碳钢的热处理及其显微分析
作者：cad 提交日期：2008-12-5| 分类: | 访问量：
碳钢的热处理及其显微分析
、实验目的
1. 熟悉碳钢热处理中的退火、正火、淬火和回火的操作规程。
2. 通过显微镜来分析碳钢经热处理后的显微组织。
3. 更进一步熟练有关试样制备和显微镜使用技术。
二、实验原理
绝大多数重要的机械零件在制备过程中都要经过热处理，其目的就是把工件加热到一定温度，然后根据不同的要求采取不同的冷却速度，使金属零件中的结构产生预期的变化，从而使零件具有不同的机械性能。
热处理的结果使工件的组织改变了，性能也改变了，例如，钢件淬火后，其组织变成马氏体，其性能变得更硬、更强、更耐磨了，相反地，若用退火则会使钢件变得更软些。总之，热处理对钢件性能具有极大影响，工件的质量是由正确的热处理确定的。
热处理包括许多不同的过程，但基本上可把它们归纳为：把要热处理的工件加热到一定温度，在此温度保持一段时间，使其组织达到完全转化，然后再以某种速度冷却。因此，热处理包括四个因素：加热速度、最高温度、加热时间和冷却速度。
根据它的使用和进行方式不同，热处理基本形成一般可分为下列几种类型：淬火、回火、退火、正火和化学热处理（本实验不做化学热处理），下面分别叙述：
1. 退火
主要用来消除加工硬化的影响，使工件回复平衡状态，为后来的工艺操作准备条件。其方法是把工件加热到AC3线以上温度（见图1）（AC3线是钢α固溶体转变为γ固溶体之临界温度），然后再慢慢冷却下来（即逐渐降低炉温，工件随炉慢冷）。
图1. 铁—碳状态图的一部分
对于亚共析钢来说，经退火后的组织应该是珠光体（P）和铁素体（F）。随着含碳量的增加，铁素体会减少，而珠光体增加，含0.8％C时，珠光体量等于100％，若用4％硝酸腐蚀，在显微镜下观察，白的部分为铁素体，黑的部分为珠光体。
铁素体的晶格为体心立方，具有磁性，可塑性好和低硬度。珠光体是在温度为723°时由奥氏体（A）转化而产生的，形成珠光体过程可写为：
A→F＋Fe3C
理所当然体是铁素体和渗碳体的机械混合物，它因渗碳体（铁与碳的化合物）的形状不同，可分为层状的和粒状的两种。
2. 正火
它是退火的特殊形式，其与一般退火所不同是在具有稍大的冷却速度的空气中进行冷却，因此，冷却时的转变，比退火有较大的过冷度，因而就决定了退火钢和正火钢在组织和性能上有所差别，从组织方面来说，虽然它们同样由铁素体和珠光体组成，但由于正火冷却速度较快，故得到精细结构，这时所获得的组织为索氏体（S）或屈氏体（T），它们也是属珠光体类型，是铁素素体和渗碳体的混合物，它们之间的差别仅在于渗碳体的颗粒大小（分散程度）不同，屈氏体较索氏体细，而索氏体较珠光体细。同时，正火具有较退火为大的屈服极限和断裂强度，但是，可塑性不及退火。
3. 淬火
是用来提高工件的硬度和强度等，方法是把工件加热到临界温度以上（即稍高于AC3），然后以最快的速度冷却（在水中或油中以及在其它溶液中进行冷却），由于冷却速度太快，使得含碳量较多的γ铁（即奥氏体）来不及分解却形成非平衡状态的马氏体和残余奥氏体，形成马氏体的过程可写成为：
A→M
正常的淬火（在水中冷却）组织为马氏体，高碳钢的马氏体是针状，这些针状物之间彼此相交成60°、90°、120°的角度，低碳钢的马氏体是板条状的。所谓马氏体就是碳在α铁中的过饱和固溶体，它可分为正方形和立方形，前者由淬火而得，后者由低温回火而得。马氏体针状的粗细决定于加热至高温时奥氏体晶粒的大小，奥氏体晶粒愈大，所产生的马氏体针状物就愈粗。正常淬火时，马氏体组织应该是细针状，若淬火时钢的加热过高，就会得到粗针状马体，这种钢在很大的脆性。
4. 回火
由于淬火钢塑性很低，内应力很大，而且还保留一部分残余奥氏体，会引起工件日后变形，为了克服这些问题，淬火钢件加热到低于AC1点的温度，然后在空气中或炉中进行冷却，可使钢中的残余应力减少，并使不稳定的淬火马氏体组织转变为较稳定的组织，这时，其机械性能发生很大变化。
当回火温度80°～170°时，部分地去掉淬火钢的内应力，而不降低硬度，并且马氏体的正文性逐渐向立方性过渡。当回为温度为200℃～300℃时，残余奥体转变为回火马氏体，淬火马氏体基本由正文性转变为立方性的回火马氏体，当回为温度350℃～450℃时，淬火马氏体转变为屈氏体。回为温度在500～600℃时，淬火马氏体转变为索氏体，回为索氏体与淬火马氏体很难区别，因为它仍保留马氏体针状的方向性，只有在高倍显微镜下（500倍以上）才能区别，因那时可看到索氏体组织中有着马氏体所没有的新析出的渗碳晶粒。
三、钢的热处理的实际操作
欲使工件（样品）经热处理后达到期望的要求，则必须事先前正确选择加热温度、保温时间和冷却速度。
1. 碳钢热处理温度的决定
加热温度的选择，一般可参考铁—碳状态图中临界点AC3 和AC1位置，对于来亚共析钢，当进行淬火，退火和正火处理，其加热温度约在AC3以上30～50℃，对于共析钢和过共析钢（>0.8％C），加热温度在AC1以上30～50℃。至于回火温度，可根据对钢件性能的要求而定，可有低温回火（80～200℃），中温回火（300～400℃），高温回火（450～600℃）。
2. 钢的热处理加热时间的选择
加热时间包括加热至所温度的时间和指定温度下保温的时间（在实验中，因试样很小，一般待温度达到指定值时，才将试样放进炉中加热，故只考虑保温时间）。
加热时间决定于工件的大小和导热性好，加热速度加快些，即加热时间可短些，至于保温时间的长短可决定于：
1) 使原组织变成奥氏体所需要的时间
2) 试样的大小和形状
3) 试样的化学成分，一般来说可参考表１
表１ 碳钢加热时的保温时间
加热温度℃
时间（分/截面）
圆（每一公厘直径）
方（每一公厘厚度）
薄板（每一公厘厚度）
600
2
3
4
700
1.5
202
3
800
1.0
1.5
2
900
0.8
1.2
1.6
100
0.4
0.6
0.8
关于回火加热时间，由于回火温度过低，加热过程进行得很慢，故加热时间需要较长，一般说每毫米直径保温4～5分钟。
3．冷却速度
我们知道，各种不同热处理的特点，主要在于其冷却速度不同，不同的冷却速度得到不同的组织和性能。如图，当钢的冷却速度大过Vk时，会发生由奥氏体转变为马氏体，但当钢的冷却速度小于V临界时，例如V１２临界时，就会分别发生珠光体，索氏体或屈氏体转变。
图2 在奥氏体恒温转变图上的不同冷却速度
冷却速度的改变是通过选择冷却能力不同的介质或通过改变该介质的温度来实现。各种冷却介质及其冷却能力列于表２中。
表２碳钢在各种介质内的冷却速度
淬火介质
不同温度范围的冷却速度（℃、秒）
650～550℃
300～200℃
18℃的水
600
270
50℃的水
400
270
18℃的10％NaCl水溶液
1200
300
18℃的10％NaOH水溶液
1100
300
18℃的10％Na2CO2水溶液
800
270
蒸馏水
250
200
油水乳液
70
200
肥皂水
30
200
变压器油
120
25
矿物机器油
150
30
一般采用水作碳钢的淬火冷却，仅对细小的钢片（厚度或直径为２～５mm），才用油作冷却剂，退火是将工件随炉慢冷却。正火是将工件在（室温或吹风）空气中冷却。回火工件可以在炉中或空气中冷却。
四、仪器设备
１．热处理设备。包括电炉、自动温度控制器、热电偶等。
２．试样制备设备。包括磨光机、抛光机。
３．显微分析设备：金相显微镜。
五、实验内容
先将试样进行热处理，然后制备金相实验试样，最后用金相显微镜观察试样的组织。步骤如下：
1. 领取试样（0.4～0.5％C）４个，分别进行 退火、正火、水中淬火和高温回火（600℃回火）。试样加热前应决定温度和保温时间，然后试样放进炉内处理。
2. 把经热处理后的试样参看金相试样制备方法，进行磨光、抛光、清洁、腐蚀、吹干。
3. 把制备好的试样用显微镜进行金相分析，观察各种不同热处理后得到不同组织的形态特征，并将组织形态用笔绘制出来。
本文摘自：http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=511382&fpage=2
问题没解决?请到"CAD家园"查找或求助!
