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金属材料及热处理实验报告
学 院: 高等工程师学院 专业班级: 冶金E111
姓 名: 杨泽荣
学 号:
2014年6月7日
45号钢300℃回火后的组织观察及洛氏硬度测定
目录
一、实 1 二、实 1
1.加热温度的选择 ............................................................................................. 1 2.保温时间的确定 ............................................................................................. 2 3.冷却方法 ......................................................................................................... 4
三、实 5
1.实验材料 ......................................................................................................... 5 2.实验设备 ......................................................................................................... 5
四、实 6
................................................................................................... 1.试样的热处理 ............................................................................................................................ 6
1.1淬火 ...................................................................................................... 6 1.2回火 ...................................................................................................... 6 2.试样硬度测定 ................................................................................................. 7 3.显微组织观察与拍照记录 .................................................................................... 7
3.1样品的制备 ................................................................................................. 7 3.2显微组织的观察与记录 ............................................................................. 7
五、实 7
1.样品硬度与显微组织分析 ............................................................................. 7 2.淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响 ............................................. 8 2.1淬火温度的影响 ......................................................................................... 8 2.2淬火介质的影响 ......................................................................................... 8 3回火温度对钢组织与性能的影响 ................................................................. 8 3.1回火温度对45钢组织的影响 ................................................................... 8 3.2回火温度对 45 钢硬度和强度的影响 ...................................................... 9 4合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响 ........................................... 10 4.1合金元素对钢的淬透性的影响................................................................ 10
验
结
果
与
分
析
验
步
骤
验
材
料
与
设
备
验
原
理
验
目
的
4.2合金元素对钢的回火稳定性的影响 ........................................................ 10 5碳含量对钢的淬硬性的影响 ....................................................................... 10
六、结 10
参考文献 ................................................................................................................................. 11
论
一、 实验目的
1. 掌握碳钢的常用热处理(淬火及回火)工艺及其应用。 2. 研究加热条件、保温时间、冷却条件与钢性能的关系。 3. 分析淬火及回火温度对钢性能的影响。
4. 观察钢经热处理后的组织,熟悉碳钢经不同热处理后的显微组织及形态特征。 5. 了解金相照相的摄影方法,培养学生独立分析问题和解决问题的能力。
二、 实验原理
钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却,以改变其内部组织,从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。
进行热处理时,加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素。正确选择这三者的规范,是热处理成功的基本保证。 1. 加热温度的选择
1) 退火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3+(20—30)℃(完全退火);共析钢和过共析钢加热至Ac1 +(20—30)℃(球化退火),目的是得到球状渗碳体,降低硬度,改善高碳钢的切削性能。
2) 正火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3 +(30—50)℃;过共析钢加热至Accm +(30—50)℃,即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围选择见图2.1。
3) 淬火加热温度 一般亚共析钢加热至Ac3+(30—50)℃;共析钢和过共析钢加热至Ac1+(30—50)℃,见图2.2。
钢的成分,原始组织及加热速度等皆影响到临界点的位置。在各种热处理手册或材料手册中,都可以查到各种钢的热处理温度。热处理时不能任意提高加热温度,因为加热温度过高时,晶粒容易长大,氧化、脱碳和变形等都会变得比较严重。各种常用钢的工艺规范见表2.1。
4) 回火温度的选择 钢淬火后都要回火,回火温度决定于最终所要求的组织和性能(常常是根据硬度的要求)。按加热温度高低回火可分为三类:
图2.2 淬火的加热温度范围 图2.1 退火和正火的加热温度范围
表2.1 常用钢的工艺规范
钢号 临界点℃ Ac1 35 45 T7-T12 T8A Ac3 Accm 800 退火 加热温度℃ 850-880 820-840 750-770 740-760 750-770 冷却方式 炉冷 炉冷 炉冷 炉冷 炉冷 炉冷 正火 加热温度℃ 850-890 830-880 760-780 800-850 850-870 冷却方式 空冷 空冷 空冷 空冷 空冷 空冷 加热温度℃ 850-890 820-850 780-800 750-780 760-790 淬火 冷却方式 水或盐水 水或盐水 水或油 水、硝盐、碱浴 水、硝盐、碱浴 724 802 724 730 780 730 T10A 730 800 T12A 730 820 820 750-770 760-790 水、硝盐、碱浴 a. 低温回火 在150—250℃的回火称为低温回火,所得组织为回火马氏体,硬度约为HRC60。其目的是降低淬火应力,减少钢的脆性并保持钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承件。
b. 中温回火 在350—500℃的回火称为中温回火,所得组织为回火屈氏体,硬度约为HRC40—48。其目的是获得高的弹性极限,同时有高的韧性。主要用于含碳0.5—0.8%的弹簧钢热处理。
c. 高温回火 在500—650℃的回火称高温回火,所得组织为回火索氏体,硬度约为HRC25—35。其目的是获得既有一定强度、硬度,又有良好冲击韧性的综合机械性能。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理,用于中碳结构钢。 2. 保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度约达到指定温度,并完成组织转变,使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化,必须在淬火加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起,统称为加热时间。
热处理加热时间必须考虑许多因素,例如工件的尺寸和形状,使用的加热设备及装炉量,装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织,热处理的要求和目的等等。
1) 退火、正火保温时间 实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定,在空气介质中,升到规定温度后的保温时间,对碳钢来说,按工件厚度或直径每毫米需一分钟到一分半钟估算;合金钢按每毫米二分钟估算。在盐浴炉中,保温时间则可缩短1—2倍。
2) 淬火加热保温时间按下列经验公式估算:
tKH
式中 t—保温时间(min);
α—加热系数(min/mm) (见表2.2);
K—工件装炉方式修正系数(一般 K = 1~1.5); H—工件有效厚度(mm)(尺寸最小部位)。
表2.2 加热系数α (min/mm)
<600 ℃ >750℃800℃加热温箱式炉~900℃ 度 及炉型 材料 直径<500m碳钢 m 直径>500mm 合直径金<5钢 0mm 0.45~0.5 0.5~1.2~1.5 1.5 0.3~0.4 1.0~1.2 0.4~0.1.2~1.45 5 ~901100℃~预热 盐浴加热 0℃ 1300℃ 或预热 箱式或高温盐井 热 浴 式炉加炉加热 直径>50mm 高合金钢 高速钢 1~1.5 0.55 ~1.8 0.35~0.5 0.3~0.5 0.1 7~0.25 0.14~0.25 3) 回火时间 回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。回火时间一般为1~3h,可参考经验公式加以确定:
tDb
式中 t—回火保温时间(min);
D—工件有效厚度(mm);
b—附加时间,一般为10~20min;
α—加热系数(箱式电炉取2~2.5min/mm)。 3. 冷却方法
热处理时的冷却方式要适当,才能获得所要求的组织和性能。 退火一般采用随炉冷却。
正火(常化)采用空气冷却,大件可采用吹风冷却。
淬火冷却方法非常重要,一方面冷却速度要大于临界冷却速度,以保证全部得到马氏体组织;另一方面冷却应尽量缓慢,以减少内应力,避免变形和开裂。为了解决上述矛盾,可以采用不同的冷却介质和方法,使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650—550℃)快冷,超过临界冷却速度,而在Ms(300—100℃)点以下温度时冷却较慢,理想的冷却速度如图2.3所示。
常用淬火方法有单液淬火、双液淬火(先水冷后油冷)、分级淬火、等温淬火,如图2.4所示。表2.3中列出了几种常用淬火介质的冷却能力。
图2.3 淬火时的理想冷却曲线示意图 图2.4 各种淬火冷却曲线示意图
表2.3几种常用淬火剂的冷却能力
冷却介质 冷却速度℃/s 650—550℃区间 水(18℃) 水(26℃) 水(50℃) 600 500 100 270 270 270 10%NaCl水溶液 10%NaOH水溶液 10%Na2CO3水溶液 水(74℃) 30 200 10%Na2SO4水溶液 肥皂水 10%油水乳化液 30 70 200 200 矿物油 变压器油 150 120 30 25 750 300 1100 1200 800 300—200℃区间 冷却介质 冷却速度℃/s 650—55300—0℃区间 200℃区间 300 300 270 三、 实验材料与设备
1. 实验材料
试样:直径φ15mm,高度15mm的45钢圆柱状小试样,化学成分见表3.1
C 0.42~0.50 2. 实验设备
Si 0.17~0.37 Mn 0.50~0.80 Cr ≤0.25 Ni ≤0.30 S 0.035 P 不大于 0.035 0.25 Cu 表3. 1 45钢化学成分表
1) 热处理加热炉:箱式电阻炉(≤1300℃)2台,箱型电阻炉(≤900℃)5台; 2) HR-1500洛式硬度计(洛氏硬度C标尺); 3) 金相显微镜及数码照相系统磨光机及金相砂纸; 4) 抛光机及抛光液;
5) 浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、竹夹子、脱脂棉、滤纸等;
四、 实验步骤
利用箱式电阻炉、洛式硬度计、金相显微镜对45钢样品进行热处理(淬火加300℃回火)、测硬度以及显微组织观察分析。本实验以得到马氏体为目标,需要经过淬火加回火工艺获得良好的性能及符合要求的组织。 1 1.1
试样的热处理 淬火
1) 加热温度 根据本实验热处理的目的和图2.2、表2.1,本实验选择淬火加热温度为860℃
2) 保温时间 本45号钢样品直径为φ15mm的小圆柱体,高度与直径相差不大。所以不单独考虑升温时间,α取2min/mm,k取1。根据实验原理中的式子tKH,计算得加热时间为30min。
3) 冷却介质 由45钢的连续冷却转变曲线可知,碳钢的临界冷却速度很大,应选用具有较强冷却能力(见表4.1 常用冷却介质的冷却直径)的水作为冷却介质,才能避免冷却曲线与C曲线相交,得到马氏体组织。已查得45钢淬火临界直径如表4.1所示,选择水作为淬火冷却介质能保证φ15mm圆柱样品被淬透。
淬火介质 临界直径(mm) 静油 10 20℃水 20 40℃水 16 20℃ 5%NaCl 水溶液 21.5 表4.1 常用冷却介质的冷却直径
具体操作:把样品放入箱式电阻炉(型号SRJX-4-13)内恒温区的耐火砖上,调节加热温度,待测温仪显示为860℃时开始计时,保温30min后,用火钳夹出样品迅速放入冷水槽中并剧烈搅拌,使样品能淬透。 1.2
回火
1) 加热温度 实验要求的回火加热温度为300℃(但是通过查阅资料发现,钢淬火后在300℃左右回火时,易产生不可逆回火脆性,为避免它,一般不在250~350℃ 范围内回火。)
2) 保温时间 由公式tDb确定,查得300℃以下,箱式电阻炉b=25min,α=1 min/mm,样品D=15mm,将数据代入得到回火保温时间t为40min。
3) 冷却介质 空气,进行空冷。
具体操作:把经过淬火处理后的样品放入已调好温度的300℃箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上,待使炉温稳定后开始计时,保温40min后,用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。
2 试样硬度测定
将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨,去掉表面氧化皮。用60#砂纸将试样表面磨平,再依次使
用150#、240#、400#、600#、800#砂纸打磨。然后,将样品放在洛式硬度计的载物台上,采用洛式硬度C标尺测量样品硬度(硬度计压头为金刚石,量程20~70HRC,加载载荷为150kg)。在试样上不同位置取四个点,第一个点不计入数据,后三个点计入数据,若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀,最后对三个测量值求平均值。 3 3.1
显微组织观察与拍照记录 样品的制备
1) 样品的磨光。用一套金相砂纸(包括60#,150#,240#,400#,600#,800#)在玻璃板上先粗后细逐号磨光。注意每换上一号细一些的砂纸时,将磨光方向转换90°,以便于观察原磨痕的消除情况。最后,将样品在磨光机上用1200#砂纸磨光,注意手持样品应用力均匀,用力也不宜过大。
2) 样品的抛光。样品在金相样品抛光机上细抛,使样品表面达到光亮如镜的光洁度。 3) 显微组织的显示。将抛光好的样品,直接在显微镜下观察,应基本上没有磨痕和磨坑,而无法观察到晶界、各类相和组织。本实验采用化学浸蚀法,将浸蚀液(4%硝酸酒精)和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中,用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试,当光亮镜面呈浅灰白色,立即用水冲洗,并用酒精擦洗后经吸水纸吸干。 3.2
显微组织的观察与记录
制备好的样品用显微镜在40~400倍不同放大倍数下观察组织,体会放大倍数的不同对组织观察的影响。选择合适的放大倍数(500倍)利用数码照相系统对45钢样品进行数码照相。
五、 实验结果与分析
1.
样品硬度与显微组织分析
45钢300℃回火马氏体组织如图5.1所示。回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色板条状组织,
从图中可看出样品浸蚀效果较好,条片状马氏体组织清晰。
图5.1 45钢300℃回火的显微组织
测得该样品硬度为50.9HRC。根据其硬度和微观组织形貌可以判断,生成了回火屈氏体。 因此,实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织,且硬度实验值也与手册符合得较好。 2.
淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响
以下以45钢为例,结合实验小组其他成员样品热处理工艺的显微组织和硬度测量值(表5.1 45钢不同处理工艺后硬度),分析淬火温度、淬火介质对钢组织和性能的影响。
显微组织 硬度/HRC 拟用工艺 粗晶马氏体 55.4 1000℃、 30min、水冷 细晶马氏体 50.9 860℃、 30min、水冷 铁素体+马氏体 52.8 22.3(样品有误) 770℃、 30min、水冷 屈氏体网+马氏体 24.7 21.3 860℃、 30min、油冷 表5.1 45钢不同处理工艺后硬度测量值
2.1 淬火温度的影响
45钢的淬火加热温度应在Ac3以上30~50℃,淬火温度选860℃可得细而均匀的奥氏体晶粒,淬火后获得细小的马氏体组织。若在Ac3以上过高温度如1000℃加热,会使奥氏体晶粒粗化,淬火后马氏体粗大,脆性增大,硬度下降,粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。若在Ac1 ~Ac3之间的两相区加热,如770℃淬火后,高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体,造成硬度不足(见表 5.2),力学性能降低。
2.2 淬火介质的影响
常用淬火介质及其冷却能力如错误!未找到引用源。所示,可知水具有较大的冷却能力,但在低温区冷却速度太快,工件容易淬裂,另外水冷却能力对温度变化敏感,水温升高,冷却能力急剧下降。油全程冷却速度均比水小,在低温区冷却速度合适,但在高温区冷却能力却很低。
淬火介质 水(18℃) 水(26℃) 水(50℃) 矿质机油 冷却速度(℃/s) 在 650~550℃区间 600 500 100 100 在 300~200℃区间 270 270 270 20 表 5.2 常用淬火介质及其冷却能力
碳钢的临界冷却速度大,一般采用冷却能力较强的淬火介质如水,才能得到全部为马氏体的显微组织。若选用油作为淬火介质,由于其冷却速度小,冷却曲线会与CCT曲线“鼻尖” 处相交,转变过程得到小部分屈氏体组织,因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出,并连成网状结构,室温下得到屈氏体网+马氏体显微组织,使强度降低,硬度明显下降(见表5.1 45钢不同处理工艺后硬度测量值)。 3. 3.1.
回火温度对钢组织与性能的影响 回火温度对45钢组织的影响
钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体,都是亚稳相。一旦进行加热,原子扩散能力加 强,会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。随回火温度升高,转变大致分为五个阶段:1.马氏体中碳原子的
偏聚;2.马氏体的分解;3.残余奥氏体的转变;4.碳化物的转变;5.碳化物的聚集长大和α相回复、再结晶。
45钢在150~350℃低温回火,得到回火马氏体组织。回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。低温回火后,只是碳原子的偏聚,与淬火马氏体没有显著区别,但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀,故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。
在350~500℃中温回火后,得到回火屈氏体组织。由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体,渗碳体聚集长大并球化,条状α相上分布着微细粒状渗碳体,但光学显微镜下难以分辨。
在500~650℃高温回火,得到回火索氏体组织。这时α相发生再结晶,由等轴状铁素 体逐步代替针状α相。其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织,光学显微镜下能分辨出渗碳体颗粒。
若45钢在650℃~A1间回火,粒状渗碳体明显粗化,将得到粒状珠光体组织。 3.2.
组别 回火温度 45钢回火后硬度(HRC) 40C rNi回火后硬度(HRC) 1 200℃ 53.6 51.97 2 300℃ 50.9 50.1 3 400℃ 40.1 45.9 4 500℃ 24.5 36.3 5 600℃ 21.53 31.6 回火温度对 45 钢硬度和强度的影响
表 5.3 不同回火温度与测量硬度值
6050洛氏硬度值403020100200℃300℃400℃500℃600℃回火温度45钢回火后硬度(HRC)40C rNi回火后硬度(HRC) 图 5.2 硬度变化曲线图
从错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。可以看出,淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。45钢在200℃以下回火,硬度下降缓慢,这是由于α固溶体析出大量的ε碳化物,增大塑性变形抗力,使硬度下降延缓。200~300℃ 回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用,硬度下降趋势平
缓。300℃以上回火,随着ε碳化物变为渗碳体,共格破坏以及渗碳体聚集长大,使硬度快速下降。
金属材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。通过《黑色金属硬度及强度换算值》[2],能将45钢的硬度值换算成强度值,因此,随着回火温度升高,钢的强度降低。 4.
合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响
以下以45钢和40CrNi钢为例,分析合金元素对钢的淬透性、回火稳定性的影响。 4.1. 合金元素对钢的淬透性的影响
淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力,其大小用一定条件下淬火时钢的淬透层深度来表示,主要取决于钢的临界冷却速度的大小。
比较45钢和40CrNi钢的淬透性曲线,在相同的淬火介质下,40CrNi钢的临界淬火直径明显大于45钢。这两种钢样的碳含量相差不大,而对于40CrNi钢,加入的Cr、Ni合金元素溶入奥氏体后,Cr为中强碳化物,会提高C原子的扩散激活能,同时Ni还能提高原子的结合能,抑制了γ—α的转变。由于合金元素的扩散速度很缓慢,降低了原子扩散速度,使过冷奥氏体的稳定性增加,马氏体临界冷却速度变小,临界淬火直径增大,因此,合金元素能增大钢的淬透性。 4.2. 合金元素对钢的回火稳定性的影响
淬火钢在回火时,抵抗软化的能力称为回火稳定性。不同的钢在相同温度回火后,强度、硬度下降也不同,下降少的其回火稳定性较高。
比较错误!未找到引用源。中45钢和 40CrNi钢硬度变化曲线可知,40CrNi钢回火硬度的降低过程较缓,回火稳定性较高。因为合金元素阻碍了回火过程马氏体分解和碳化物聚集长大,使回火硬度降低过程变缓,从而提高了钢的回火稳定性。因此,由于合金钢的 回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度,则合金钢的回火温度就要比同样含碳量的碳钢高,回火时间也要长。 5.
碳含量对钢的淬硬性的影响
以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。
淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度,主要与钢的含碳量有关。本实验45钢和T8钢正常淬火得到细小马氏体组织后,测其硬度值分别为56.5HRC和67.7(68.3)HRC。比较这两数据可知,随着钢的含碳量增加,淬硬性增强。因为钢淬火得到的组织为马氏体,马氏体的硬度主要取决于含碳量,随碳含量的增加,马氏体的硬度增大,这主要是由于碳的固溶强化作用,另外,随碳含量的增加,马氏体转变点Ms和Mf都降低,促进了自回火现象的发生,使碳化物弥散析出产生时效强化。因此,提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。
六、 结论
根据所做实验及其结果可得以下结论:
1. 淬火条件影响样品的组织和性能。淬火温度及冷却速度(选择有效的冷却介质)适宜时,生成细小的
马氏体组织,回火后强度高,塑性不差,力学性能较好。淬火温度低,发生不完全淬火,组织为马氏体+铁素体组织,强度低,硬度也低,力学性能较差。淬火温度较高时,形成粗大奥氏体,由于组织的遗传性,淬火后形成粗晶马氏体组织。冷却速度过快,形成巨大内应力,可能发生淬裂现象。冷却速度过慢,形成的马氏体不完全,有珠光体形成(珠光体,索氏体,屈氏体)。
2. 回火温度影响样品的组织和性能。根据回火温度分为低温回火,中温回火,高温回火(不同钢种,
所对应的温度有差异,一般合金元素越多,温度越高)。生产回火马氏体,回火屈氏体,回火索氏体。回火马氏体晶粒最细小,硬度强度最高;回火屈氏体晶粒介于两者之间,硬度强度中等,根据资料显示具有极好的弹性;回火索氏体板条最粗大,强硬度最低,但具有较高的塑韧性。
3. 合金元素影响样品的组织和性能。合金元素影响碳原子的迁移和铁原子的扩散系数,从而提高了回
火稳定性。同时由于固溶强化,析出强化提高了样品的强硬度。细小的碳化物还能起到细化晶粒的作用。
4. 碳元素影响样品的组织和性能。碳原子能起到固溶强化作用,对马氏体形成来说,基体的强度硬度
越大,马氏体越不易形成从而降低了Ms点。同时,最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。
七、 参考文献
[1] 中国机械工程学会热处理学会。热处理手册(第 4 版)。第 1 卷,工艺基础。北京:机械工业出版社, 2008。1
[2] 中国计量科学研究院。黑色金属硬度及强度换算值。中华人民共和国国家标准。 GB/T 1172-1999。
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