工程材料综合实验报告

工程材料综合实验报告

学院：动力与机械学院 专业： 材料类 学号： 组号： 姓名：

目录

1实验目的 ............................................... 4 2实验材料及设备 ......................................... 4 3工艺参数的确定 ......................................... 4 3.1退火工艺参数的确定 ................................. 4 3.2淬火工艺参数的确定 ................................. 5 3.3回火工艺参数的确定 ................................. 6 3.4工艺参数曲线 ....................................... 7 4实验过程 ............................................... 8 4.1准备工作 .......................................... 8 4.2完全退火 .......................................... 9 4.3淬火 ............................................. 12 4.4 45#重新淬火 ...................................... 15 4.5回火 ............................................. 17 5实验分析 .............................................. 21 5.3 45#退火与正火的选择 .............................. 21 5.2 最佳工艺： ....................................... 21 5.3 存在的问题 ....................................... 22 5.4 注意事项 ......................................... 24 6心得体会 .............................................. 26

1实验目的

 掌握常用工程结构钢（45#，40Cr）的热处理工艺；  熟悉热处理的流程；

 比较不同的热处理工艺对材料组织性能的影响，并获得易切削、最

终硬度达到32-35HRC的较理想的45#或40Cr的热处理工艺。

2实验材料及设备

实验材料：4个方形45#试样（横截面为正方形，边长10mm），4个圆柱形

40Cr试样（横截面为圆形，直径15mm）；

砂纸一套，玻璃板，木夹，棉球，100%酒精，4%的硝酸酒精溶

液；

实验设备：箱式电阻炉，洛氏硬度计（HR-150A），抛光机，金相显微镜。

3工艺参数的确定

本实验中，将45#与40Cr组合，形成四组，故须制定四组热处理工艺。 3.1退火工艺参数的确定

在本实验中，为了降低材料的硬度，便于切削加工，需要对材料进行退火或正火处理，退火或正火的选取可由含碳量作参考。表3-1给出了一个为获得最佳切削加工性而选择的热处理工艺。

表3-1 为获得最佳切削加工性而选择的热处理工艺1

钢的碳含量/（%） 0.06-0.20 最佳显微组织 铁素体+细珠光体 推荐热处理工艺 热轧（最经济）或正火 φ75mm以下 正火 0.20-0.30 铁素体+细珠光体 φ75mm以上 热轧 0.3-0.40 粗珠光体+最少的铁素体 完全退火 0.40-0.60 0.60-1.00 粗珠光体到粗球化体 球化体 不完全退火 球化退火 球化退火 从上表可以看出45#与40Cr的推荐热处理工艺是完全退火，即加热至完全得到奥氏体后炉冷。

1） 加热温度的确定

45#与40Cr的临界温度如表3-2所示

表3-2 临界温度2 （单位：℃）

钢种 Ac1 724 743 Ac3 780 782 Ar1 682 693 Ar3 751 730 Ms 336 355 Mf 50 - 45# 40Cr 完全退火的加热温度一般是Ac3以上20-30℃，在本实验中，参照表3-2取840℃。

2） 保温时间的确定

工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部达到均匀化的奥氏体。完全退火保温时间与钢材成分，工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。通常，加热时间以工件的有效厚度来计算。一般碳素钢或低合金钢工件，当装炉量不大时，在箱式炉中退火的保温时间可按下式计算：τ=KD（单位为min）3，式中的D是工件有效厚度（单位为mm），K是加热系数，一般K=1.5-2.0min/mm。在本实验中，45#试样与40Cr试样的有效厚度分别是5mm、7.5mm。于是当K取1.6时，τ=1.6×7.5=12（min）。

由于切削性易于满足，故本实验四组工艺的完全退火工艺完全一致：840℃保温12min炉冷。 3.2淬火工艺参数的确定

1）加热温度的确定

确定钢材的淬火加热温度时，应考虑钢的化学成分。工件尺寸和形状，技术要求、奥氏体的晶粒长大倾向，以及淬火介质与淬火方法等因素。对碳钢来说，根据实践经验，其淬火加热温度对亚共析钢为Ac3+30-50℃；共析钢和过共析钢为Ac1+30-50℃。结合表3-2，选取温度值840℃、870℃。

3） 保温时间的确定

淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并在该温度下使工件内外各部分均完成组织转变、碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。结合常用的经验公式τ=αKD（单位为min），式中的α为加热系数（单位为min/mm），K为装炉修正系数，D为工件有效厚度（单位为mm）以及参考前面完全退火时间确定为12min，并设定一组为20min以作比较。

4） 淬火介质的确定

选择淬火介质的原则是：在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。当结合过冷奥氏体连续冷却转变曲线和淬火本质选择淬火介质时，还应考虑其冷却特性，因此，淬火介质应作如下选择：在相当于被淬火钢的过冷奥氏体最不稳定区有足够的冷却能力，而在马氏体转变区其冷却速度又很缓慢。由本实验中工件尺寸较小不考虑盐水淬，故选择淬火介质为水与油。

综合上述三点，淬火工艺如表3-3：

表3-3 淬火工艺

工艺编号 1 2 3 4 3.3回火工艺参数的确定

加热温度/℃ 870 840 840 840 保温时间/min 12 12 12 12 淬火介质 油 油 油 水 本实验回火的目的是将工件的硬度降至32-35HRC，以便得到较好的强度与韧性的搭配。

1）加热温度的确定

一般情况下，回火温度对硬度的影响如表3-4：

表3-4 回火温度对硬度（HRC）的影响4 （温度单位：℃）

钢种 未回火 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 45# 59 40Cr 56 54 52 48 46 44 41 37 33 27 23 19 15 55 54 52 50 48 47 46 45 42 39 35 31 26 22 下面两组数据是对应具体试样的45#与40Cr的硬度随温度的变化值

表3-5 不同温度回火后试样的硬度（HRC）5（温度单位：℃）

钢种 45# 40Cr 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 51 53 49.5 50.5 44.5 49 41 48 37 46 32 43 27.5 38 22 31 ＜17 ＜17 25 20 注：①45#试样化学成分（质量分数，%）：C 0.43，Si 0.27，Mn 0.61。试样毛坯φ10mm，840℃水淬。

②40Cr试样化学成分（质量分数，%）：C 0.40，Mn 0.66，Cr 0.97。热处理毛坯：12mm。850油淬。

由于表3-5的试样尺寸，淬火温度与本实验相近，故选取回火温度时以表3-5为主。故最佳温度45#为440℃左右，40Cr为530℃左右。另外设对照组加以比较。

2）保温时间的确定

由于工件较小，保温时间在20min和30min二者之中选取。 3.4工艺参数曲线

综上，工艺曲线如下： 温 度 /℃ 840℃，12min 870℃，12min 40Cr，530℃，30min 水淬 油淬 炉冷 45#，440℃，20min

时间/h

热处理工艺如下表： 表3-6 45#和40Cr的热处理工艺

退火 编号 钢种 加热温度/℃ 保温时间/min 加热温度/℃ 淬火 保温时间/min 淬火介质 回火 回火温度/℃ 回火时间/min 45# 1 40Cr 45# 2 40Cr 840 45# 3 40Cr 45# 4 40Cr 840 12 水 840 12 油 12 840 20 油 根据淬火的结果设定 20min或30min 870 12 油 4实验过程

4.1准备工作

将试样分成四组，每组各有一个45#试样和一个40Cr试样。随意抽取45#试样和40Cr试样各一个，用洛氏硬度计测硬度。45#的初始硬度为57HRC，40Cr

的初始硬度为27HRC。

4.2完全退火

按照表3-6依次进行完全退火。测得硬度如表4-1：

表4-1 45#和40Cr完全退火后硬度

编号 钢种 1 2 3 4 平均 45# 1 40Cr 6.1 6.7 6.5 8.5 7.0 14.1 16.9 17.5 18.0 16.6 45# 2 40Cr * * * * * 15.2 16.3 18.0 15.4 16.2 45# 3 40Cr 3.8 2.1 1.7 2.2 2.5 13.8 13.9 15.4 13.4 14.1 45# 4 40Cr 11.5 11 过软 11 9 10.6 注：表中“*”代表缺少数据，后面表中的“*”代表同样的意思。 可以发现上述四组试样中：45#试样的硬度变化较大，说明成分有较大波动；而40Cr则好一些。

45#完全退火后的组织如下：

图4-1 45#，100X

图4-2 45#，500X

40Cr完全退火后的组织如下：

图4-3 40Cr，200X

图4-4 40Cr，500X

4.3淬火

按照表3-6依次进行淬火。测得硬度如表4-2：

表4-2 45#和40Cr淬火后硬度

编号 钢种 45# 1 40Cr 45# 2 40Cr 45# 3 40Cr 45# 4 40Cr 58 60.5 60.5 60.3 59.8 55.5 20.5 55.0 31.2 54.5 36 55.0 35.5 55.0 30.8 55.6 * 55.4 * 55.5 * 55.5 * 55.5 * 53.8 23.6 54.2 24.1 55.1 * 55.1 * 54.6 23.9 1 26 2 29 3 * 4 * 平均 27.5

从表4-2可以看出40Cr淬火后硬度在正常范围内，但45#的淬后硬度普遍偏低无法满足要求。故对45#进行重新淬火。

40Cr淬后组织如下：

图4-5 40Cr，870℃保温12min油淬，500X

图4-6 40Cr，840℃保温20min油淬，500X

图4-7 40Cr，840℃保温12min油淬，500X

图4-8 40Cr，840℃保温12min水淬，200X

4.4 45#重新淬火

根据4.3中45#的淬后硬度调整工艺参数如下：

表4-3 45#重淬工艺

编号 淬火温度/℃ 保温时间/min 淬火介质 1 2 3 4 实验结果如下：

910 930 910 930 12 12 12 12 盐水 油 油 水 表4-4 45#重淬后硬度（HRC）

编号 1 2 3 4 1 56.6 29.6 31.4 41.2 2 55.4 30.6 31.2 33.1 3 55.4 27.6 31.0 31.1 4 55.5 27.9 29.4 34.7 平均 55.7 28.9 30.8 35.0 从上面的结果可以看出第1组的硬度满足要求，第4组可以考虑低温回火使得硬度稍微降低。

45#重新淬火后金相组织如下：

图4-10 45#重淬，930℃保温12min水淬，200X 图4-9 45#重淬，910℃保温12min盐水淬，500X

可以看出，采用工艺“930℃保温12min水淬”后，45#晶粒粗大，明显过热。

4.5回火

考虑到45#和40Cr淬火后硬度差别较大，因此对二者分别制定工艺。如表4-5所示。

表4-5 45#和40Cr的回火工艺

编号 1 钢种 45# 40Cr - 40Cr - 40Cr 45# 40Cr 加热温度/℃ 470 550 - 550 - 530 230 500 保温时间/min 20 30 - 30 - 30 20 30 2 3 4 试验结果如表4-6：

表4-6 45#和40Cr回火后硬度

编号 钢种 45# 40Cr 45# 40Cr 45# 40Cr 45# 40Cr 1 33.0 34.9 — 35.0 — 36.0 35.7 36.5 2 34.0 35.3 — 35.0 — 35.5 37 36.4 3 33.0 35.5 — 35.5 — 36.0 39.1 36.0 4 33.4 35.1 — 35.3 — 36.6 40.5 36.8 平均 33.4 35.2 — 35.2 — 36.0 38.1 36.4 1 2 3 4 注：表中“-”表示未做此实验。

从上面可以看出，45#的回火工艺“470℃保温20min”取得了较好效果，

40Cr的回火工艺中温度稍低，但回火工艺“530℃保温30min”基本满足要求。另外，第4组的45#工件230℃回火后硬度略有升高。

40Cr回火后的金相组织如下：

图4-11 40Cr，530℃保温30min，500X

图4-12 40Cr，530℃保温30min，200X

图4-13 40Cr，550℃保温30min，200X

45#回火后的金相组织如下：

另外，前述第4组的45#在采用工艺“470℃保温20min”进行回火之前，停留时间太长，导致裂纹出现，如下图：

图4-15 45#，230℃保温20min，100X 图4-14 45#，470℃保温20min，500X

图4-16 45#在开裂后的金相组织，200X

5实验分析

5.3 45#退火与正火的选择

在本实验中，考虑到45#在完全退火后过软，HRC＜10，因此对45#进行一次正火实验，工艺为“860℃保温12min空冷”，测得硬度如表5-1：

表5-1 45#正火后硬度

编号 3 1 14.1 2 14.4 3 15.7 4 13.4 平均 14.4 故45#可采用正火来作为切削之前的热处理工艺。

5.2 最佳工艺：

1）本次实验最佳工艺；

根据本实验的数据，较符合要求的工艺如下表：

表5-2 本次实验最佳工艺

编钢种 完全退火/正火 淬火 回火 号 加热温度 保温时间 冷却参考方式 硬度 加热温度 保温时间 淬火方式 盐水 参考硬度 加热温度 保温时间 参考硬度 1 45# 860 12 空冷 14.4 910 12 55.7* 470 20 33.4* 2 40Cr 840 12 炉冷 16.2 840 12 油 55.0 550 30 35.2* 注：温度单位为℃，时间单位为min，硬度单位HRC。

从上面可以看出45#需要较高的正火、淬火温度，但保温时间短；40Cr完全退火需要较低的正火、淬火温度，但回火温度很高，回火保温时间较长（在本实验中回火温度为550℃，效果仍然不是很明显）。

2）预测最佳工艺

基于本次最佳工艺的不足，当采用40Cr试样时，其回火温度需要进一步升高，如580摄氏度左右，这时可以缩小保温时间，如25min。但此工艺需要进一步验证。

5.3 存在的问题

1）本实验中45#淬火温度远高于Ac3线（差值达130℃）。分析可能原因如下：

①45#的化学成分不准确，其实际含碳量远低于0.45%。但此说法牵强，对于本实验中符合要求的45#试样其退火组织如图4-2所示：

图4-2 45#，500X

可以看出该金相组织的珠光体含量与标准45#珠光体含量57%相差不是很大。

②该试样采用盐水淬，与之同炉淬火的是采用油淬的第3组的45#试样，其淬后硬度为30.8HRC。故淬火介质对试样的硬度有影响。

③操作不规范，实际的淬火温度与保温时间与制定工艺不符。 2）本次试验的四组45#试样成分存在着不一致与不均匀的问题。

①各组试样成分不一致：本实验所有试样采用同炉完全退火，但退火后的硬度相差太大。参见表4-1。

②试样内部成分的不均匀：如第4组中的45#试样，其第一次淬火后硬度见表4-2，摘抄部分如下：

表4-2 45#和40Cr淬火后硬度（部分）

编号 4 钢种 45# 1 20.5 2 31.2 3 36 4 35.5 平均 30.8 其金相组织如下：

亮白色部分为铁素体

5.4 注意事项

1）回火脆性

第4组中的45#试样在进行重淬并低温回火（230℃）后硬度不降低反而升高，疑似回火脆性，硬度比较如表5-2：

表5-2 45#重淬后与低温回火后硬度的比较

加热温度 930℃ 230℃ 保温时间 12min 20min 淬火介质 水 - 1 41.2 35.7 图5-1 45#，840℃保温12水淬，200X

硬度（HRC） 2 33.1 37 热工艺 3 31.1 39.1 4 34.7 40.5 平均 35.0 38.1 淬火 回火 注：硬度编号并不代表同列数据测自同一点，只是测量顺序。 2）过热组织

比较重淬后第1组和第4组的45#试样，可以发现后者淬火温度高，但淬火硬度低，故推测后者过热：

表5-3 45#重淬工艺及淬火硬度的比较

加热温度 910℃ 930℃ 保温时间 12min 12min 淬火介质 盐水 水 1 56.6 41.2 硬度（HRC） 2 55.4 33.1 编号 3 55.4 31.1 4 55.5 34.7 平均 55.7 35.0 1 4 其金相组织证明了此推测：

图5-2 45#，930℃保温12min水淬，200X

因此，做此类实验时应考虑过热组织的出现。 过热组织硬度下降的原因如下：

钢过热时，奥氏体内溶解的碳及合金元素增多，奥氏体的稳定性增高，使Mz点降至常温以下，淬火后奥氏体不能完全转变为马氏体，以残余奥氏体存在于钢中。与马氏体相比，残余奥氏体组织硬度很低，使得淬后的组织硬度比细马氏体组织下降许多。

3）裂纹的形成

在整个热处理过程中，必须注意各种应力对裂纹产生的影响，避免裂纹的产生。如第4组45#经最终回火处理后出现裂纹。参见图4-16：

图4-16 45#在开裂后的金相组织，200X

6心得体会

参考文献

[1] 胡光立，谢希文编著.钢的热处理（原理和工艺）（第3版）.西安：西北工业大学出版社，2010.3，71-72

[2] 潘新民，黄洁雯编.结构钢热处理技术数据手册.北京：机械工业出版社，2013.3，52，232

[3] 马鹏飞，李美兰主编.热处理技术.北京：化学工业出版社，2008.12，57 [4] 同[2]，53，233 [5] 同[4]