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材料工程 综合实验报告 材控11-2班 小组成员 学号 碳钢的热处理操作、非平衡组织观察及硬度测定 一、实验目的 （1）了解碳钢的热处理操作； （2）研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响； （3）观察热处理后钢的组织及其变化； （4）了解硬度计的原理，初步掌握洛氏硬度计的使用。 二、实验内容概述 钢的热处理 热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作， 通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。 通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是 AC3+30~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是 AC1+30~50℃，过共析钢的正火温度是 ACcm+30~50℃，保温时间根 据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。 碳钢的过冷奥氏体在 Ac1~550℃范围内发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的机械混合物。依据片层厚薄的不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体——索氏体（S）和极细片状珠光体——屈氏体（T）之分。硬度随片距的减小（转变温度的降低）而升高。 碳钢的过冷奥氏体在 550~350℃之间发生贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B 上）。在光学显 微镜下呈黑色羽毛状特征。过冷奥氏体在 350℃~Ms 之间等温得到黑 色针状的下贝氏体（B 下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细 小片状碳化物组成。 过冷奥氏体以超过临界速度的快冷至 Ms 以下温度，将发生马氏 体转变，生成碳在α-Fe 中的过饱和固硝体——马氏体。常见的有板 条马氏体（碳0.2%）、针（片）状（碳1.0%）马氏体以及由它们构成的混合组织（碳为 0.2%~1.0%）。 随转变温度的降低钢的硬度升高。 普通热处理分为退火、正火、淬火和回火。钢加热到一定温度保温后缓慢冷却（通常随炉冷却）至500℃以下空冷叫退火，得到接近平衡态的组织。奥氏体化的钢在空气中冷却叫 正火，得到先共析钢铁素体（或渗碳体）加伪珠光体。过冷奥氏体快冷（大于临界冷速）叫淬火，得到马氏体组织。淬火钢再加热到 A1 以下会发生回火转变，随回火温度的升高分别得到回火马氏体，回火 屈氏体和回火索氏体。 随冷却速度增加，钢的硬度升高。 硬度是指材料对另一更硬物体（钢球或金刚石压头）压入其表面 所表现的抵抗力。硬度的大小对于工件的使用性能及寿命具有决定性 意义。由于测量的方法不同常用的硬度指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬 度(HR)、维氏硬度(HV)和显微硬度(HV)。 布氏硬度适用于硬度较低的金属，如退火、正火的金属、铸铁及 有色金属的硬度测定。洛氏硬度又有 HRA、HRB、HRC 三种，其中 HRC 适合于测定硬度较高的金属如淬火钢的硬度。维氏硬度测定的 硬度值比布氏、 洛氏硝确，可以测定从极软到极硬的各种材料的硬度， 但测定过程比较麻烦。 显微硬度用于测定显微组织中各种微小区域的 硬度，实质就是小负荷(≤9.8N)的维氏硬度试验，也用 HV 表示。 试样制备 ． 要在金相显微镜下对金属的组织进行观察和摄影，必须制备平整、光亮、清洁、无划痕、并用适当的方法显示出真实组织的试样。 本实验采用： 手工磨样 试样在金相砂纸上由粗到细磨制。磨样时用力均匀，待磨面上旧 磨痕消失，新磨痕均匀一致时就更换细一号的砂纸，并且试样转 90o 再磨。一般磨制到 4 号（粒度 800）砂纸即可。 抛光 本实验采用化学抛光与机械抛光相结合的方法。 PG－2 金相制样 抛光机 化学抛光： 靠化学药剂对试样表面不均匀硝解而得到光亮的抛光 面，凸起部分硝解速度快，而凹下部分硝解速度慢。具体操作是用竹 筷夹住浸有抛光剂的棉球均匀的擦试磨面，待磨痕基本去掉后，立即 用水冲洗。 机械抛光：在专用的抛光机上进行，抛光织物（如呢料、金丝绒 等）固定在抛光盘上，洒以抛光粉悬浮硝，试样轻压于旋转的抛光盘 上。靠嵌于抛光织物中的抛光粉的磨削作用和滚压作用，得到平整、 光亮无划痕的磨面。 化学浸蚀 试样在浸蚀剂作用下，组织中电位低的部分为阳极，电位高的部 分为阴极，低电位处于硝解较快而呈现凹陷从而显示出组织特征。碳 钢常用 3~4%硝硝硝硝硝硝浸蚀。 观察金相显微组织 . 实验仪器设备 箱式电炉、硬度计、抛光机、金相显微镜、图像采集系统 实验内容与操作 钢的热处理 每人领一块试样，要求制定工艺进行热处理，编号，测定硬度，并且把结果记录与表中。 20#钢： 准备做螺钉、螺栓，但它的切削性能不好，不便于加工，为了便于加工，请同学们设计热处理工艺。 45#钢：做曲轴、齿轮，要有良好的综合机械性能，请同学们设计热处理