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钢的热处理及其对组织和性能的影响
一、实验目的
1． 熟悉钢的几种基本热处理操作（退火、正火、淬火及回火）；
2． 研究加热温度、冷却速度及回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能的影响； 3． 观察和研究碳素钢经不同形式热处理后显微组织的特点； 4． 了解材料硬度的测定方法，学会正确使用硬度计。
二、实验概述
钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。
1. 加热温度选择 （1）退火加热温度
一般亚共析钢加热至AC3＋(20～30)℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至AC1＋(20～30)℃（球化退火），目的是得到球化体组织，降低硬度，改善高碳钢的切削性能，同时为最终热处理做好组织准备。 （2）正火加热温度
一般亚共析钢加热至AC3＋(30～50)℃；过共析钢加热至ACm＋(30～50)℃，即加热到奥氏体单相区。退火和正火加热温度范围选择见图3-1。
（3）淬火加热温度
一般亚共析钢加热至AC3＋(30～50)℃；共析钢和过共析钢则加热至AC1＋(30～50)℃，加热温度范围选择见图3-2。
淬火按加热温度可分为两种：加热温度高于AC3时的淬火为完全淬火；加热温度在AC1
和AC3（亚共析钢）或AC1和ACCm（过共析钢）之间是不完全淬火。在完全淬火时，钢的淬火组织主要是由马氏体组成；在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织，过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。亚共析钢用不完全淬火是不正常的，因为这样不能达到最高硬度。而过共析钢采用不完全淬火则是正常的，这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。
在适宜的加热温度下，淬火后得到的马氏体呈细小的针状；若加热温度过高，其形成粗
图1 退火和正火的加热温度范围 图2 淬火的加热温度范围 针状马氏体，使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。 （4）回火加热温度
钢淬火后都需要进行回火处理，回火温度取决于最终所要求的组织和性能（工厂常根据硬度的要求），通常按加热温度的高低，回火可分为以下三类。
低温回火：加热温度为150℃～250℃。其目的主要是降低淬火钢中的内应力，减少钢的脆性，同时保持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。
中温回火：加热温度为350℃～500℃。其目的主要是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于各种弹簧热处理。
高温回火：加热温度为500℃～650℃。其目的主要是获得既有一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性的综合机械性能。通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。主要用于处理中碳结构钢，即要求高强度和高韧性的机械零件，如轴、连杆、齿轮等。 2. 保温时间的确定
为了使工件内外各部分温度均达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解奥氏体成分均匀化，必须在热处理加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。
热处理加热时间必须考虑诸多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子的温度，钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。
实际工作中常根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度（或直径）每毫米一分钟 到一分半钟估算；合金钢按每毫米两分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短1～２倍。 对钢件在电炉中保温时间的数据可参考表3-1。
表1 钢件在电炉中的保温时间选择参考数据
材料 碳钢 工件厚度或直径(毫米) ﹤25 25～50 50～75 低合金钢 ﹤25 25～50 50～75 保温时间（分） 20 45 60 25 60 60 当工件厚度或直径小于25毫米时，可按每毫米保温一分钟计算。 3. 冷却方式和方法
热处理时冷却方式（冷却速度）影响着钢的组织和性能。选择适当的冷却方式，才能获得所要求的组织和性能。
退火一般采用随炉冷却。
正火采用空气冷却，大件可采用风冷。
淬火的冷却方法非常重要。冷却速度是钢在淬火过程中最主要的因素，它直接影响淬火产物和性能。一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免工件变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和冷却方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650℃～550℃)快冷，超过临界冷却速度，以防珠光体类型转变发生；而在马氏体转变区域范围内(300℃～100℃)，
则冷却减慢，以减少淬火工件产生的应力。理想的冷却速度如图3-3所示。
3 淬火时的理想冷却曲线示意图
淬火介质不同，其冷却能力不同，因而工件的冷却速度也就不同。合理选择冷却介质是保证淬火质量的关键。对于碳钢来说，用室温的水作淬火介质通常能保证得到较好的结果。
目前常用的淬火介质和它们冷却能力见表3-2。
表2 常用的淬火介质和其冷却能力数据
淬火介质 水（18℃） 水（20℃） 水（50℃） 水（74℃） 10％苛性钠水溶液（18℃） 10％氯化钠水溶液（18℃） 50℃矿物油 冷却速度℃/秒 在650～450℃区间内 600 500 100 30 1200 110 150 在200～300℃区间内 270 270 270 270 300 300 30
4. 碳钢热处理后的组织
碳钢经热处理后的组织，可以是接近平衡状态（如退火、正火）的组织，也可以是不平衡组织（如淬火组织）。因此在研究热处理后的组织时，不但要用铁碳相图，还要用钢的Ｃ曲线来分析。
铁碳相图能够说明慢冷时不同碳质量分数的铁碳合金的结晶过程和室温下的组织，计算相的质量分数。而C曲线则能够说明一定成分的铁碳合金在不同冷却条件下的过冷奥氏体发生不同类型的转变过程及能够得到的组织。
钢从奥氏体状态经缓慢冷却后，其组织（按平衡状态看）分别由珠光体（共析钢）或铁素体＋珠光体（亚共析钢）或珠光体＋二次渗碳体（过共析钢）所组成。但随着冷却速度的加快，则冷却后将形成各种不平衡组织。
当冷却速度不太大时，则过冷奥氏体分解形成珠光体类型的索氏体或屈氏体组织（共析钢）。
当冷却速度较快时，因过冷奥氏体来不及分解，直接形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，即马氏体组织。它的强度、硬度很高，但同时使钢的塑性大大下降，并有很大的残余应力出现。
当采用等温冷却时，在中温相转变区的产物是贝氏体组织。依据转变温度的高低，贝氏
体又分为上贝氏体和下贝氏体两种类型。 （1）碳钢的退火和正火组织
亚共析碳钢（如40钢、45钢等）一般采用完全退火，经退火后可得接近平衡状态的组织，其组织形态特征已在实验一中做过观察和分析。过共析碳钢（如T10钢、T12钢）则采用球化退火，退火后组织中的二次渗碳体和珠光体中的渗碳体都呈球状（或粒状）。 （2）钢的淬火组织
钢淬火后通常得到马氏体组织。当奥氏体中含碳质量分数大于0.5%时，淬火组织为马氏体和残余奥氏体。马氏体可分为两类板条马氏体和片（针）状马氏体。 （3）淬火后的回火组织
回火是将淬火后的钢件加热到指定的回火温度，经过一定时间的保温后，空冷到室温的热处理操作。回火时引起马氏体和残余奥氏体的分解。
低温回火(150～250℃)组织为回火马氏体，马氏体内析出碳化物形成回火马氏体，残余奥氏体也转变为回火马氏体。回火马氏体易受侵蚀，组织呈暗色针状。回火马氏体具有高的强度和硬度，而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。
中温回火(350～500℃)组织为回火屈氏体，它是由铁素体和粒状渗碳体组成的极细密混合物。回火屈氏体有较好的强度，最高的弹性，较好的韧性。
高温回火（500～650℃）组织的回火索氏体，它是由粒状渗碳体和等轴形铁素体组成混合物。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。
值得注意的是：回火所得到的回火索氏体和回火屈氏体与由过冷奥氏体直接分解出来的索氏体和屈氏体在显微组织上是不同的，前者中的渗碳体呈粒状而后者则为片状。
各种组织的硬度性能指标范围如下：
珠光体10～20HRC，索氏体22～25HRC，屈氏体36～42HRC，马氏体62～65HRC；回火马氏体约60HRC ，回火屈氏体40～48HRC，回火索氏体25～35HRC。 5. 硬度试验与硬度计的使用
硬度是指金属材料抵抗比它硬的物体压入其表面的能力。硬度越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大。它是重要的力学性能指标之一，它与强度、塑性指标之间有着内在的联系。硬度试验简单易行，又不会损坏零件，因此在生产和科研中应用广泛。
常用的硬度试验方法有：
布氏硬度试验——主要用于黑色、有色金属原材料检验，也可用于退火、正火钢铁零件的硬度测定。所用设备为布氏硬度计。
洛氏硬度试验——主要用于金属材料热处理后的产品性能检测。所用设备为洛氏硬度计。
维氏硬度试验——主要用于薄板材或金属表层的硬度测定，以及较精确的硬度测定。所用设备为维氏硬度计。
显微硬度试验——主要用于测定金属材料的组织组成物或相的硬度。所用设备为显微硬度计。
（1）布氏硬度试验 1) 原理
用载荷为P的力,把直径为D的淬火钢球压入金属试件表面，并保持一定时间，而后卸除载荷，测量钢球在试件表面上所压出的压痕直径d，据此计算出压痕球面积F，然后再计算出单位面积所受的力（P/F值），用此数字表示试件的硬度值，即为布氏硬度，用符号 HB表示。布氏硬度试验原理如图3-11所示。