《机械工程材料》热处理实验报告

实验名称 :   45钢（T10钢）的硬度测量和热处理 

班    级 :                                

实验人员 ：组长 :          学号：       

                组员：                       

                                               

                                               

                                               

实验日期 :        2011年12月12日   星期一    

指导教师 :                                       

T10钢淬火前后硬度测量实验报告

一、实验目的：

1、了解碳钢的基本热处理（退火、淬火及回火）工艺方法。

2、研究冷却条件与钢性能的关系。

3、分析淬火后的回火工艺其温度的选择对钢性能的影响。

二、实验设备及材料

1.HR—150A型洛氏硬度试验机。

2.试样:Φ20×10mm 45钢和。

3.实验用的箱式电阻加热炉(附测温控温装置)。

4.冷却剂：水 (使用温度约20℃)。

三、实验的相关原理和要求：

热处理是一种很重要的金属热加工的工艺方法，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。其基本工艺方法可分为退火、淬火及回火等。

（一）     钢的退火

钢的退火通常是把钢加热到临界温度Ac1或Ac3线以上，保温一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时，奥氏体在高温区发生分解，从而得到比较接近平衡状态的组织。一般中碳钢(如40、45钢)经退火后消除了残余应力，组织稳定，硬度较低(HB180～220)有利于下一步进行切削加工。实验的材料为45#钢，退火工艺中其加热温度选择为A_c3以上温度，此实验选择的温度为800ºC。

退火冷却方式：钢退火时，一般采用随炉冷却到600～550℃以下再出炉空冷。

（二）钢的淬火

钢的淬火：淬火就是将钢加热到A_c3（亚共析钢）或A_c1（过共析钢）以上30~50ºC，保温后放入各种不同的冷却介质中快速冷却(V冷＞V临)，以获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体组织。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。

1、淬火温度的选择

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-Fe_3c相图确定（如图3-1所示）。对45#钢的亚共析钢，其加热温度为A_c3+30~50ºC，此实验采用的加热温度为830º。若加热温度不足（低于780ºC的A_c3温度），则淬火组织中将出现铁素体而造成强度及硬度的降低；但过高的加热温度（如超过A_cm）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。

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温度所需的时间及在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，一般按经验公式加以估算。（经验公式：加热温度为800ºC的圆柱形工件，保温时间为1.0分钟/每毫米）。

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，以减少内应力，防止变形和开裂。为保证淬火效果，应选用适当的冷却介质（如水、油等）。此实验的淬火冷却介质选用水。

(三)  钢的回火

钢经经淬火后得到的马氏体组织质硬而脆,并且工件内部存在很大的内应力,如果直接进行磨削加工往往会出现龟裂；一些精密的零件在使用过程中将会引起尺寸变化而失去精度，甚至开裂。因此淬火钢必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的各种不同的组织和性能。

低温回火：回火温度150~250ºC；回火后的组织为回火马氏体+残余奥氏体+碳化物；性能特点是硬度高，内应力减少。

中温回火：回火温度350~500ºC；回火后的组织为回火屈氏体；性能特点是硬度适中，有高的弹性。

高温回火：回火温度500~650ºC；回火后的组织为回火索氏体；性能特点是具有良好塑性、韧性和一定强度相配合的综合性能。

对碳钢来说，回火工艺的选择主要考虑回火温度和保温时间这两个因素。

实验所用试样较小，故回火保温时间可为30分钟，回火后在空气中冷却。

回火冷却方式：碳钢回火时，一般采用在空气中冷却。

不同的回火温度对碳钢硬度的影响:
淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化，这必然会引起机械性能发生相应的变化。淬火钢的回火，实质上是一个软化过程，性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性提高。

(四)  不同的回火温度对碳钢硬度的影响

淬火钢在回火过程中发生了一系列的组织变化，这必然会引起机械性能发生相应的变化。淬火钢的回火，实质上是一个软化过程，性能变化的总趋势是，随着回火温度的升高，硬度、强度降低，而塑性、韧性提高。

(五)  碳钢含碳量对淬火后硬度的影响

在正常淬火条件下，钢的含碳量越高，淬火后的硬度也越高。但含碳量大于0.8%的钢，一般低碳钢淬后，硬度在HRC40左右；中碳钢淬火后，硬度可达HRC50～62；高碳钢淬火后，硬度高达HRC62～65。

附注： 洛氏硬度试验机的结构和操作

本实验使用华银HR-150A型洛氏硬度计。
HR—150A型（原H—100型）洛氏硬度试验机的结构(图2)。

图2 HR-150A型洛氏硬度计主要零部件

1.机身 2.加荷手柄 3.升降手把4.手轮5.丝杠保护套（内有丝杠）6.待测试件7主轴

8.小杠杆9.大杠杆10.调整块11.定位标记12.吊环13.螺钉14.砝码变换器15.砝码

16.油针17.油毡18.后盖19.缓冲器20.卸荷手柄21.压头22.上盖23.指示表

24变荷手柄25.工作台

四、实验指导和方法：

1、本区实验加热所用都为电炉，往炉中放、取试样必须使用夹钳必须擦干，不得沾有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。

2、试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。

3、试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不均而出现软点。

4、淬火时水温应保持20~30ºC左右，水温过高要及时换水。

淬火：

回火：

五、数据记录

第一组：（400ºC回火）

第二组：(600 ºC回火）

六、实验总结

由实验数据可知道，45号钢在热处理前得洛氏硬度值约等于5.0HRC,进行淬火（800度保温15分钟）后的洛氏硬度处60HRC---70HRC之间中温回火（400度保温30分钟）后的洛氏硬度处于30HRC---40HRC左右之间。高温回火（回火温度600ºC保温30分钟）回火后的洛氏硬度又有所下降，处于10HRC---20HRC之间。

45号钢在淬火后得到的“马氏体”，硬度明显增大，实验现象与理论相符合。淬火钢经过中温（400度保温30分钟）后得到的是“回火屈氏体”，较回火前硬度值有所下降。高温回火（温度600ºC保温30分钟）后得的组织为“回火索氏体”，较之前的洛氏硬度又有所下降。

淬火钢中温回火后洛氏硬度比低温回火后的洛氏硬度值低，说明淬火钢的回火随着回火温度的升高，硬度、强度降低，但塑性、韧性有所提高。

 

第二篇：机械工程材料期末考试

机械工程材料期末考试 作者：宇 已被分享6次 评论(0) 复制链接 分享 转载 举报

一．填空题（共30分，每空1分）

1．液态金属结晶的基本过程是 形核与晶核长大 。

2．铁素体（F）是碳溶于 α-Fe 所形成的间隙固溶体，其晶格类型

是： 体心立方 。

3. 检测淬火钢件的硬度一般用 洛氏（HRC） 硬度；而检测退火和正火钢件的硬度常用 布氏（HRB） 硬度。

4．GCr15钢是 滚动轴承钢 ，其Cr的质量分数是 1.5% 。

5．16Mn钢是 合金结构钢 ，其碳的质量分数是 0.16% 。

6．QT600-03中的“03”的含义是： 最低伸长率为3% 。

7. 钢与铸铁含碳量的分界点是： 2.11% 。

8．贝氏体的显微组织形态主要有 B上 和B下 两种，其中 B下 的综合性能好。

9．钢的淬火加热温度越高，淬火后马氏体中含碳量越 高 ，马氏体晶

粒越 粗大 ，残余奥氏体的量越 越多 。

10．钢加热时A的形成是由 A晶核的形成 、 A晶核向F和Fe3C两侧长大 、

残余Fe3C的溶解 、 A的均匀化 等四个基本过程所组成的。

11．一般表面淬火应选 中碳成分 钢，调质件应选用 中碳成分 钢。

13．碳钢常用的淬火介质是 水 ，而合金钢是 油 。

14．T10钢（Ac1≈727℃，Accm≈800℃）退火试样经700 ℃、780 ℃、860 ℃加热保温，并在水中冷却得到的组织分别是： P+Fe3C ， Fe3C+M+Ar ， M+Ar 。

15．渗碳钢在渗碳后缓慢冷却，由表面向心部的组织分布依次为：

P+Fe3CⅡ （网状） ， P ， P+F 。

得分

二．判断题（共10分，每小题1分） （正确 √ 错误 ×， 答案填入表格）

1． 在其他条件相同时，砂型铸造比金属型铸造的铸件晶粒更细。×

2． 固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。√

3． 珠光体、索氏体、屈氏体都是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。√

4． 碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加，

硬度、强度增加，塑性、韧性也随着增加。×

5．淬火临界冷却速度是钢获得马氏体的最小冷却速度。×

6．淬透性好的钢，其淬硬性也一定好。×

7．大部分合金钢的淬透性比碳钢好。√

8．正火的冷却速度比退火快，故同一钢种经正火处理后的组织较细，其强度、硬

度比退火高。√

9．由于淬火钢回火时的加热温度在A1以下，所以淬火钢在回火时没有组织变化。×

10．可锻铸铁具有一定的塑性，可以进行锻造加工。×

三．单项选择题（共15分，每小题1分） （请将答案填入表格）

1．表示金属材料屈服点的符号是：b

a. σe b. σS c. σb

2．引起钢的冷脆性的有害杂质元素是：b

a. 硫 b.磷 c. 硫和磷

3．固溶体的晶体结构特点是：a

a. 与溶剂相同 b. 与溶质相同 c. 形成新的晶体类型

4．钢在淬火后获得M组织的粗细主要取决于：b

a. A的本质晶粒度 b. A的实际晶粒度 c. A的起始晶粒度

5．高速钢的红硬性取决于：b

a.马氏体的多少 b. 淬火加热时溶于奥氏体中的合金元素的量 c.钢的含碳量b

6．室温下金属的晶粒越细，则：b

a. 强度越高，塑性越差 b. 强度越高，塑性越好 c. 强度越低，塑性越好

7．反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂，这是由于产生了：a a.加工硬化现象 b.再结晶现象 c.去应力退火

8．为了改善碳素工具钢的切削加工性，常采用的热处理是：b

a. 完全退火 b. 球化退火 c.再结晶退火

9．形状简单的工件淬火应选用a

a. 单液淬火 b. 双液淬火 c. 分级淬火

10．回火索氏体与索氏体相比a

a.塑性韧性好 b.强度硬度高 c.塑性韧性差

11．灰铸铁具有良好的抗压、减震性能，常用于制造c

a .曲轴 b.管接头 c.机床床身、底座、箱体

12．绑扎物件宜选用a

a.低碳钢 b.中碳钢 c.高碳钢

13．灰铸铁的石墨形态是a

a. 片状 b. 团絮状 c. 球状

14．钢的淬硬性主要取决于：a

a. 含碳量 b. 冷却介质 c.合金元素

15．下列说法错误的是b

a.金属材料的强度、塑性等可通过拉伸试验来测定

b.调质处理是淬火+低温回火

c.布氏硬度实验测定的数据准确、稳定、数据重复性好

得分

四．综合分析题（共25分）

1．（4分） 根据Fe-Fe3C相图，分析下列现象：

（1） wC＝1.2％的钢比wC＝0.8％ 的钢强度低；

（2）加热到1100℃，wC＝0.4％的钢能进行锻造，wC＝4％的铸铁不能锻造；

答：（1）wC＝0.8％ 的钢的室温平衡组织为100%P,而wC＝1.2％的钢的室温平衡组织为P+Fe3CⅡ，Fe3CⅡ硬而脆、呈网状使合金强度降低。

（2）1100℃时，wC＝0.4％的钢为单相A，塑性好，变形抗力低，能进行锻造；wC＝4％的铸铁为P+Fe3CⅡ+L’d，脆性大，不能锻造。

2．（5分）某钢的过冷奥氏体等温转变曲线如图所示，指出图中各点处的组织。

答案：

① B下

② P+F+A

③ P+F

④ B下＋A

⑤ M＋Ar

3．（8分）试为下列零件选材，并选择热处理工艺。

（1）手工锯条；（2）自行车座位弹簧；（3）连杆；（4）车刀。

备选材料：20、T8、T12、40Cr、9SiCr、 65Mn、W18Cr4V 、GCr15、Cr12MoV。

答：

（1） 手用锯条： T12， 球化退火 → 淬火 + 低温回火

（2） 自行车座位弹簧：65Mn， 淬火 + 中温回火

（3） 连杆：40Cr，淬火+高温回火

（4） 车刀：W18Cr4V，

退火（完全退火或等温退火）→ 高温淬火 + 560℃三次回火

4．（8分） 根据下列零件的性能要求及技术条件选择热处理工艺方法，画出工艺曲线，并指出其在使用状态下的显微组织。。

（1）用45钢制作的某机床主轴，要求该轴有良好的综合机械性能，其轴颈部分和轴承接触要求耐磨（52～56HRC）

（2）用20CrMnTi制作的汽车传动齿轮，要求表面高硬度、高耐磨性，（58～63HRC）

答：

（1）

AC3+100～150 ℃

热处理工艺方法和工艺曲线：

AC3+30～50 ℃

AC3+30～50 ℃

炉 水

表面淬火

500～650 ℃

空冷

淬火

冷 冷

150～250 ℃

正火或

完全退火

高温回火

o

低温回火

冷

使用状态下的显微组织：表面M回 心部S回

（2）热处理工艺方法和工艺曲线：

AC3+30～50 ℃

900～950 ℃

AC3+30～50 ℃

空 缓

正火

渗碳

冷 冷 水冷

150～250 ℃

空冷

低温回火

使用状态组织：表面——（高碳）回火M+K+Ar

心部——（低碳）回火M 或 回火M+F（淬不透时）

得分

五．（20分）Fe—Fe3C亚稳平衡相图如图，要求：

1．（4分）填写各相区组织

2．（6分）指出GS、ES、PSK线的代号，并说明其含义

3．（4分）说明S、C点的意义，并写出共析、共晶反应式

4．（6分）分析T12钢从液态缓冷至室温的平衡结晶过程，绘出室温平衡组织示意图，并用杠杆定律计算其组织相对量。

答：

2．GS、ES、PSK线的代号分别是： A3 ， Acc m ， A1 ；

A3 ：A和F的两相平衡线

Ac m ： C在A中的溶解度曲线

A1：共析线

3． S点：共析点，共析反应式为： 。

C点：共晶点，共晶反应式为： 。

4．

结晶过程： L →L+A→A→ A+ Fe3CⅡ → P+ Fe3CⅡ

室温平衡组织示意图：

室温平衡组织组织相对量：