一、 实验目的

1. 了解碳钢的基本热处理工艺方法

2. 研究冷却条件与钢性能的关系

3. 分析淬火和回火温度对钢性能的影响

二、 实验设备和试件

1. 实验设备：SX-10M-2.5型箱试电阻炉

2. 试件：45钢、30钢及T8钢试件各一件

3. 45钢淬火后的试件三件

三、 实验原理

热处理是一种重要的金属加工工艺方法，目的是提高钢的性能(使用性能和工艺性能)。钢的热处理的工艺特点是，将钢加热到一定的温度，保温一定的时间，然后以一定的冷却速度进行冷却。通过该工艺过程使钢的性能发生改变。

四、实验内容和步骤

(一) 钢的淬火热处理

淬火热处理就是把碳钢加热到AC3或者AC1以上30-50°C，保温后放到不同的冷却介质中进行快速冷却(冷却速度大于临界冷却速度)，以得到马氏体组织(M)。淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体。

1. 淬火温度的确定

根据材料的不同，在表1中查得其临界温度AC3或者AC1，然后加上40°C，就可以得到其加热温度。

亚共析钢(45钢，30钢)：

加热温度=AC3 40°C

过共析钢(T10钢)：

加热温度=AC1 40°C

所以最终30钢的加热温度= °C 40°C=

45钢的加热温度= °C 40°C=

45钢的加热温度= °C 40°C=

2. 保温时间的确定

零件随炉子加热达到所需的加热温度以后，还要进行一段时间的保温，以保证整个零件均匀充分地达到所需要的温度。显然保温时间跟工件的大小和形状有关系。

通过测量零件的尺寸，然后查表2，计算试件的保温时间。

零件的尺寸为直径二十毫米的圆柱形零件，所以30钢、45钢、T10钢的保温时间分别为：

3. 冷却介质的选择

冷却是淬火的关键工序。它直接影响淬火后的钢的性能。淬火的冷却速度要大于临界冷却速度，以获得过冷马氏体组织。同时在冷却过程中还要控制结晶过程中内应力的产生，防止变形和开裂的发生。

为了保证淬火效果，应选择合适的冷却介质和冷却方法。本实验中我们选择室温下的水作为冷却介质。

4. 工件放入炉中，设定电炉温度控制器的加热控制温度，开始加热。

5. 电炉达到设定温度后，开始保温的计时。

6. 工件出炉，快速放入水中冷却。

(二) 钢的回火热处理

钢在淬火后得到的马氏体组织硬而脆，且工件内部有很大的内应力。回火的目的是消除内应力，适当降低硬度，改善加工性能。根据不同的工艺要求，回火分为高温回火，中温回火和低温回火三种工艺方法，其温度的选择及组织性能的变化见表3。

回火的冷却方式为空冷，即工件出炉后放在室温下慢慢冷却。

1. 工件放入炉中，设定电炉温度控制器的加热控制温度，开始加热；

2.电炉达到设定温度后，开始保温的计时，保温时间为30分钟；

3. 工件出炉，放在室温下慢慢冷却。

碳钢锰

约为0.25%~0.80%。固溶强化；清除FeO，降低钢的脆性；与硫化合成MnS，可以减轻硫的有害作用。有益。

碳钢硅

约为0.10%~0.40%，固溶强化；除FeO对钢质量的不良影响，有益。

碳钢硫

FeS与Fe形成低熔点共晶体（熔点为985℃），在1000~1250℃热加工时导致钢变脆而开裂，“热脆”。有害。

碳钢磷

强度、硬度提高，但使塑性和韧性降低，“冷脆”。有害。

碳素结构钢

牌号：例Q235-A·F，表示σs=235MPa。

牌号注解：Q是屈服强度 A质量等级（有ABCD四级），F沸腾钢。

特点：价格低廉，工艺性能（如焊接性和冷成形性）优良。

应用：一般工程结构和普通机械零件。如Q235可制作螺栓、螺母、销子、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、型钢、钢筋等。

优质碳素结构钢

牌号：例45、65Mn、08F。

牌号注解：直接表示金属含碳量的万分数。

应用：制造重要机械零件的非合金钢，一般都要经过热处理之后使用。

常用钢号及用途：

08F，碳的质量分数低，塑性好，强度低，用于冲压件如汽车和仪表外壳；

20，塑性和焊接性好，用于强度要求不高的零件及渗碳零件，例如机罩、焊接容器，小轴、螺母、垫圈及渗碳齿轮等；

45，40Mn，经调质后综合力学性能良好，用于受力较大的机械零件，如齿轮、连杆、机床主轴等；

60、65Mn钢具有较高的强度；用于制造各种弹簧、机车轮缘、低速车轮。

碳素工具钢

牌号：例如T12钢表示Wc=1.2%的碳素工具钢。

牌号注解：T加金属含碳量的千分数。

特点：属共析钢和过共析钢，强度、硬度较高，耐磨性好适用于制造各种低速切削刀具。

常用钢号及用途：

T7、T8：制作承受一定冲击而要求韧性的零件。如大锤、冲头、凿子、木工工具、剪刀。

T9、T10、T11：制造冲击较小的要求高硬度高耐磨性的工具。如丝锥、小钻头、冲模、手锯条。

T12、T13：制作不受冲击的工具。如锉刀、刮刀、剃刀、量具。

铸钢

牌号：例如ZG200-400，表示σs=200MPa，σb=400MPa的铸钢。

性能：铸造性能比铸铁差，但力学性能比铸铁好。

应用：主要用于制造形状复杂，力学性能要求高，而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件，例如汽车的变速箱壳，机车车辆的车钩和联轴器等。

（1）按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类，碳素结构钢又分为工程构建钢和机器制造结构钢两种；

（2）按冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢；

（3）按脱氧方法可分为沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）和特殊镇静钢（TZ）；

（4）按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（WC ≤ 0.25%）,中碳钢（WC0.25%—0.6%）和高碳钢（WC>0.6%）；

（5）按钢的质量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）和特级优质钢。

(一)产量创历史最高水平。2013年1-6月，全国累计生产粗钢3.9亿吨，同比增长7.4%，增速较一年前同期提高5.6个百分点。前6个月，粗钢日均产量215.4万吨，相当于年产粗钢7.86亿吨水平。其中，2月份达到历史最高的220.8万吨，3-6月份虽有回落，但仍保持在210万吨以上较高水平。分省区看，1-6月，河北、江苏两省粗钢产量同比分别增长6.8%和13.2%，两省合计新增产量占全国2694万吨增量的42.4%，另有山西、辽宁、河南和云南等省增产也在100万吨以上。分企业类型看，1-6月，重点大中型钢铁企业粗钢产量同比增长5.5%，低于全国平均增幅2个百分点，但仍有60%的增产来自重点大中型钢铁企业。

(二)钢材价格低位运行。2013年1-6月，国内钢材市场整体表现低迷。随着粗钢产能大幅释放，市场供需陷入失衡状态，钢材价格步入下降通道，已弱势下跌4个多月。截止2013年7月26日，钢材价格指数降到100.48点，低于年初6.6点。钢铁工业协会重点统计的八个钢材品种价格比年初均有不同程度的下降，平均跌幅5.7%。分品种来看，占我国钢材产量比重较大的建筑用线材、螺纹钢价格跌幅分别达4.9%和6.7%，中厚板和热轧卷板价格跌幅分别达5.7%和9.7%。

(三)钢材出口增长较快。国内钢材市场供需失衡刺激企业出口。1-6月，我国累计出口钢材3069万吨，同比增长12.6%;进口钢材683万吨，下降1.8%，进口钢坯和钢锭32万吨，增长50%。将坯材折合粗钢，累计净出口2506万吨，同比增长17.3%，占我国粗钢产量的6.4%。从出口价格看，1-6月出口棒线材均价624.3美元/吨，同比下降18%;板材835.2美元/吨，同比下降2.8%。

(四)钢厂及社会库存高位运行。市场供需矛盾向流通领域蔓延，国内钢材库存延续上年末增长态势。3月15日达到历史最高的2252万吨，比上年最高点增加351万吨，其中建筑钢材库存1432万吨，占库存总量的63.6%。之后，随着季节性消费增加，库存逐渐回落，7月26日降至1540万吨。市场供大于求也推高钢厂库存，3月中旬重点企业钢材库存创历史记录，达到1451万吨，同比增长29.7%，6月下旬降至1268万吨，仍比年初增长29.9%，比2012年同期增长11.4%。

(五)钢厂盈利水平逐月下滑。2013年上半年，冶金行业实现利润736.9亿元，同比增长13.7%，其中黑色金属冶炼和压延加工业实现利润454.4亿元，同比增长22.7%。1-5月份重点大中型钢铁企业的盈利状况远不如行业总体水平，并呈逐月下降态势，尽管实现利润增长34%，但也仅有28亿元，销售利润率为0.19%。5月当月，86家重点大中型钢铁企业仅实现利润1.5亿元，连续5个月环比下滑，其中34家亏损，亏损面高达40%。

(六)钢铁行业固定资产投资增幅明显回落。2013年1-6月，钢铁行业固定资产投资3035亿元，同比增长4.3%，其中黑色金属冶炼及压延投资2356亿元，同比增长3.3%，比2012年同期回落6.1个百分点;黑色金属矿采选投资679亿元，同比增长7.8%，增速大幅回落15个百分点。2100433B

按钢的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢又分为：①低碳钢，含碳量小于0.25%；②中碳钢，含碳量为0.25%——0.60%；③高碳钢，含碳量大于0.6%；中碳钢热加工及切削性能良好，焊接性能较差。强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。可不经热处理，直接使用冷轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。能够达到的最高硬度约为HRC55（HB538），σb为600～1100MPa。所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。

中碳钢属于亚共析钢，其退火组织为珠光体和铁素体。随着钢中碳含量增加，组织中珠光体数量增加，而铁素体数量减少。碳含量大于0.40%的钢淬火组织为马氏体;碳含量大于0.40%时，除了马氏体外还有少量残留奥氏体，残留奥氏体数量随着钢中碳含量的增加而增加。

渗碳钢大致可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。渗碳钢中碳的质量分数一般约为0.1%～0.3%，其牌号主要是15钢和20钢。这类渗碳钢经渗碳及随后的淬火、同火处理，其表面硬度可以达到58～64HRC，具有较好的耐磨性。但是由于这类渗碳钢的淬透性较低，只能适用于心部强度要求不高、承受负载较小的小尺寸零件，如衬套、链条片以及量具、夹具等。

合金渗碳钢由于是在低碳碳素钢的基础上，加入了各种不同化学成分的合金元素，如Cr、Mo、Ni、Mn、Ti、V等，可抑制奥氏体晶粒长大，提高淬透性和增加回火稳定性，所以，能改善渗碳钢的工艺性能。这类合金渗碳钢主要用于制作轴类、齿轮类、销杆类、链轮类等承受负载较大的零件。按照淬透性的大小，合金钢渗碳钢还可分为以下三类：淬透性一般的渗碳钢，如15Cr、20Cr和20MnV等；淬透性较好的渗碳钢，如20CrMo、20CrMnTi等；淬透性最好的渗碳钢，如12CrNi3A、12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA等。

渗碳用钢的选用应根据工件的服役条件及尺寸的大小来确定。对承受一定冲击载荷、有一定耐磨要求的工件，如起重、采矿、运输等设备的普通齿轮，可选用20CrMo钢和20CrMnTi钢等；对承受重载及尺寸较大的工件，如大型轧钢机减速器齿轮、大型锥齿轮、坦克齿轮等，可选用12Cr2Ni4A钢或18Cr2Ni4WA钢等。

还可以根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类：

①低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。

②中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。

③高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4WA等，其油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。