钢的热处理及硬度测定

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一、实验目的
1.了解钢的基本热处理工艺。
2.了解布氏和洛氏硬度计的主要原理、结构及操作方法。
3.了解不同的热处理工艺对钢的性能的影响。

二、实验原理
热处理是充分发挥金属材料性能潜力的重要方法之一。其工艺特点是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，通过改变钢的内部组织来改善钢的性能，其基本工艺包括退火、正火、淬火和回火等。
金属的硬度是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。硬度是金属材料一项重要的力学性能指标。硬度的试验方法很多，其中常用的有布氏法、洛氏法和维氏法三种硬度试验方法。
1.钢的退火、正火、淬火和回火
钢的退火通常是将钢加热到临界温度 或 线以上，保温后缓慢地随炉冷却的一种热处理工艺。钢经退火处理后，其组织比较接近平衡状态，硬度较低（约180~22OHBS），有利于进行切削加工。
钢的正火是将钢加热到 或 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，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，为球化退火和淬火作准备。
钢的淬火就是将钢加热到 或 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，淬火加热温度、保温时间和冷却速度。淬火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（见图1-3-1），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些。
钢的回火是把经过淬火后的钢再加热到 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，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（250~500℃）和高温
回火（500~650℃）。
2.硬度试验原理、结构及操作方法
硬度测试方法很多，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等条件的不同，常用的压入法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。
1）布氏硬度
布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D钢的球压入被测金属表面后保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的压痕直径查表即可得硬度值。
用钢球压头所测出的硬度值用HBS表示；用硬质合金球压头所测出的硬度值用HBW表示。布氏硬度的优点是测定结果较准确，缺点是压痕大。目前布氏硬度计一般以钢球为压头，主要用于测定较软的金属材料的硬度。布氏硬度值的计算式如下：
HBS（HBW）

式中P——试验力（N）；
D——压头球体直径（mm）；
d——相互垂直方向测得的压痕直径 、 的平均值（mm）。
布氏硬度试验机的外形结构如图1-3-2所示，其基本操作和程序是：
（1）将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头向试样表面直至手轮对下面螺母产生相对运动（打滑）为止。此时试样已承受98.07N初载荷。
（2）按动加载按钮，开始加主载荷，当红色指示灯闪亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘转动。达到所要求的持续时间后，转动即自行停止。
（3）逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d，以此查表即得HBS值。
2）洛氏硬度
洛氏硬度以顶角为120℃的金刚石圆锥体作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，通过测量压痕深度来确定其硬度。被测材料的硬度可在硬度计刻度盘上读出。洛氏硬度有HRA、HRB和HRC三种标尺，其中以HRC应用最多，一般用于测量经过淬火处理后较硬材料的硬度。
在实际使用中为了使硬材料的洛氏硬度值比软材料的高，以符合人们的习惯。因此被测试材料的硬度值尚须用下式作适当变换：

式中，K——常数，采用金刚石压头时为0.2，采用1.5875mm（l/16”）钢球压头时为0.26；
c——常数，采用金刚石压头或钢压头时都为0.002；
、 ——施加载荷前后的压痕深度（mm）。
常用的三种洛氏硬度试验规范见表1-3-1。

洛氏硬度试验机的结构如图1-3-4所示，其基本操作程序是：
（1）将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，然后将表盘上指针调零。
（2）按动按钮或转动手柄，加主载荷，当表盘大指针反转停止后，再顺时针旋转摇柄，卸除主载荷，此时表盘大指针即指示出该试样的HRC值。
（3）逆时针转动手轮，取出试样，硬度测定完毕。

3）维氏硬度
维氏硬度测定的基本原理和布氏硬度相同，区别在于压头采用锥面夹角为136℃的金刚石棱锥体，压痕是四方锥形（图1-3-5）。
维氏硬度用HV表示，HV的计算式为：

式中：F——载荷（N）；
D——压痕对角线长度（mm）。



三、实验内容
1.退火、正火及淬火部分的内容及具体步骤
（1）根据处理条件不同，可按表1-3-2进行分组试验。
（2）表1-3-2中所用原始试样一律经退火处理后测定其HBS值，经淬火实验后一律用洛氏（HRC）硬度计测定。
（3）根据试样钢号及铁碳相图确定加热温度及保温时间。
（4）将退火、淬火及正火后的试样表面用砂纸磨平，测出硬度值（HRC）并填入表1-3-2中。

2.回火部分的内容及具体步骤
（1）将已经正常淬火并测过硬度的45钢试样分别按表1-3-3中指定的各温度值放入炉内加热，保温1小时，然后取出空冷。
（2）用砂纸磨光试样表面，测定其硬度值（HRC)。
（3）将测定的硬度值分别填入表1-3-3中。


四、实验报告要求
1.明确实验目的。
2.分析加热温度与冷却速度对钢的性能的影响
3.按照表1-3-2及表1-3-3记录各硬度值数据，并绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图。




根据铁碳相图，共析钢加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。在实际热处理加热条件下，相变是在不平衡条件下进行的，其相变点与相图中的相变温度有一些差异。由于过热和过冷现象的影响，加热时相变温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后。加热或冷却速度越快，则滞后现象越严重。图6-1表示加热和冷却速度对碳钢临界温度的影响。通常把加热时的实际临界温度标以字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm；而把冷却时的实际临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体，然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织，得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律，首先要研究钢在加热时的变化。

一、加热时奥氏体的形成过程
1．共析钢的加热转变
从铁碳相图中看到，钢加热到727℃（状态图的PSK线，又称A1温度）以上的温度珠光体转变为奥氏体。这个加热速度十分缓慢，实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于A1，定义实际转变温度为Ac1。Ac1高于A1，表明出现热滞后，加热速度愈快，Ac1愈高，同时完成珠光体向奥氏体转变的时间亦愈短。
共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行: