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实验一 钢的热处理及硬度测试 一、实验目的 1、了解钢的基本热处理工艺：退火、正火、淬火和回火。 2、了解金相显微镜、布氏和洛氏硬度计的主要原理和结构，掌握金相显微镜和硬度计的操作规程。 3、以45号钢(Wc = 0.42~0.50%)为例，掌握基本热处理工艺流程。 4、学会分析不同热处理工艺对碳钢典型组织和力学性能的影响。 二、原理概述 1、碳钢的退火、正火、淬火和回火热处理主要是通过制定合适的工艺来改变金属材料的显微组织，从而达到改善材料的力学性能、工艺性能和使用性能的目的。 热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程。对于合金钢，其热处理工艺流程就是：根据铁碳相图（图1），把钢加热到一定温度，保温一段时间后，以某种速度冷却下来，通过改变钢的显微组织来改善力学性能。 碳钢的基本热处理工艺包括：退火、正火、淬火和回火（图2）。本实验要求掌握碳钢（45#钢：图1中的红色垂线）上述四种热处理工艺流程，包括热处理温度、保温时间的确定和冷却介质的选择。 （1）退火 退火是将碳钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温后缓慢地随炉冷却的一种热处理工艺。经退火处理后，碳钢的组织接近平衡状态，得到的是先共析铁素体和珠光体组织（图3），硬度较低（约180~220 HBS），有利于进行切削加工。 （2）正火 正火是将碳钢加热到A3c或Acmc线以上30~50℃，保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，所形成的珠光体片层细密（图4），故硬度有所提高。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善其切削加工性能，降低加工表面的粗糙度；对高碳钢来说，正火可以消除网状渗碳体，为球化退火和淬火做准备。 3）淬火 淬火是将碳钢加热到A3c或A1c线以上30~50℃，保温后在不同的冷却介质中快速冷却，从而获得马氏体和（或）贝氏体组织（图5）的一种热处理工艺。马氏体的硬度和强度都很高，特别适用于有较高耐磨性能要求的工模具材料。 淬火工艺包括三个重要参数，加热温度、保温时间和冷却速度。加热温度过高时晶粒容易长大，而且还会产生氧化脱碳等缺陷，加热温度过低则会因组织中存在铁素体或珠光体而导致材料硬度不足。保温时间与钢的成分、工件的形状、尺寸及加热介质等因素有关，一般可按照经验公式加以估算，保温时间过长或过短都会对钢的组织及性能造成不利的影响。冷却是淬火的关键工序，它直接影响到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降低冷却速度，以减小内应力，防止变形和开裂。因此，可根据C曲线图，使淬火工件在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（650~550℃）进行快冷，而在较低温度（300~100℃）时的冷却速度则尽可能小。 （4）回火 回火是把经过淬火后的碳钢再加热到A1c线以下某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺（回火组织如图6所示）。其主要目的是改善淬火组织（马氏体）的韧性，消除淬火时产生的残余内应力并减小钢件的变形。回火温度和保温时间是回火工艺的两个重要参数，根据回火温度的不同，回火又可分为低温回火（小于250℃），中温回火（350~500℃）和高温回火（500~650℃）。 2、硬度试验原理、硬度计的结构及操作方法 经过热处理的碳钢，因具有不同的显微组织而表现出不同的力学性能。本实验采用硬度来评估热处理后碳钢的力学性能。 硬度是金属材料一项重要的力学性能指标，表征材料表面抵抗硬物压入而引起塑性变形的能力。硬度越大，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。硬度试验方法很多，使用最广泛的是压入法。压入法就是把一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。压痕越大，则材料越软；反之，则材料越硬。根据压头类型和几何尺寸的不同，压入法又分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。（1）布氏硬度 布氏硬度试验的原理是在试样表面施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面将残留压痕（图7）。根据压痕直径d求出压痕表面积，然后用施加的载荷P除以压痕表面积即可得到试样的布氏硬度值（计算公式如式(1)所示）。 ??? 式(1) 式中，P——试验力（N）；D——压头球直径（mm）；d——压痕平均直径，即两个垂直方向压痕直径1d、2d的平均值（mm）。由钢球压头测得的硬度值用HBS表示，由硬质合金球压头测得的硬度值用HBW表示（注：新版布氏硬度试验国家标准GB∕T 231.1-2018中已经取消了钢球压头，全部采用硬质合金球头。因此HBS停止使用，全部用HBW表示布氏硬度符号）。本实验中所用