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实验八 碳钢的热处理及组织性能分析 一、实验目的 钢的退火、正火、淬火、回火工艺。 含碳量，加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响。 了解碳钢热处理后的基本组织。 二、实验原理 热处理工艺通常由加热、保温、冷却三个阶段组成。 退火：将钢加热到一定温度，保温一段时间后缓慢冷却，如炉冷。 正火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后在空气中冷却。 淬火：将钢加热到某一临界温度以上，保温后快速冷却，如淬入水或油里。 回火：将淬火后的钢再加热到A1线以下某一温度后冷却。 热处理温度的选择 亚共析钢： 淬火、正火、退火的加热温度在Ac3以上30~50℃。 共析钢，过共析钢： 淬火、退火的加热温度，在Ac1以上30~50℃； 正火加热温度在Acm以上30~50℃。亚共析钢和过共析钢的淬火，退火温度范围不同（见图8-1），这是由于如果亚共析钢的淬火温度过低，在Ac1以上30~50℃，这时钢的组织是铁素体和马氏体，使钢件上出现软点。而过共析钢在两相区加热后淬火得到的组织是马氏体和渗碳体。由于渗碳体本身硬度很高，不会影响钢的硬度；相反如果过共析钢加热到奥氏体单相区淬火，得到的组织是马氏体和大量的残余奥氏体，硬度反而要下降。 图8-1淬火加热温度范围 过共析钢在退火时若加热到奥氏体单相区，冷却时将在晶介析出网状渗碳体，使钢的塑性，冲击韧性降低。所以过共析钢退火加热温度不能过高。 过共析钢的正火主要是为了消除已经形成的网状渗碳体，只是加热到Acm线以上才能使网状渗碳体全部溶入奥氏体，由于正火的冷却速度较快，网状渗碳体来不及析出而被消除。 回火温度是根据零件所要求的机械性能确定的，通常将回火分为低温、中温、高温回火： 低温回火：（150~250℃）所得的组织为回火马氏体，硬度约为HRC60，目的是降低淬火后的应力，减少钢的脆性，但保持钢的高硬度，这种回火常用于切削刀具和量具。 中温回火；（350~500℃）所得组织为回火屈氏体，硬度约为HRC40，目的是获得高的弹性极限，同时有较好的韧性，主要用于中高碳钢弹簧的热处理。 高温回火：（500~650℃）所得组织为回火索氏体，硬度约为HRC30，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，主要用于中碳结构钢的热处理。 确定保温时间： 保温时间与加热介质，加热温度，钢的成分和工件的形状尺寸等因素有关。生产上一般根据经验公式确定。试验中碳钢所用的保温时间可按每毫米直径1分钟计算。 冷却方法： 热处理时的冷却方法适当，才能获得所要求的组织和性能，退火一般采用随炉冷却。正火多采用空气冷却，大件常进行吹风冷却。淬火的冷却方法非常重要。一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证得到马氏体组织；另一方面冷却速度应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为此，可根据C曲线图（见图8-2），估计连续冷却速度的影响。 图8-2 淬火加热温度范围 碳钢的热处理后的显微镜组织 共析钢连续冷却时的显微组织： V1炉冷，得100%的珠光体。 V2空冷，的较细的珠光体（即索氏体） V3油冷，得屈氏体和马氏体和残余奥氏体 V4水冷，得马氏体和A残 亚共析和过共析钢连续冷却时的显微组织： 亚共析钢的C曲线与共析钢相比，在珠光体转变开始前多一条铁素体析出线。 V1炉冷，得铁素体和珠光体。 V2空冷，得铁素体和索氏体。 V3油冷，得网状分布屈氏体和马氏体（可有少量贝氏体）。 V4水冷，得马氏体。 过共析钢的转变与亚共析钢相似，不同之处是过共析钢先析出的渗碳体，并且连续冷却得不到贝氏体。 6基本组织金相特征： 索氏体是铁素体与渗碳体的机械混合物。其片层比珠光体更细密，在显微镜的高倍（700倍以上）放大才能分辨，硬度约为HRC30。 屈氏体也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下无法分辨。当其少时析出时，沿晶介分布，黑色网状，包围着马氏体，当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。硬度约HRC35~40。 马氏体马氏体有两种形态。高碳马氏体呈针叶状，针叶大小不一，互不平行，最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将其分割，使以后形成的马氏体针的大小受到限制。并使针与针之间残留有奥氏体。片状马氏体的硬度HRC62~65，韧性较差，低碳马氏体呈板条状，许多平行的板条形成一束，束与束之间有较大的位向差，一个奥氏体晶粒内可有几个马氏体束或区，板条状马氏体的韧性较好。 残余奥氏体奥氏体淬火时，被保留到室温的未转变的部分，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态，未经回火时，Ar与M很难区分，都呈白亮色；只有马氏体回火变暗后残余奥氏体才能被辨认。回火马氏体（M回） 马氏体经低温回火（150~250℃）所得到的组织