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实验三碳钢的热处理

一、实验目的
1.了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。
2.研究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。

二、概述
热处理是一种很重要的热加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，其中包括使用性能及工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构可以发生一系列变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。
钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火等。

三、钢的退火和正火

表3-1碳钢在退火及正火状态下的机械性能
性能热处理状态含碳量（%）≤0.10.2~0.30.4~0.6硬度（HB）退火~120150~160180~200正火130~140160~180220~250强度
（MN/m2）退火200~330420~500360~670正火340~360480~550660~760
钢的退火通常是把钢加热到临界温度或以上，保温一段时间，然后缓缓地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解而得到比较接受平衡状态的组织。
一般中碳钢（如40、45钢）经退火后组织稳定，硬度较低（HB180~220）有利于下一步进行切削加工。
正火则是将钢加热到或以上30~50℃，保温后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对量较多，且片层较细密，所以性能有所改善。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对高碳钢，正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作组织上的准备。不同含碳量的碳钢在退火及正火状态下的强度和硬度值见表3-1。

四、钢的淬火
所谓淬火就是将钢加热到（亚共析钢）或（过共析钢）以上30~50℃，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却（应大于K），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：淬火加热温度、保温时间和冷却速度。

图3-1正常淬火温度范围

1.淬火温度的选择
表3-2各种碳钢的临界温度（近似值）
类别钢号临界温度（℃）或碳
素
结
构
钢207358556808353073281367783540724790680796457247806827605072576069075060727766695721碳
素
工
具
钢T7730770700743T8730--700-T10730800700-T12730820700-T13730830700-正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。淬火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，可根据Fe-Fe3C相图确定，如图3-1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，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。过高的加热温度（如超过）不仅无助于强度、硬度的增加，反而会由于产生过多的残余奥氏体而导致硬度和耐磨性的下降。
需要指出，不论在退火、正火及淬火时，均不能任意提高加热温度。温度过高晶粒容易长大，而且增加氧化脱碳和变形的倾向。各种不同成分碳钢的临界温度列于表3-2中。
2.保温时间的确定
淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火所需的时间及淬火温度停留所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按照经验公式加以估算，碳钢在电炉中加热时间列于表3-3。
表3-3碳钢在箱式电炉中加热时间的确定
加热温度（℃）工件形状圆柱形方形板形保温时间分钟/每毫米直径分钟/每毫米厚度分钟/每毫米厚度700
800
900
10001.5
1.0
0.8
0.42.2
1.5
1.2
0.63
2
1.6
0.8
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，以减小内应力，防止变形和开裂。为此，可根据C曲线（如图3-2所示），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（即与C曲线的“鼻尖”相切），而在较低温度（300~100℃）时的冷却速度则尽可能小些。
为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质（如水、油等）和冷却方法（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能力有所差别。各种冷却介质的特性见表3-4。

图3-2