郑州航空工业管理学院
金属材料及热处理
课程设计
学生专业： 材料成型及控制工程
学生姓名：
学生学号：
所在学院： 机电工程学院
指导老师：
报告日期： 2015 年 5 月 14 日
目录
TOC \o "1-5" \h \z 一、 实验综述 （ 3）
\o "Current Document" 二、 实验目的 （ 8）
\o "Current Document" 三、 实验设备 （ 8）
\o "Current Document" 四、 实验过程 （8）
\o "Current Document" 五、 实验结果 （9）
\o "Current Document" 六、实验结果分析 （ 12）
\o "Current Document" 七、 结论 （12）
\o "Current Document" 八、 参考文献 （ 13）
实验综述
45 号钢综述
45 号钢为优质碳素结构用钢 , 硬度不高易切削加工 , 模具中常用来 做模 板,梢子,导柱等,但须热处理 。45 号钢主要成分为 Fe（铁元素），且含有以下 少量元素：
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
0.42 ～ 0.50%
0.17 ～ 0.37%
0.50 ～ 0.80
≤0.040%
≤ 0.0450%
≤ 0.25%
≤ 0.25%
≤ 0.25%
热处理是一种很重要的金属热加工的工艺方法， 热处理是根据钢在固态下组 织转变的规律，通过不同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，达到改善刚 才性能的一种热加工工艺。
热处理一般是由加热、 保温、和冷却三个阶段组成的， 其基本工艺方法可分为退火、淬火及回火等，本次试验要求是淬火与回火。
（一）钢的淬火
钢的淬火：淬火是指将钢加热到临界温度以上， 保温后以大于临界冷却速度 的速度冷却， 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。
淬火的目的就是为了获得马 氏体，并与适当的回火工艺相配合， 以提高刚的力学性能。
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）淬火温度选择 正确选定加热温度是保证淬火质量的重要一环。
淬火加热温度的选择应以得 到细小的奥氏体晶粒为原则， 以便淬火后获得细小的马氏体组织。
淬火时的具体 加热温度主要取决于钢的临界点确定， 钢的淬火温度可根据 （如图 1 所示）进行 选择。对 45#钢的亚共析钢，其加热温度为 Ac3+30~50oC，此实验采用的加热温 度为 790o。若加热温度不足（低于 780oC的 Ac3 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 Acm）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。
图表 1
图表 1
（2）保温时间的确定
淬火保温时间是指工件装炉后， 从炉温上升到淬火温度时算起， 知道出炉位 置所需要的时间。
保温时间包括工件透热时间和组织转变所需要的时间。
保温时 间的影响因素比较多， 与钢的成分、 工件的形状尺寸、 所需的加热介质及加热方 法等因素有关， 一般可按照经验公式来估算， 碳钢在电炉中加热时间的计算如图
表 2 所示。
加热 温度（° C）
工件形状
圆柱形
方形
板形
保温时间
分钟 /每毫米直径
分钟 / 每毫米厚度
分钟/ 每毫米厚度
700
1.5
2.2
3
800
1.0
1.5
2
900
0.8
1.2
1.6
1000
0.4
0.6
0.8
图表 2
（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，以减少钢中的内应力，防止变形和开裂。为此，可根据 C 曲线图（如图 表 3 所示），使淬火工作在过冷奥氏体最不稳定的温度范围（ 650～ 550℃）进行
快冷（即与 C曲线的“鼻尖”相切） ，而在较低温度（ 300～100℃）时冷却速度
图表 3
本实验将加热温度定在 790 oC，保温 30分钟后进行水冷。为了保证淬火效果 应选用合适的冷却方法（如双液淬火、分级淬火等 ） 。不同的冷却介质在不同的 温度范围内的冷却速度有所差别。各种冷却介质的特性见表 4。
表4 几种常用淬火介质的冷却能力
冷却介质
在下列温度范围内的冷却速度（℃ / 秒）
650～550℃
300～200℃
18℃的水
600
270
50℃的水
100
270
10％NaCl水溶液（ 18℃）
1100
300
10％NaoH水溶液（ 18℃）
1200
300
10％NaoH水溶液（ 18℃）
800
270
蒸馏水（ 50℃）
250
200
硝酸盐（ 200℃）
350
10
菜籽油（ 50℃）
200
35
矿务机油（ 50℃）
150
30
变压器油（ 50℃）
120
25
（二）钢的回火
回火是将淬火后的零件加热到低于 A1的某一温度并保温， 然后以适当的方 式冷却到室温的热处理工艺。
钢经淬火后得到的马氏体组织硬而脆， 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 在使用过程中将会由于变形引起尺寸变化而失去精度， 甚至开裂。
因此钢淬火后 必须进行回火处理。不同的回火工艺可以使钢获得所需的性能。图表 5为 45钢 淬火后经不同温度回火后的组织及性能。
类型
回火温度
（°C）
回火后的组织
回火后硬度
（HRC）
性能特点
低温回火
150～250
回火马氏体 +残 余奥氏体 +碳化 物
60～57
硬度高，内应力
小
中温回火
350～500
回火屈氏体
35～45
硬度适中，有较
高的弹性
高温回火
500～ 650
回火索氏体
20～33
具有良好塑性、 韧性和一定强度 相配合的综合性 能
图表 5
对碳钢来说， 回火工艺的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。
也可 以采用经验公式近似地估算回火温度。例如 45 钢回火温度的经验公式为：
T（℃）≈ 200＋ K（60－χ）
式中： K——系数，当回火后要求的硬度值＞ HRC30时， K=11；＜ HRC时，K=12。
χ——所要求的硬度值（ HRC）。
回火温度：在实际生产中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火
温度的 依据。回火冷却方式：碳钢回火时，一般采用在空气中冷却。
（3） 观察金相操作方法
掌握金相显微试样的制备过程和基本方法，并观察、认识其金相显微组织；
（1） 实验仪器及材料
1 仪器：台式金相显微镜、预磨机、砂纸、抛光机、吹风机等。
2 材料；待磨试样每人一块； 各号金相砂纸一套； 腐蚀剂； 无水乙醇； 4 ％
硝酸酒精；制备好的工业纯铁试样，棉球、镊子等。
内容
在利用金相显微镜观察、分析和研究金属材料的金相显微组织时，需要在该 材料的典型部位截取样块， 然后通过一系列的制备过程， 制成符合要求的金相显 微试样。即在金相显微镜下可以观察到很清晰的金相显微组织， 其整个过程即为 磨片。
机械抛光 机械抛光可分为粗抛和细抛两个步骤，均在抛光机上进行。粗抛时转速要高 些，细抛或抛软材料时转速要低些， 所用抛光材料由抛光布和抛光粉， 抛光布蒙 在抛光盘上，不同要求应适当选用不同的抛光布。粗抛时常用帆布、粗呢等，精 抛时常用绒布、细呢、丝绸等。机械抛光的方法及注意事项如下：
A．抛光粉要配制成抛光液使用，比例大约为 水：粉＝ 20： 1 左右。
B．抛光时应使试样磨面均衡地压在旋转着地抛光盘上，压力不宜过大，并 应使试样沿抛光盘的半径方向从中心到边缘来回移动。
C． 抛光过程中要不断注入适量的抛光液，抛光布上的抛光液不宜太多或太 少，以试样表面提起后几秒内能干为宜。
D．抛光后期，应使试样在抛光盘上各方向转动，以防止钢中夹杂产生拖尾 现象。
E．抛光时间不宜过长，以防抛光表面层金属变形。
化学浸蚀 经抛光后而没有浸蚀的试样在显微镜下除了能观察到非金属夹杂物(石墨、 氧化物、硫化物等)及其本身所具有的孔洞、裂纹等缺陷之外，看不到金属内部 的组织，必须经过浸蚀。
利用化学浸蚀剂，通过化学或电化学作用显示金属的组织： 浸蚀方法：将已抛光好的试样磨面先用轻水冲洗干净， 然后用酒精棉清擦一 遍，再将试样浸入浸蚀剂中， 或用镊子夹着蘸上浸蚀剂的棉球擦其磨面。
浸蚀的 时间依不同合金及不同组织而定， 一般碳钢和铸铁浸蚀的时间大约在 10 ～15 秒 内即可。用酒精冲洗干净，吹干，将浸蚀完的试样放在显微镜下，就可以观察到 金属内部的显微组织。
化学浸蚀剂种类很多，一般碳钢及铸铁所用浸蚀剂为 3～ 5％的硝酸酒精
电子摄像技术 将磨好的金相试样放在显微镜的载物台上，选好放大倍数以后，调整粗调手 轮和微调手轮， 直接在与显微镜相连的电脑显示屏幕上调清楚焦距， 获得清晰的 金相图片。
二、实验目的
学习热处理加热炉、 硬度计、 金相显微镜等设备的原理、 结构以及操作规范。
学习 45钢淬火、回火热处理规范、硬度测试规范、金相试样加工规范、组织 测试规范。让我们理论联系实践更加充分的学习理解我们所学的知识。
三、实验设备
1、箱式电阻炉；型号：砂型 sx2-4-10；额定功率 4kw；额定电压 220v；额定温度 1000℃；炉膛尺寸 300×200×120mm。
2、淬火：水(使用温度约 20℃)
3、TH300洛氏硬度机砂轮机；金相砂纸； MPOTM160磨E抛机；吹风机；抛光剂氧 化铬 抛光织物：纺绸 OLYMPUSG X51光学显微镜：放大倍数分别为： 200倍， 400 倍， 500倍。
4、试样材料： 45钢
四、实验过程
1、热处理前硬度测试对工件进行略微打磨， 测量试样的硬度一共 5次。目的是去 除工件表面的氧化物，使测量结果更准确。
2、对45钢进行淬火
( 1)打开加热炉。使其温度上升 790oC将试样置于加热炉中待温度上升到 850oC 开始计时，保温 30分钟；
(2)30 分钟后取出放入水中进行水冷；
(3) 待试样完全冷却， 用磨砂纸将其表面磨平整光滑。
对试样进行抛光 腐蚀后观 察金相；
测量试样的硬度一共 5次。并计入表格中。
3、对45钢进行回火
图
图9
（ 1）打开加热炉。使其温度上升到 500oC将试样置于加热炉中待温度上升到 500 oC始计保温时间 30分钟；
（ 2）保温后断开开关使得试样随炉冷却到 340oC以下，取出空冷至室温；
（ 3）待试样完全冷却， 用磨砂纸将其表面磨平整光滑。
对试样进行抛光 腐蚀后 观察金相；
（ 4）测量试样的硬度一共 5次。并计入表格中
五、实验结果
1、淬火前的硬度
测量次数
1
2
3
4
5
硬度 （HRC）
21.0
22.3
19.8
19.5
20.5
图表7
分析：试样中心和边沿的硬度明显不同， 测量时尽量选择中心处测量。
可以减小 因测量点不同或人为操作失误造成的误差
2、淬火后的硬度
测量次数
1
2
3
4
5
硬度 （HRC）
51.2
49.7
51.5
50.2
51.8
图表 8
分析：与淬火前相比， 淬火后的硬度明显增大。
说明适当的淬火可以增大材料的 硬度
3、回火后的硬度
测量
硬 量次
保 度 数 温（
HR
时 HC R ）
时间
1
2
3
4
5
平均
0.5
40.5
41.2
40.6
41.8
40.1
40.7
图表 10
分析：与淬火前相比， 回火后钢的硬度明显大于钢的原始硬度， 但比淬火后的硬
度小些。说明回火后钢的硬度降低了
图11
4、45号钢工艺照片
淬火后在显微镜观察到的组织
图12
图13
回火后在显微镜下观察到的组织
图14
图15
六、实验结果分析
图像分析与讨论：
整体图象比较暗， 可能是由于光源亮度不够所造成； 结构区分不十分明显， 可能是由于热处理时未达到淬透要求致使过冷奥氏体转变不彻底所造成
试验中， 钢淬火加热后， 必须迅速在水中冷却。
这是因为水的冷却速度快， 防止奥氏体转变为珠光体而得不到需要的马氏体组织。
通过淬火， 钢的硬度得到 了明显的提高。
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。
七、结论
根据45钢热处理实验结果，可以得出如下结论：
? 与淬火前相比，淬火后的硬度明显增大。说明适当的淬火可以增大材料 的硬度。
? 与淬火前相比，回火后钢的硬度明显大于钢的原始硬度，但比淬火后的 硬度小些。说明回火后钢的硬度降低了。
? 对实验数据分析可以得出， 45 钢随着热处理工序淬火、回火的进行， 其硬度逐渐降低；
? 操作过程中涉及到高温处理和抛光机的使用，故实验人员需要特别小
心，规范操作仪器，以免受伤
八、参考文献
【1】 作者：叶宏 金属材料与热处理 P42 ～P59
【2】周小平主编 . 金属材料及热处理实验教程 .华中科技大学出版社
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