碳钢的热处理及硬度测定

实验Ⅱ　碳钢的热处理及硬度测定

一、实验目的

（1）掌握碳钢热处理基本工艺的（退火、正火、淬火及回火）操作方法。

（2）分析含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等因素对碳钢热处理后性能的影响。

（3）熟悉硬度计的使用方法。

二、概述

钢的热处理就是通过加热、保温和冷却改变其内部组织，从而获得所要求性能的一种操作方法。加热温度、保温时间和冷却方式三个工艺参数的选择是热处理的关键。

1．加热温度

（1）退火加热温度：

亚共析钢采用完全退火，其加热温度为A_c3+30～50℃。共析钢和过共析钢采用球化退火，其加热温度为A_c1+30～50℃，得到球状珠光体，目的是降低硬度、改善切削性能，为淬火做好准备。

（2）正火加热温度：亚共析钢为A_c3+30～50℃，过共析钢为A_ccm+30～50℃。

（3）淬火加热温度：亚共析钢为A_c3+30～50℃，共析钢、过共析钢为A_c1+30～50℃。

钢的成分、原始组织及加热速度等影响临界点A_c1、A_c3及A_ccm的位置，在热处理手册中可以查到各种钢的临界温度。材料加热时必须加热到规定的温度，但不能过高，温度过高，会产生晶粒粗大、氧化、脱碳等缺陷。常见碳钢的临界温度如表Ⅱ-1所示。

表Ⅱ-1　碳钢的临界温度

（4）回火温度：钢淬火后要进行回火，回火温度取决于最终所要求的组织和性能。按加热温度回火分为低温、中温、高温三种。

低温回火：淬火钢在150℃～250℃进行回火，得到的组织为回火马氏体，硬度约为60HRC左右。目的为降低淬火后工件的内应力，减小钢的脆性，并保持钢的高硬度和高耐磨性。低温回火常用于各种工具、量具和轴承等工件的处理。

中温回火：淬火钢在350℃～500℃的回火称为中温回火，得到的组织为回火屈氏体，硬度约为40～48HRC。其目的为获得高的弹性极限，同时又有高的韧性。其主要用于弹簧钢的处理。

高温回火：淬火钢在500℃～650℃的回火称为高温回火，得到的组织为回火索氏体，硬度约为25～35HRC。其目的是获得既有一定强度和硬度，又有良好韧塑性的综合性能。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。

回火温度的确定也可根据工件硬度要求按经验公式近似估算

T/℃=200+K（60－X）

式中，K为系数，当回火硬度值要求大于30HRC时，K=11；当回火硬度值要求小于30HRC时，K=12；X为工件所要求的硬度值；T/℃为回火温度。

2．保温时间的确定

为了使工件各部分温度均达到指定温度，完成组织转变并使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度保温一定时间。通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，并统称为加热时间。

热处理加热时必须考虑许多因素，例如，工件的尺寸和形状；使用的加热设备及装炉量；装炉温度；钢的成分和原始组织；热处理的要求和目的等。

实际工作中多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，按工件厚度每毫米1.5分钟估算；合金钢按每毫米2分钟估算；在盐浴炉中保温时间可缩短1～2倍。具体时间可参考热处理手册的有关数据。

3．冷却方法

冷却是热处理的关键工序，它直接影响到热处理后的组织和性能。

退火：一般采用随炉冷却。

正火（或常化）：多采用在空气中冷却，大件常进行吹风冷却。

淬火的冷却方法非常重要。一方面冷却速度要大于临界冷却速度以保证过冷奥氏体发生马氏体转变，另一方面冷速在保证发生马氏体转变的前提下应尽量缓冷，以减少内应力避免变形和开裂。为此在淬火冷却时，应尽量靠近理想冷速冷却，即高温慢冷，在C曲线的鼻部（650℃～500℃）快冷，低温慢冷。生产中在单液淬火的基础上，采用双液淬火、分级淬火、等温淬火等方法都是既要保证组织转变又能减少应力变形的具体措施。

三、实验仪器及设备简介

图Ⅱ-1　电阻炉温控原理图

热处理实验所用仪器设备为小功率箱式电阻炉（又称马弗炉）。炉温控制由热电偶和温度控制器构成。

电阻炉由炉膛、电阻丝、保温材料及炉壳组成，功率一般在2～4kW。

炉温的测量借助于热电偶，热电偶是将两根不同材料的金属丝一端焊接起来，我们把焊接端称为热端，另一端称为冷端。当焊接端被加热时，则在冷端产生一定的温差电动势，电动势的大小决定于加热温度的高低。因此我们可通过测量温差电势的大小来得知炉温的高低。

温度控制器主要由毫伏表、电子振荡器和继电器三部分构成。毫伏表与热电偶相接，显示温差电动势的大小，并通过指针在表盘上指示出炉子的实际温度值，所以我们可直接从表上读出炉温。电子振荡器是控制温度的。继电器是执行机构，以接通或切断电炉电源。加热时当温度指示针与给定指针所指温度重合时，指示针上的小铝片进入振荡器线圈，使振荡器的输出功率减小，继电器释放触点，电源被切断，电阻炉停止加热。当炉温下降时，带有铝片的指针退出振荡器线圈，使振荡器输出功率增大，继电器触点吸合接通电源，电阻炉继续加热。如此循环不已，使炉温自动恒定在给定指针所指定的温度值附近。炉温控制原理如图Ⅱ-1所示。目前电阻炉温度多采用数字显示、可控硅控制，其优点为精度高、误差小。

四、实验内容及方法指导

实验分四个小组，每组取三块样品。

1．第一组取含碳量分别为0.2%，0.45%、1.0%的试样，分别按淬火加热规范加热，保温后在水中淬火，处理后测定试样硬度，分析含碳量对淬火硬度的影响。

2．第二组取含碳量为0.45%的试样三块，分别加热至650℃、760℃、830℃。保温后在水中淬火，然后测定其硬度。分析加热温度对淬火硬度的影响。

3．第三组仍取含碳量为0.45%的试样三块，加热至830℃，保温后分别在水、油和空气中冷却，然后测定试样硬度，分析冷却速度对碳钢处理后硬度的影响。

4．第四组取含碳量为1.0%的试样三块，加热至A_c1以上30℃～50℃，保温后在水中淬火，并测定硬度，再分别进行200℃、400℃、600℃回火（保温20min后空气冷却），然后再测定硬度，分析回火温度对碳钢处理后硬度的影响。

5．实验结果分析与讨论以大组为单位进行。

6．试样按工艺温度要求选择炉子进行加热。保温时间按试样直径每毫米1～1.5分钟计算。

7．淬火前试样硬度值如表Ⅱ-2所示。淬火后的样品一律用洛氏硬度计测定硬度。

表Ⅱ-2　材料淬火前硬度值

五、注意事项

1．本实验加热所用设备为电炉，操作一定要注意安全，在放、取样时必须先切断电源。

2．往炉中放取试样必须使用夹钳等工具，入炉前必须擦干，不得沾有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长。

3．淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。

4．试样在淬火液中应不断搅动，以免冷却不均出现软点。淬火水温应保持20℃～30℃，水温过高要及时换水。

5．热处理后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测硬度值。

六、实验报告要求

1．每人列表格，写出各组实验工艺及数据。

2．简述碳钢淬火硬度与含碳量的关系。

3．分析加热温度，冷却速度对热处理后钢性能的影响。

4．绘制T10钢回火温度与硬度的关系曲线图并分析硬度变化的原因。

5．分析实验中存在的问题。附：硬度测定

一、概述

硬度是材料抵抗较硬物体压入其表面所表现出的塑变抗力。硬度测量能给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形能力越大，材料产生塑性变形就越困难。因硬度与其他机械性能（如强度、塑性）之间有着一定的内在联系，因此，硬度的大小对机械零件和工模量具的使用性能及寿命有着决定性的意义。由于硬度操作简便，不损坏工件，因此在生产和科研上应用十分广泛。硬度的试验方法很多，应用较多的是压入法。其主要特点是：

（1）试验时，应力状态最软（即最大切应力远远大于最大正应力），因而不论是塑性材料还是脆性材料都能发生塑性形变。

（2）材料的硬度值与抗拉强度之间有近似的正比关系，因而可根据硬度测量结果估算其强度值。

σ_b =K·HB

式中，σ_b为材料的抗拉强度；K为系数；HB为布氏硬度值；退火碳钢K=0.34～0.36；调质合金钢K=0.33～0.35；铸铝K=0.26。

（3）硬度测试后由于仅在金属表面局部体积内产生小压痕，不损坏零件，因而适合于对表面要求不高的成品检验。

（4）设备简单，操作迅速方便。零件图纸技术要求上，往往只标注硬度值。

二、布氏硬度

1．基本原理

布氏硬度试验基本原理可参考教材第二章，F/D2具体试验参数按第二章表2-2选择。

2．布氏硬度测定的技术要求

（1）试样表面必须平整光洁，粗糙度值应不大于2.5μm。若钢球直径为2.5mm时，粗糙度值应不大于1.25 μm，以使压痕边缘清晰，保证压痕直径测量精确。

（2）钢球直径、负荷大小及保持时间按表2-2选择。

（3）试样厚度应不小于压痕深度的10倍。压痕直径d应在0.25D~0.6D范围之内

（4）压痕中心至试样边缘距离不小于压痕直径的2.5倍，两相邻压痕中心之间距离不小于压痕直径的4倍。

（5）用读数显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值，两压痕直径之差不应超过较小直径的2%。

6．为了表明试验条件，可在HB值后标注D/F/T，如HB10/3000/10，即表示此硬度值是在D=10mm，F=3000kg，T=10s的条件下测定的。

3．布氏硬度机的构造和操作

（1）HB-3000型布氏硬度试验计的外形结构如图Ⅱ-2所示。

图Ⅱ-2　HB-3000型布氏硬度试验计外形结构图

其主要部件及作用如下：

①机体与工作台：在机身前台面装有丝杠座、丝杠、立柱和工作台，通过旋转手轮可使工作台上下移动。

②杠杆机构：由大杠杆、小杠杆、吊环、压轴等组成。负荷的施加由电动机带动减速器、曲柄及连杆，通过杠杆系统对试样进行自动加荷和卸荷。

③压轴部分：用以保证工作时试样与压头中心对准。

④减速器部分：电机带动减速器，减速器带动曲柄、连杆及叉形摇杆，通过杠杆机构将载荷自动加到压轴上或从压轴上卸除。

⑤换向开关系统：是控制电机回转方向的行程装置，以使加卸载荷自动进行。

（2）操作前的准备工作

①选择好压头、载荷、及保持时间。

②把选好的压头擦拭干净，装入主轴衬套中并紧固好，将砝码吊架挂在杠杆尾部的刀刃上，并在砝码吊架上加上相应的砝码。

③根据选定的保荷时间，将紧压螺钉拧松，把圆盘定位器的红色指示点转到与保荷时间相符的位置上。

④安装好所需工作台。

⑤打开电源开关，红色指示灯亮，证明电源正常。

（3）操作方法

①将试样放在工作台上，顺时针转动手轮，使压头与试样表面接触，直至手轮与螺母产生相对滑动为止。此时工作台不再上升，说明压头与试样已接触好。

②按下启动按钮，电动机运转开始加载。此时因紧压螺钉已拧松，圆盘并不转动。当蓝色指示灯燃亮时，迅速拧紧紧压螺钉，使圆盘顺时针转动，达到所要求的保荷时间后，蓝色指示灯熄灭，电机开始卸载，载荷卸除后转动自行停止。

③逆时针转动手轮，取下试样。用读数显微镜测出压痕直径，通过查表即得HB值。

4．注意事项

（1）实验时一定要使试件表面与压头接触好。参看（3）操作方法①。

（2）保荷时间要调整好，并注意当蓝色指示灯燃亮时，一定要将定时器紧压螺钉拧紧。之前是松的。

（3）如操作中出现不停机或不正常现象，应及时向老师汇报，由老师进行处理。

（4）测量压痕直径时，读数显微镜缺口要面向光源。旋转测微鼓轮时，注意不要超过它的测量范围。

三、洛氏硬度

1．基本原理

洛氏硬度试验基本原理可参考教材第二章，本试验选择HRC。

2．洛氏硬度测定的技术要求

（1）根据被测金属材料的硬度高低，按表2-3选择压头和载荷。

（2）试样表面应平整光洁，不得有氧化皮或油污以及明显的加工痕迹。

（3）试样厚度应不小于压入深度的10倍。

（4）两相邻压痕及压痕离试样边缘的距离不应小于3mm。

（5）加载时力的作用线必须垂直于试样表面。

3．洛氏硬度计的结构和操作

（1）HR-150A型洛氏硬度计的结构如图Ⅱ-3所示：主要由机体、加载机构、测量指示机构及工作台等组成。

图Ⅱ-3　HR-150A洛氏硬度计结构图

（2）加载机构由主轴、杠杆、刀刃、砝码、缓冲器、砝码变换机构、操作手柄等组成。缓冲器的作用使主载荷施加能保持一定的速度，避免冲击现象。

（3）测量指示机构由指示器及顶杆、小杠杆等零件组成。预载荷和硬度值由指示器得知和读出。

（4）操作规程

①根据材料的软硬状态按表2-6选好压头和载荷，根据被测试样的形状调选合适的工作台。

②装好压头，调整好载荷，安装好工作台。

③将试样放在工作台上，顺时针旋转手轮使试样表面与压头缓慢接触，继续旋转使表盘上的大指针转三圈并竖直向上，小指针由“0”指向“3”。如大指针未与表盘上C点的零刻度对齐，可转动表盘使零刻度与指针对齐。此时表示预载荷加好。

④缓慢扳动加载手柄（按箭头指示方向），施加主载荷。此时指针逆时针转动，当指针停稳约3～4s后，按箭头指示方向缓慢推回卸载手柄，卸除主载荷，此时大指针退回若干格，这时指针所指刻度即是该材料的洛氏硬度值。HRC、HRA读表盘上的黑刻度值，HRB读表盘上的红刻度值。

⑤逆时针转动手轮，取出试样，实验完毕。

4．注意事项

（1）试样表面必须平整光洁。不能有氧化皮、明显的加工痕迹、油污等。

（2）加卸载荷要平稳，避免用力过猛。

（3）在非实验状态下，不得搬动加载手柄，避免他人操作时造成压头损坏。

（4）不允许擅自转动砝码变换器，造成硬度值不准。