实验五 碳钢的热处理及其硬度试验 (2)

一．实验目的

1） 熟悉钢的几种热处理（退火、正火、淬火、回火等）；

2） 了解加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对45钢热处理后性能（硬度）的影响； 3） 观察碳钢热处理后的显微组织； 4） 了解热处理工艺对钢组织和性能的影响； 5） 了解硬度测定的基本原理及应用范围； 6） 了解硬度试验机的主要结构及操作方法。

二．实验原理

Ⅰ.碳钢的热处理

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

工 件 形 状 加 热 温度(℃) 分钟/每毫米直径 700 800 900 1000 1.5 1.0 0.8 0.4 圆 柱 形 方 形 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 板 形 （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

冷却介质 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℃） 变压器油（50℃） 在下列温度范围内的冷却速度（℃/秒） 650～550℃ 600 100 1100 1200 800 250 350 200 150 120 300～200℃ 270 270 300 300 270 200 10 35 30 25 （4）钢淬火的作用

实质是通过加热使钢组织结构中的铁素体和珠光体充分转变为成分均匀的奥氏体，然后急冷下来得到硬度很高的马氏体。加強硬度

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3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 回火温度（℃) 回火后的组织 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 低温回回火马氏体＋残余奥氏体150～250 火 ＋碳化物 中温回350～500 火 高温回500～650 火 回火屈氏体 回火索氏体 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。

回火的作用：回火是紧接于淬火之后的热处理工序,淬火钢在不同的温度下回火,所得的组织不同,因而其机械性能差别很大,总的趋势是:随着回火温度升高,其强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。淬火钢中的马氏体和残余奥氏体都是不稳定的组织，加热就会发生转变。随着温度升高，碳原子逐渐以渗碳体的形式析出，引起组织转变。最后渗碳体聚合而分散在铁素体基体上，形成各种回火组织，加强韧性。 3.钢的退火

将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。 4.钢的正火

正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。

Ⅱ.硬度试验

本次实验测的是钢热处理后的洛氏硬度（HR）。 1．洛氏硬度试验的基本原理

洛氏硬度同布氏硬度一样也属压入硬度法，但它不是测定压痕面积，而是根据压痕深度来确定硬度值指标。其试验原理如图１－３所示。

洛氏硬度试验所用压头有两种：一种是顶角为１２０的金刚石圆锥，另一种是直径为

1161（１．５８８mm）或（３．１７６mm）的淬火钢球。根据金属材料软硬程度不

8一，可选用不同的压头和载荷配合使用，最常用的是ＨＲＡ、ＨＲＢ和ＨＲＣ。这三种洛氏硬度的压头、负荷及使用范围列于表１－２。

洛氏硬度测定时，需要先后两次施加载荷（预载荷和主载荷），预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好，以保证测量结果准确。图１－３中０－０位置为未加载荷时的压头位置，１－１位置为加上１０kgf预加载荷后的位置，此时压入深度为h1，２－２位置为加上主载荷后的位置，此时压入深度为h2， h2包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形，卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到３－３位置，此时压头的实际压入深度为h3。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压入深度（h＝h3－h1）来表示。但这样直接以压入深度的大小表示硬度，将会出现硬的金属硬度值小，而软的金属硬度值大的现象，这与布氏态度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，采用

一常数（Ｋ）减去（h3－h1）的差值表示硬度值。为简便起见又规定每０．００２mm压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格）。

表１－２ 洛氏硬度的试验规范

符号 压头 １２０° 金刚石圆锥 １” 16 钢球 １２０° 金刚石圆锥 150 100 60 负荷 （kgf） 硬度值有效范围 使用范围 适用测量硬度质合金、表面淬火层、渗碳层 适用测量有色金属、退火及正火钢 适用测量调质钢、淬火钢 ＨＲＡ ＞７０ ＨＲＢ ２５~１００ （ＨＢ60~230） ２０~６７ （HB230~700） ＨＲＣ 洛氏硬度值的计算公式如下：

HRKh3h1

0.002式中：h1－－预加载荷压入试样的深度（mm）； h3－－卸除主载荷后压入试样的深度（mm）；

Ｋ－－常数，采用金刚石圆锥时Ｋ＝０.２（用于ＨＲＡ、ＨＲＣ），采用钢球时Ｋ＝０.２６

（用于ＨＲＢ）。 因此，上式可改为：

HRC或HRA100-HRB130-h3-h1

0.002h3-h1

0.0022．测定洛氏硬度的技术要求 １．根据被测金属材料的硬度高低，按表１－２选定压头和载荷。

２．试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。

３．试样厚度应不小于压入深度的１０倍。

４．两相邻压痕及压痕离试样边缘的距离均不应小于３mm。 ５．加载时力的作用线，必须垂直于试样表面。

3．洛氏硬度试验机的结构和操作

（１） Ｈ－１００型杠杆式洛氏硬度试验机的结构如图１－４所示，其主要部分及作用如下：

（A）机体及工作台：试验机有坚固的铸铁机体，在机体前面安装有不同形状的工作台，通

过手轮的转动，借助螺杆的上下移动而使工作台上升或下降。

（B）加载机构：由加载杠杆（横杆）及挂重架（纵杆）等组成，通过杠杆系统将载荷传到压头而压入试样，借扇形齿轮的转动可完成加载和卸载任务。 （C）千分表指示盘：通过刻度盘指示各种不同的硬度值（如图１－５所示）。

洛氏硬度指示盘 （２）操作规程如下：

（A）根据试样预期硬度按表１－２确定压头和载荷，并装入试验机。

（B）将符合要求的试样放置在试样台上，顺时针转动手轮，使试样与压头缓慢接触，直至表盘小指针指到“０”为止，此时即已预加载荷１０kgf。然后将表盘大指针调整至零点（ＨＲＡ、ＨＲＣ零点为０，ＨＲＢ零点为３０）。

（C）按动按钮，平稳地加上主载荷。当表盘中大指针反向旋转若干格并停止时，持续３~４秒，再顺时针旋转摇柄，直至自锁为止，即卸除主载荷。此时大指针退回若干格，这说明弹性变形得到恢复，指针所指位置反映了压痕的实际深度。由表盘上可直接读出洛氏硬度值，ＨＲＡ、ＨＲＣ读外圈黑刻度，ＨＲＢ读内圈红刻度。 （D）逆时针旋转手轮，取出试样，测试完毕。

三．实验内容及注意事项

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。 45钢的临界点为：A1：727°，A3：772° 最终要获得的组织是： 第一组 索氏体+铁素体 （正火） 第二组 马氏体+屈氏体 （油淬） 第三组 马氏体 （水淬） 第四组 回火索氏体 （淬火+高温回火） 第五组 珠光体+铁素体 （完全退火） 第六组 回火马氏体+二次渗碳体+残余奥氏体 （淬火+低温回火） 四．实验设备及材料

1、 箱式电炉及控温仪表； 2、 洛氏硬度机；金相砂纸；

3、 冷却介质：水、油（使用温度约20℃）； 5、 试样材料：45钢。

五．热处理工艺曲线

第一组：索氏体+铁素体 热处理方法：正火。

原理：加热到Ac3以上30℃~50℃，保温适当的时间后，在自由流动的空气中均匀冷却。将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶，从而解决铸钢件的粗大晶粒和组织不均问题。

850℃ 温度 正火 时间

第二组：马氏体+屈氏体 热处理方法：淬火（水淬）

原理：淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30℃~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组的热处理工艺。回火温度为350℃~500℃，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒渗碳体的混合组织。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体碳化物粗。

840℃ 温度 油淬 时间

第三组：马氏体 热处理方法：淬火 原理：淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30℃~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组的热处理工艺。

840℃ 水淬

第四组：回火索氏体

热处理方法：淬火+高温回火 原理：淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30℃~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组的热处理工艺。回水温度为500℃~650℃，得到细粒状渗

碳体和铁素体的混全组织，称回火索氏体。

840℃ 600℃

第五组：珠光体+铁素体 热处理方法：完全退火

原理：又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上20℃~30℃，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却），获得接**衡组织的热处理工艺。亚共析钢经完全退火后得到的组织是F+P。加热到Accm以上慢冷时，二次渗碳体会以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢的韧性大大下降。

800℃ 温度第六组：回火马氏体+二次渗碳体+残余奥氏体 热处理方法：淬火+低温回火 原理：淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30℃~50℃，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组的热处理工艺。回火温度为150℃~250℃。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片，马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体

完全退火 时间

转变为下贝氏体但量不多。所以以低温回火后组织为回火马氏体+残余奥氏体。

840℃ 200℃

六．实验数据及分析

（1）、实验数据见最后实验数据表； （2）、数据分析 通过本次实验，我们总共得出了六组钢热处理后的硬度数据。分别是：第一组：正火 19.4；第二组：油淬 26.614;第三组:水淬 55.35:第四组: 淬火+高温回火 25.23;第五组:完全退火 15.12;第六组:淬火+低温回火 55.32。分析得：钢经过水淬或淬火+低温回火处理后的硬度值最高；其次是油淬，淬火+高温回火，正火；最低的是完全退火。

钢经过水淬（冷却能力强)能保证它有足够的冷却速度,以避免发生奥氏体提前分解而得不到马氏体，经水淬处理后的碳钢内部奥氏体完全转变成马氏体，钢的内应力增大，从而增大了钢的硬度。

众所周知，淬火是为了增大硬度，但也使钢的内应力变大减少其塑性，容易导致工件开裂。低温回火后（低温回火温度150-250℃）精加工前，把工件重新加热到100-150℃，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。低温回火能消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸 。所以淬火+低温回火处理后的碳钢不仅硬度较高，还不易开裂，稳定性高。

对于碳钢来说，油淬后的硬度会受很多方面的影响。例如钢的含碳量、碳钢的本身状况、油淬处理的条件等等。我们这次实验油淬后的硬度不算高，可能误差也比较大。碳素钢由于淬透性较差，为获得较高的机械性能，一般需选用冷却能力较强的介质，油不是冷却能力强的介质，所以油淬后的碳钢硬度不大。

淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。所以碳钢经过淬火+高温回火处理后，硬度只能算是中等水平，但塑性和韧性同时也比较好。

正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高，用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。而退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。所以在实验中，完全退火的硬度最低。碳钢经过正火处理后的硬度比退火处理后的硬度要高，机械性能也较好。