～500℃ 500～600℃ 45钢 60～54 50～40 50～40 40～33 33～24 T8钢 64～60 55～45 55～45 45～35 35～27 T10钢 64～62 56～47 56～47 47～38 38～27 T12钢 65～62 62～57 57～49 49～38 38～28 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（℃）≈200＋K（60－χ） 式中：K——系数，当回火后要求的硬度值＞HRC30时，K=11；＜HRC时，K=12。 χ——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1～3小时。由于实验所用试样较小，故回火保温时间可为30分钟，回火后在空气中冷却。 三、实验内容及步骤 1、 淬火、正火部分的内容及具体步骤： ① 根据淬火条件不同，分五个小组进行，见表5。 ② 加热前先对所有试样进行硬度测定。为便于比较，一律用洛氏硬度测定。 ③ 根据试样钢号,按照 相图确定淬火加热温度及保温时间（可按1分钟/每毫米直径计算)。 ④ 各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸（或砂轮）磨平,并测出硬度值（HRC）填入表5中。 表5 不同钢淬火及正火前后的硬度值 20钢 处理后的硬度 45钢 T12钢 组别 1 2 3 4 5 淬火加热冷却方式 处理前温度（℃） 硬度 1000℃ 750℃ 860℃ 860℃ 860℃ 水冷 水冷 空冷 油冷 水冷 处理前处理后处理前处理后硬度 硬度 硬度 硬度 2、 回火部分的内容及具体步骤： ① 根据回火温度不同，分为五个小组进行，见表4－5。各小组将已经正常淬火并测定过硬度的45钢试样分别放入指定温度的炉内加热，保温30分钟，然后取出空冷； ② 用砂纸磨光表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值； ③ 将测定的硬度值分别填入表6中。 表6 45钢不同温度回火后的硬度 组别 回火温度 回火前HRC 回火后HRC 四、实验设备及材料 1 200℃ 2 300℃ 3 400℃ 4 500℃ 5 600℃ 1、 箱式电炉及控温仪表； 2、 洛氏硬度机； 3、 冷却介质：水、油（使用温度约20℃）； 4、 试样材料：20钢，45钢，T12钢。 五、注意事项 1、本实验加热所用设备为电炉，电炉一定要接地，在放、取试样时必须先切断电源。 2、往炉中放，取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾有油和水。 3、试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。 4、试样在淬火液中应不断搅动，以免试样表面由于冷却不均而出现软化点。 5、淬火时水温应保持20～30℃左右，水温过高要及时换水。 6、淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。 六、实验报告要求 1、 实验目的。 2、 分析加热温度与冷却速度对钢性能的影响。 3、 绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。 4、 分析实验中存在的问题。

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