45鋼正常溫度淬火和過熱、欠熱淬火的組織硬度實驗

陸凌凱　曹歡玲++許小鋒

摘 要 本文實驗內容是45鋼在正常溫度淬火和過熱、欠熱淬火時的金相組織觀察和硬度測試。實驗分6組進行，將45鋼分別加熱到750€癈、850€癈和950€癈，在水和20號機油中冷卻，測試試樣硬度，制作金相試樣，觀察金相組織，并進行比較與分析。

關鍵詞 45鋼 淬火 金相組織 硬度

中圖分類號：TG161 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.09.023

Microstructure and Hardness Experiment of 45 Steel Normal

Temperature and Over Heat and Under Heat Quenching

LU Lingkai， CAO Huanling， XU Xiaofeng

（Zhejiang Agriculture & Forestry University， Hangzhou， Zhejiang 311300）

Abstract The content of this paper is the microstructure and hardness experiment of 45 steel normal temperature and over heat and under heat quenching. The Experiments were carried out in 6 groups. The samples was heated to 750 degrees and 850 degrees and 950 degrees， the samples were cooled in water and 20 engine oil， test sample hardness， production of metallographic specimen， observe the microstructure， and comparison and analysis the results.

Key words 45 steel； quenching； microstructure； hardness

鋼的熱處理工藝一般分為退火、正火、淬火和回火四種。淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。常用的淬冷介質有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火工藝在現代機械制造工業得到廣泛的應用，機械中重要零件，尤其在汽車、飛機、火箭中應用的鋼件幾乎都經過淬火處理。淬火是鋼鐵材料強化的基本手段之一，本文實驗材料45鋼在淬火前的硬度低于28HRC，淬火后的硬度可達到甚至超過55HRC，其硬度值的大小由熱處理工藝決定。

45鋼是中碳結構鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，且價格低、來源廣，所以應用廣泛。目前45鋼的熱處理工藝有正火、淬火與回火，一般熱處理溫度為：正火850℃、淬火840℃、回火600℃。 隨著熱處理工藝參數的變化，熱處理后45 鋼組織和性能隨之改變。一定溫度下正火時得到珠光體和鐵素體組織，而淬火和回火得到的則是馬氏體組織。隨著加熱溫度、保溫時間和冷卻速度等的改變，熱處理后所得到的組織變化主要是組織粗細和組織類型二個方面，組織粗細和組織類型是使45鋼性能改變的根本原因。通常顯微組織顆粒越細，材料的綜合性能就越好。

1 實驗設備及材料

（1）箱式電阻爐；（2）HR150型洛氏硬度計；（3）NJF-120A金相顯微鏡；（4）砂輪機、拋光機、金相砂紙、玻璃板及吹風機；（5）冷卻劑：水、20號機油；（6）試樣尺寸：45鋼，形狀為圓柱體30*30mm。

2 實驗內容和步驟

（1）按表1將實驗分成6個小組進行，每組領取樣品；（2）依據鐵碳合金相圖，按表1給定的加熱溫度和保溫時間，在箱式電阻爐上設定加熱溫度與保溫時間，對試樣進行加熱和保溫；（3）按表1將試樣在水中或油中冷卻；（4）將熱處理試樣表面打磨光滑，測出洛氏硬度值，實驗數據填入表1中；（5）金相試樣制備包括取樣、粗磨、細磨、拋光和浸蝕五個步驟，浸蝕劑為4%硝酸酒精；（6）在金相顯微鏡下觀察試樣，并拍下金相組織照片，放大倍數500；（7）比較45鋼在正常溫度淬火和過熱、欠熱淬火后的金相組織區別，同時對硬度進行比較分析。

3 金相組織和硬度

3.1 淬火溫度的選擇

淬火加熱溫度一般在鋼的臨界點以上30～50℃，如圖1所示。對于亞共析鋼，一般加熱至Ac3以上30～50℃，可使淬火馬氏體細小均勻。若加熱溫度過高，會使奧氏體晶粒粗化，得到粗大馬氏體組織，鋼件容易變形及開裂；若加熱溫度過低，則淬火組織中會殘留未完全溶解的鐵素體，導致鋼件淬火硬度不足，出現所謂的淬火軟點。45鋼屬于亞共析鋼，本淬火實驗中，正常淬火溫度選擇850℃，欠熱淬火溫度選擇750℃，過熱淬火溫度選擇950℃。

3.2 硬度測試

對6組熱處理試樣分別進行硬度測試，每個試樣測量3點，取平均值，測量結果見表1。

3.3 金相組織圖

從水淬火處理后的金組織圖中（圖2、圖3、圖4），我們可以看到750℃水淬所得到的組織與另兩幅所得到的組織有明顯差異。45鋼含碳量為0.45%左右，屬于亞共析鋼，750℃的溫度在亞共析鋼的臨界點Ac3以下，所以當加熱溫度為750℃時，其組織內含有大量的鐵素體，而馬氏體含量卻較少。850℃水淬和950℃水淬時其組織幾乎全為馬氏體，但馬氏體的形態存在差異，850℃水淬得到的馬氏體組織較細，溫度增加使奧氏體晶粒變粗變大，因此得到的950℃水淬馬氏體比850℃水淬馬氏體粗大。圖5、圖6和圖7為45鋼加熱溫度分別為750℃、850℃和950℃，使用20號機油進行冷卻，沒有得到完全的馬氏體組織。圖5中可以看到鐵素體組織，圖5和圖6中組織主要為貝氏體和珠光體，圖7中珠光體組織的含量最多。

4 總結

（1）為滿足機械零件千差萬別的技術要求，產生了淬火工藝，包括加熱、保溫、冷卻3個階段。本文探究了45鋼在標準溫度、欠熱和過熱三種不同溫度下，分別用水和機械油冷卻后的金相組織變化及硬度差異。

（2）熱處理工藝對保障機械產品質量有著重要意義，在本實驗中，過熱淬火和欠熱淬火都是熱處理的失效形式，這些失效形式會直接影響到產品的質量。因此，本文實驗內容具有一定的實際意義。

（3）本實驗涉及知識點較多，學生在實驗過程中，能夠將課本理論知識運用于實驗，將工程實踐與實驗教學很好地結合起來，取得了良好的教學效果。

*通訊作者：曹歡玲

支持項目：浙江省特色專業資助

參考文獻

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