實(shí)驗(yàn)Ⅱ　碳鋼的熱處理及硬度測定

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）掌握碳鋼熱處理基本工藝的（退火、正火、淬火及回火）操作方法。

（2）分析含碳量、加熱溫度、冷卻速度、回火溫度等因素對碳鋼熱處理后性能的影響。

（3）熟悉硬度計(jì)的使用方法。

二、概述

鋼的熱處理就是通過加熱、保溫和冷卻改變其內(nèi)部組織，從而獲得所要求性能的一種操作方法。加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式三個(gè)工藝參數(shù)的選擇是熱處理的關(guān)鍵。

1．加熱溫度

（1）退火加熱溫度：

亞共析鋼采用完全退火，其加熱溫度為A_c3+30～50℃。共析鋼和過共析鋼采用球化退火，其加熱溫度為A_c1+30～50℃，得到球狀珠光體，目的是降低硬度、改善切削性能，為淬火做好準(zhǔn)備。

（2）正火加熱溫度：亞共析鋼為A_c3+30～50℃，過共析鋼為A_ccm+30～50℃。

（3）淬火加熱溫度：亞共析鋼為A_c3+30～50℃，共析鋼、過共析鋼為A_c1+30～50℃。

鋼的成分、原始組織及加熱速度等影響臨界點(diǎn)A_c1、A_c3及A_ccm的位置，在熱處理手冊中可以查到各種鋼的臨界溫度。材料加熱時(shí)必須加熱到規(guī)定的溫度，但不能過高，溫度過高，會產(chǎn)生晶粒粗大、氧化、脫碳等缺陷。常見碳鋼的臨界溫度如表Ⅱ-1所示。

表Ⅱ-1　碳鋼的臨界溫度

（4）回火溫度：鋼淬火后要進(jìn)行回火，回火溫度取決于最終所要求的組織和性能。按加熱溫度回火分為低溫、中溫、高溫三種。

低溫回火：淬火鋼在150℃～250℃進(jìn)行回火，得到的組織為回火馬氏體，硬度約為60HRC左右。目的為降低淬火后工件的內(nèi)應(yīng)力，減小鋼的脆性，并保持鋼的高硬度和高耐磨性。低溫回火常用于各種工具、量具和軸承等工件的處理。

中溫回火：淬火鋼在350℃～500℃的回火稱為中溫回火，得到的組織為回火屈氏體，硬度約為40～48HRC。其目的為獲得高的彈性極限，同時(shí)又有高的韌性。其主要用于彈簧鋼的處理。

高溫回火：淬火鋼在500℃～650℃的回火稱為高溫回火，得到的組織為回火索氏體，硬度約為25～35HRC。其目的是獲得既有一定強(qiáng)度和硬度，又有良好韌塑性的綜合性能。所以把淬火后經(jīng)高溫回火的處理稱為調(diào)質(zhì)處理，用于中碳結(jié)構(gòu)鋼。

回火溫度的確定也可根據(jù)工件硬度要求按經(jīng)驗(yàn)公式近似估算

T/℃=200+K（60－X）

式中，K為系數(shù)，當(dāng)回火硬度值要求大于30HRC時(shí)，K=11；當(dāng)回火硬度值要求小于30HRC時(shí)，K=12；X為工件所要求的硬度值；T/℃為回火溫度。

2．保溫時(shí)間的確定

為了使工件各部分溫度均達(dá)到指定溫度，完成組織轉(zhuǎn)變并使碳化物溶解和奧氏體成分均勻化，必須在淬火加熱溫度保溫一定時(shí)間。通常將工件升溫和保溫所需的時(shí)間計(jì)算在一起，并統(tǒng)稱為加熱時(shí)間。

熱處理加熱時(shí)必須考慮許多因素，例如，工件的尺寸和形狀；使用的加熱設(shè)備及裝爐量；裝爐溫度；鋼的成分和原始組織；熱處理的要求和目的等。

實(shí)際工作中多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大致估算加熱時(shí)間。一般規(guī)定，在空氣介質(zhì)中升到規(guī)定溫度后的保溫時(shí)間：對碳鋼來說，按工件厚度每毫米1.5分鐘估算；合金鋼按每毫米2分鐘估算；在鹽浴爐中保溫時(shí)間可縮短1～2倍。具體時(shí)間可參考熱處理手冊的有關(guān)數(shù)據(jù)。

3．冷卻方法

冷卻是熱處理的關(guān)鍵工序，它直接影響到熱處理后的組織和性能。

退火：一般采用隨爐冷卻。

正火（或?；憾嗖捎迷诳諝庵欣鋮s，大件常進(jìn)行吹風(fēng)冷卻。

淬火的冷卻方法非常重要。一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度以保證過冷奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，另一方面冷速在保證發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的前提下應(yīng)盡量緩冷，以減少內(nèi)應(yīng)力避免變形和開裂。為此在淬火冷卻時(shí)，應(yīng)盡量靠近理想冷速冷卻，即高溫慢冷，在C曲線的鼻部（650℃～500℃）快冷，低溫慢冷。生產(chǎn)中在單液淬火的基礎(chǔ)上，采用雙液淬火、分級淬火、等溫淬火等方法都是既要保證組織轉(zhuǎn)變又能減少應(yīng)力變形的具體措施。

三、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備簡介

圖Ⅱ-1　電阻爐溫控原理圖

熱處理實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備為小功率箱式電阻爐（又稱馬弗爐）。爐溫控制由熱電偶和溫度控制器構(gòu)成。

電阻爐由爐膛、電阻絲、保溫材料及爐殼組成，功率一般在2～4kW。

爐溫的測量借助于熱電偶，熱電偶是將兩根不同材料的金屬絲一端焊接起來，我們把焊接端稱為熱端，另一端稱為冷端。當(dāng)焊接端被加熱時(shí)，則在冷端產(chǎn)生一定的溫差電動勢，電動勢的大小決定于加熱溫度的高低。因此我們可通過測量溫差電勢的大小來得知爐溫的高低。

溫度控制器主要由毫伏表、電子振蕩器和繼電器三部分構(gòu)成。毫伏表與熱電偶相接，顯示溫差電動勢的大小，并通過指針在表盤上指示出爐子的實(shí)際溫度值，所以我們可直接從表上讀出爐溫。電子振蕩器是控制溫度的。繼電器是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以接通或切斷電爐電源。加熱時(shí)當(dāng)溫度指示針與給定指針?biāo)笢囟戎睾蠒r(shí)，指示針上的小鋁片進(jìn)入振蕩器線圈，使振蕩器的輸出功率減小，繼電器釋放觸點(diǎn)，電源被切斷，電阻爐停止加熱。當(dāng)爐溫下降時(shí)，帶有鋁片的指針退出振蕩器線圈，使振蕩器輸出功率增大，繼電器觸點(diǎn)吸合接通電源，電阻爐繼續(xù)加熱。如此循環(huán)不已，使?fàn)t溫自動恒定在給定指針?biāo)付ǖ臏囟戎蹈浇?。爐溫控制原理如圖Ⅱ-1所示。目前電阻爐溫度多采用數(shù)字顯示、可控硅控制，其優(yōu)點(diǎn)為精度高、誤差小。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)分四個(gè)小組，每組取三塊樣品。

1．第一組取含碳量分別為0.2%，0.45%、1.0%的試樣，分別按淬火加熱規(guī)范加熱，保溫后在水中淬火，處理后測定試樣硬度，分析含碳量對淬火硬度的影響。

2．第二組取含碳量為0.45%的試樣三塊，分別加熱至650℃、760℃、830℃。保溫后在水中淬火，然后測定其硬度。分析加熱溫度對淬火硬度的影響。

3．第三組仍取含碳量為0.45%的試樣三塊，加熱至830℃，保溫后分別在水、油和空氣中冷卻，然后測定試樣硬度，分析冷卻速度對碳鋼處理后硬度的影響。

4．第四組取含碳量為1.0%的試樣三塊，加熱至A_c1以上30℃～50℃，保溫后在水中淬火，并測定硬度，再分別進(jìn)行200℃、400℃、600℃回火（保溫20min后空氣冷卻），然后再測定硬度，分析回火溫度對碳鋼處理后硬度的影響。

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論以大組為單位進(jìn)行。

6．試樣按工藝溫度要求選擇爐子進(jìn)行加熱。保溫時(shí)間按試樣直徑每毫米1～1.5分鐘計(jì)算。

7．淬火前試樣硬度值如表Ⅱ-2所示。淬火后的樣品一律用洛氏硬度計(jì)測定硬度。

表Ⅱ-2　材料淬火前硬度值

五、注意事項(xiàng)

1．本實(shí)驗(yàn)加熱所用設(shè)備為電爐，操作一定要注意安全，在放、取樣時(shí)必須先切斷電源。

2．往爐中放取試樣必須使用夾鉗等工具，入爐前必須擦干，不得沾有油和水。開關(guān)爐門要迅速，爐門打開時(shí)間不宜過長。

3．淬火時(shí)，動作要迅速，以免溫度下降，影響淬火質(zhì)量。

4．試樣在淬火液中應(yīng)不斷攪動，以免冷卻不均出現(xiàn)軟點(diǎn)。淬火水溫應(yīng)保持20℃～30℃，水溫過高要及時(shí)換水。

5．熱處理后的試樣均要用砂紙打磨表面，去掉氧化皮后再測硬度值。

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1．每人列表格，寫出各組實(shí)驗(yàn)工藝及數(shù)據(jù)。

2．簡述碳鋼淬火硬度與含碳量的關(guān)系。

3．分析加熱溫度，冷卻速度對熱處理后鋼性能的影響。

4．繪制T10鋼回火溫度與硬度的關(guān)系曲線圖并分析硬度變化的原因。

5．分析實(shí)驗(yàn)中存在的問題。附：硬度測定

一、概述

硬度是材料抵抗較硬物體壓入其表面所表現(xiàn)出的塑變抗力。硬度測量能給出金屬材料軟硬程度的數(shù)量概念。硬度值越高，表明金屬抵抗塑性變形能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。因硬度與其他機(jī)械性能（如強(qiáng)度、塑性）之間有著一定的內(nèi)在聯(lián)系，因此，硬度的大小對機(jī)械零件和工模量具的使用性能及壽命有著決定性的意義。由于硬度操作簡便，不損壞工件，因此在生產(chǎn)和科研上應(yīng)用十分廣泛。硬度的試驗(yàn)方法很多，應(yīng)用較多的是壓入法。其主要特點(diǎn)是：

（1）試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)最軟（即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力），因而不論是塑性材料還是脆性材料都能發(fā)生塑性形變。

（2）材料的硬度值與抗拉強(qiáng)度之間有近似的正比關(guān)系，因而可根據(jù)硬度測量結(jié)果估算其強(qiáng)度值。

σ_b =K·HB

式中，σ_b為材料的抗拉強(qiáng)度；K為系數(shù)；HB為布氏硬度值；退火碳鋼K=0.34～0.36；調(diào)質(zhì)合金鋼K=0.33～0.35；鑄鋁K=0.26。

（3）硬度測試后由于僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生小壓痕，不損壞零件，因而適合于對表面要求不高的成品檢驗(yàn)。

（4）設(shè)備簡單，操作迅速方便。零件圖紙技術(shù)要求上，往往只標(biāo)注硬度值。

二、布氏硬度

1．基本原理

布氏硬度試驗(yàn)基本原理可參考教材第二章，F(xiàn)/D2具體試驗(yàn)參數(shù)按第二章表2-2選擇。

2．布氏硬度測定的技術(shù)要求

（1）試樣表面必須平整光潔，粗糙度值應(yīng)不大于2.5μm。若鋼球直徑為2.5mm時(shí)，粗糙度值應(yīng)不大于1.25 μm，以使壓痕邊緣清晰，保證壓痕直徑測量精確。

（2）鋼球直徑、負(fù)荷大小及保持時(shí)間按表2-2選擇。

（3）試樣厚度應(yīng)不小于壓痕深度的10倍。壓痕直徑d應(yīng)在0.25D~0.6D范圍之內(nèi)

（4）壓痕中心至試樣邊緣距離不小于壓痕直徑的2.5倍，兩相鄰壓痕中心之間距離不小于壓痕直徑的4倍。

（5）用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑d時(shí)，應(yīng)從相互垂直的兩個(gè)方向上進(jìn)行，取其平均值，兩壓痕直徑之差不應(yīng)超過較小直徑的2%。

6．為了表明試驗(yàn)條件，可在HB值后標(biāo)注D/F/T，如HB10/3000/10，即表示此硬度值是在D=10mm，F(xiàn)=3000kg，T=10s的條件下測定的。

3．布氏硬度機(jī)的構(gòu)造和操作

（1）HB-3000型布氏硬度試驗(yàn)計(jì)的外形結(jié)構(gòu)如圖Ⅱ-2所示。

圖Ⅱ-2　HB-3000型布氏硬度試驗(yàn)計(jì)外形結(jié)構(gòu)圖

其主要部件及作用如下：

①機(jī)體與工作臺：在機(jī)身前臺面裝有絲杠座、絲杠、立柱和工作臺，通過旋轉(zhuǎn)手輪可使工作臺上下移動。

②杠桿機(jī)構(gòu)：由大杠桿、小杠桿、吊環(huán)、壓軸等組成。負(fù)荷的施加由電動機(jī)帶動減速器、曲柄及連桿，通過杠桿系統(tǒng)對試樣進(jìn)行自動加荷和卸荷。

③壓軸部分：用以保證工作時(shí)試樣與壓頭中心對準(zhǔn)。

④減速器部分：電機(jī)帶動減速器，減速器帶動曲柄、連桿及叉形搖桿，通過杠桿機(jī)構(gòu)將載荷自動加到壓軸上或從壓軸上卸除。

⑤換向開關(guān)系統(tǒng)：是控制電機(jī)回轉(zhuǎn)方向的行程裝置，以使加卸載荷自動進(jìn)行。

（2）操作前的準(zhǔn)備工作

①選擇好壓頭、載荷、及保持時(shí)間。

②把選好的壓頭擦拭干凈，裝入主軸襯套中并緊固好，將砝碼吊架掛在杠桿尾部的刀刃上，并在砝碼吊架上加上相應(yīng)的砝碼。

③根據(jù)選定的保荷時(shí)間，將緊壓螺釘擰松，把圓盤定位器的紅色指示點(diǎn)轉(zhuǎn)到與保荷時(shí)間相符的位置上。

④安裝好所需工作臺。

⑤打開電源開關(guān)，紅色指示燈亮，證明電源正常。

（3）操作方法

①將試樣放在工作臺上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動手輪，使壓頭與試樣表面接觸，直至手輪與螺母產(chǎn)生相對滑動為止。此時(shí)工作臺不再上升，說明壓頭與試樣已接觸好。

②按下啟動按鈕，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)開始加載。此時(shí)因緊壓螺釘已擰松，圓盤并不轉(zhuǎn)動。當(dāng)藍(lán)色指示燈燃亮?xí)r，迅速擰緊緊壓螺釘，使圓盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動，達(dá)到所要求的保荷時(shí)間后，藍(lán)色指示燈熄滅，電機(jī)開始卸載，載荷卸除后轉(zhuǎn)動自行停止。

③逆時(shí)針轉(zhuǎn)動手輪，取下試樣。用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑，通過查表即得HB值。

4．注意事項(xiàng)

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要使試件表面與壓頭接觸好。參看（3）操作方法①。

（2）保荷時(shí)間要調(diào)整好，并注意當(dāng)藍(lán)色指示燈燃亮?xí)r，一定要將定時(shí)器緊壓螺釘擰緊。之前是松的。

（3）如操作中出現(xiàn)不停機(jī)或不正?，F(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)向老師匯報(bào)，由老師進(jìn)行處理。

（4）測量壓痕直徑時(shí)，讀數(shù)顯微鏡缺口要面向光源。旋轉(zhuǎn)測微鼓輪時(shí)，注意不要超過它的測量范圍。

三、洛氏硬度

1．基本原理

洛氏硬度試驗(yàn)基本原理可參考教材第二章，本試驗(yàn)選擇HRC。

2．洛氏硬度測定的技術(shù)要求

（1）根據(jù)被測金屬材料的硬度高低，按表2-3選擇壓頭和載荷。

（2）試樣表面應(yīng)平整光潔，不得有氧化皮或油污以及明顯的加工痕跡。

（3）試樣厚度應(yīng)不小于壓入深度的10倍。

（4）兩相鄰壓痕及壓痕離試樣邊緣的距離不應(yīng)小于3mm。

（5）加載時(shí)力的作用線必須垂直于試樣表面。

3．洛氏硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)和操作

（1）HR-150A型洛氏硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖Ⅱ-3所示：主要由機(jī)體、加載機(jī)構(gòu)、測量指示機(jī)構(gòu)及工作臺等組成。

圖Ⅱ-3　HR-150A洛氏硬度計(jì)結(jié)構(gòu)圖

（2）加載機(jī)構(gòu)由主軸、杠桿、刀刃、砝碼、緩沖器、砝碼變換機(jī)構(gòu)、操作手柄等組成。緩沖器的作用使主載荷施加能保持一定的速度，避免沖擊現(xiàn)象。

（3）測量指示機(jī)構(gòu)由指示器及頂桿、小杠桿等零件組成。預(yù)載荷和硬度值由指示器得知和讀出。

（4）操作規(guī)程

①根據(jù)材料的軟硬狀態(tài)按表2-6選好壓頭和載荷，根據(jù)被測試樣的形狀調(diào)選合適的工作臺。

②裝好壓頭，調(diào)整好載荷，安裝好工作臺。

③將試樣放在工作臺上，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪使試樣表面與壓頭緩慢接觸，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)使表盤上的大指針轉(zhuǎn)三圈并豎直向上，小指針由“0”指向“3”。如大指針未與表盤上C點(diǎn)的零刻度對齊，可轉(zhuǎn)動表盤使零刻度與指針對齊。此時(shí)表示預(yù)載荷加好。

④緩慢扳動加載手柄（按箭頭指示方向），施加主載荷。此時(shí)指針逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，當(dāng)指針停穩(wěn)約3～4s后，按箭頭指示方向緩慢推回卸載手柄，卸除主載荷，此時(shí)大指針退回若干格，這時(shí)指針?biāo)缚潭燃词窃摬牧系穆迨嫌捕戎?。HRC、HRA讀表盤上的黑刻度值，HRB讀表盤上的紅刻度值。

⑤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動手輪，取出試樣，實(shí)驗(yàn)完畢。

4．注意事項(xiàng)

（1）試樣表面必須平整光潔。不能有氧化皮、明顯的加工痕跡、油污等。

（2）加卸載荷要平穩(wěn)，避免用力過猛。

（3）在非實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，不得搬動加載手柄，避免他人操作時(shí)造成壓頭損壞。

（4）不允許擅自轉(zhuǎn)動砝碼變換器，造成硬度值不準(zhǔn)。