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一、實驗?zāi)康?/FONT>
1．解鋼的基本熱理工藝。
2．了解布氏和洛氏硬度計的主要原理、結(jié)構(gòu)及操作方法。
3．了解不同的熱處理工藝對鋼的性能的影響。
二、實驗原理
熱處理是充分發(fā)揮金屬材料性能潛力的重要方法之一。其工藝特點是把鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間后，以某種速度冷卻下來，通過改變鋼的內(nèi)部組織來改善鋼的性能，其基本工藝包括退火、正火、淬火和回火等。
金屬的硬度是材料表面抵抗硬物壓入而引起塑性變形的能力。硬度越大，表明金屬抵抗塑性變形的能力越大，材料產(chǎn)生塑性變形就越困難。硬度是金屬材料一項重要的力學(xué)性能指標(biāo)。硬度的試驗方法很多，其中常用的有布氏法、洛氏法和維氏三種硬度試驗方法。
1． 鋼的退火、正火、淬火和回火
鋼的退火通常是將鋼加熱到臨界溫度Ac1 或Ac3 線以上，保溫生緩慢地隨爐冷卻的一種熱處理工藝。鋼經(jīng)退火處理后，其組織比較接近平衡狀態(tài)，硬度較低（約180～220HBS），有利于進(jìn)行切削加工。
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| 鋼的正火是將鋼加熱到Ac3 或Accm 線以上30～50℃ ，保溫后在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。由于冷卻速度稍快，與退火組織相比，所形成的珠光體片層細(xì)密，故硬度有所提高。對低碳鋼來說，正火后提高硬度可改善其切削加工性能，降低加工表面的粗糙度；對高碳鋼來說，正火可以消除網(wǎng)狀滲碳體，為球化退火和淬火作準(zhǔn)備。 |
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鋼的淬火就是將鋼加熱到 Ac3或 Ac1線以上30～50℃, 保溫后在不同的冷卻介質(zhì)中快速冷卻，從而獲得馬氏體和（或）貝氏體組織的一種熱處理工藝。馬氏體的硬度和強度都很高，特別適用于有較高耐磨性能要求的工模具材料。淬火工藝包括三個重要參數(shù)，淬火加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。淬火加熱溫度過高時晶粒容易長大，而且還會產(chǎn)生氧化脫碳等缺陷，加熱溫度過低則會因組織中存在鐵素體或珠光而導(dǎo)致材料硬度不足。保溫時間與鋼的成分、工件的形狀、尺寸及加熱介質(zhì)等因素關(guān)，一般可按照經(jīng)驗公式加以估算，保溫時間過長或過短都會對鋼的組織及性能造成不利的影響。 |
| 冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它直接影響到粹火后的組織和性能。冷卻時應(yīng)使冷卻速度大于臨界冷卻速度，以保證獲得馬氏體組織。在這個前提下又應(yīng)盡量降低冷卻速度，以減少內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂。因此，可根據(jù)C曲線圖（見圖3-1），使淬火工件在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650～550℃）進(jìn)行快冷，而在較低溫度（300～100℃）時的冷卻速度則盡可能小些。 |
| 鋼的回火是把經(jīng)過淬火后的鋼再加熱到 線以下某一溫度，保溫一段時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，其主要目的是改善淬火組織（馬氏體）的韌性，消除淬火時產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力并減小鋼件的變形。回火溫度和保溫時間是回火工藝的兩個重要參數(shù)，根據(jù)回火溫度和不同，回火又可分為低溫回火（小于250℃），中溫回火（250～500℃）和高溫回火（500～650℃）。 |
2．硬度試驗原理、結(jié)構(gòu)及操作方法
硬度測試方法很多，使用最廣泛的是壓入法。壓入法就是把一個很硬的壓頭以一定的壓力壓入試樣的表面，使金屬產(chǎn)生壓痕，然后根據(jù)壓痕的大小來確定硬度值。壓痕越大，則材料越軟；反之，則材料越硬。根據(jù)壓頭類型和幾何尺寸等條件的不同，常用的壓入法可分為布氏法、洛氏法和維氏法三種。
1） 布氏硬度
布氏硬度試驗是施加一定大小的載荷P，將直徑為D鋼的球壓入被測金屬表面后保持一定時間，然后卸除載荷，根據(jù)鋼球在金屬表面上所壓出的壓痕直徑表即可得硬度值。
用鋼球壓頭所測出的硬度值用HBS表示；用硬質(zhì)合金球壓頭所測出的硬度值用HBS表示。布氏硬度的優(yōu)點是測定結(jié)果較準(zhǔn)確，缺點是壓痕大。目前布氏硬度計一般以鋼球為壓頭，主要用于測定較軟的金屬材料的硬度。布氏硬度值的計算式如下：
HBS(HBW)=0.102×2P÷π×[D-√(D2-d2)]
式中：P--試驗力（N）
D--壓頭球體直徑（mm）
d--相互垂直方向測得的壓痕直徑d1、d2的平均值（mm）
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氏硬度試驗的外形結(jié)構(gòu)圖如圖1-3-2所示，其基本操作和程序是：
（1）將試樣放在工作臺上，順時針轉(zhuǎn)動手輪，使壓頭向試樣表面直至手輪對下面螺母產(chǎn)生相對運動（打滑）為止。此時試樣已承受98.07N初載荷。
（2）按動加載按鈕，開始加主載荷，當(dāng)紅色指示燈閃亮?xí)r，迅速擰緊緊壓螺釘，使圓盤轉(zhuǎn)動。達(dá)到所要求的持續(xù)時間后，轉(zhuǎn)動即自行停止。
（3）塑時針轉(zhuǎn)動手輪降下工作臺，取下試樣用讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑，以此查表即得HBS值。 |
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2） 洛氏硬度
洛氏硬度以頂角為120°的金剛石圓錐體作為壓頭，以一定的壓力使其壓入材料表面，通過測量壓痕深度來確定其硬度。被測材料的硬度可在硬度計刻度盤上讀出。洛氏硬度有HRA、HRB和HRC三種標(biāo)尺，其上以HRC應(yīng)用最多，一般用于測量經(jīng)過淬火處理后較硬材料的硬度。
在實際使用中為了使硬材料的洛氏硬度值比軟材料的高，以符合人們的習(xí)慣。因此被測試樣的硬度值尚須用下式作適當(dāng)變換：
HR=[K-(h2-h3)]÷c = (K-e)÷c
式中：K--常數(shù)，采用金鋼石壓頭時為0.2，采用1.5875mm（1/16″）鋼球壓頭時為0.26；
c--常數(shù)，采用金鋼石壓頭或鋼壓頭時都為0.002；
h2、h3--施加載荷前后的壓痕深度（mm）。 |
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常用的三種洛氏硬度試驗規(guī)范見表3-1。
表3-1常用三種洛氏硬度試驗規(guī)范
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符號 |
壓頭 |
N |
硬度值有效范圍 |
使用范圍 |
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HRA |
金剛石圓錐120° |
588.4 |
20～88HRA |
適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬火或滲碳層 |
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HRB |
1.5875（1/16″）鋼球 |
980.7 |
20～100HRB |
適用于測量有色金屬、退火、正火鋼等 |
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HRC |
金剛石圓錐120° |
1471 |
20～70HRC |
適用于調(diào)質(zhì)、淬火鋼等 |
洛氏硬度試驗機的結(jié)構(gòu)如圖 3-4所示，其基本操作程序是：
（1）將試樣放置在試樣臺上，順時針轉(zhuǎn)動手輪，使試樣與壓頭緩慢接觸，直至表盤小指針指到"0"為止，然后將表盤上指針調(diào)零。
（2）按動按鈕或轉(zhuǎn)動手柄，加主載荷，當(dāng)表盤大指針反轉(zhuǎn)停止后，再順時針旋轉(zhuǎn)搖柄、卸除主載荷，此時表盤大指針即指示出該試樣的HRC值。
（3）逆時針轉(zhuǎn)動手輪，取出試樣，硬度測定完畢。 |
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洛氏硬度實驗機
 H-100型洛氏硬度實驗機結(jié)構(gòu)圖
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3）維氏硬度
維氏硬度測定的基本原理和布氏硬度相同,區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136°的金鋼石棱錐體，壓痕是四方錐形（圖3-5）。
維氏硬度用HV表示，HV的計算式為：
HV=0.102×1.8544F÷d2
式中：F-- 載荷（N）；
d--壓痕對角線長度（mm）。 |
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維氏硬度實驗機
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三、實驗內(nèi)容
1．退火、正火及淬火部分的內(nèi)容及具體步驟
（1）根據(jù)處理條件不同，可按表3-2進(jìn)行分組試驗。
（2）表3-2中所用原始試樣一律經(jīng)退火處理后測定其HBS值，經(jīng)淬火；實驗后一律用洛氏（HRC）硬度測定。
（3）根據(jù)試樣鋼號及鐵碳相圖確定加熱溫度及保溫時間。
（4）將退火、淬火及正火后的試樣表面用砂紙磨平，測出硬度值（HRC）并填入表3-2中。
表3-2淬火正火試驗
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組別 |
淬火加熱溫度（℃） |
冷卻方式 |
20鋼 |
45鋼 |
T12鋼 |
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處理前 |
處理后 |
處理前 |
處理后 |
處理前 |
處理后 |
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1 |
1000 |
水冷 |
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2 |
750 |
水冷 |
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3 |
860 |
空冷 |
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4 |
860 |
油冷 |
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5 |
860 |
水冷 |
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2．回火部分的內(nèi)容及具體步驟
（1） 將已經(jīng)正常淬火并測過硬度的45鋼試樣分別按表3-3指定的各溫度值放入爐內(nèi)加熱，保溫1小時，然后取出空冷。
（2） 用砂紙磨光試樣表面，測定其硬度值（HRC）。
（3） 將測定的硬度值分別填入表3-3中。
表 3-3 回火實驗
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組別 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
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回火溫度（℃） |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
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HRC回火前 |
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HRC回火后 |
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四、實驗報告要求
1． 明確實驗?zāi)康摹?BR>
2． 分析加熱溫度與冷卻速度對鋼的性能的影響。
3． 按照表3-2及表3-3記錄各硬度值數(shù)據(jù)，并繪制出45鋼回火溫度與硬度的關(guān)系曲線圖。
4． 分析實驗中存在的問題。
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