《金属材料综合实验指导书》金属12级概论

金属材料工程专业

金属材料综合实验指导书

材料科学与工程学院

2015年8月

目录

实验一冷却速度对碳钢连续冷却转变组织及其性能的影响第02页实验二淬火碳钢经不同温度回火后的显微组织和性能变化第07页实验三热处理工艺对高速钢组织和性能的影响第13页实验四碱性次磷酸盐化学镀镍第19页实验五酸性次磷酸盐化学镀镍第21页实验六钢铁的化学氧化第24页

实验一冷却速度对碳钢连续冷却转变组织及其性能的影响

一、实验目的

1．通过观察和分析碳钢在不同的冷却速度下发生的连续冷却转变，了解冷却速度对碳钢的显微组织和力学性质的影响规律，加深对钢的连续冷却转变曲线和淬火临界冷却速度等概念的理解；

2．熟悉碳钢的基本热处理工艺（退火、正火、淬火等）的操作要领；

3．掌握碳钢热处理温度的选定原则，加深对Fe-Fe3C相图的认识和理解；

4．了解奥氏体连续冷却转变动力学曲线的意义及其在制定热处理工艺时的应用。

三、实验原理

在实际生产中，零件在热处理时，奥氏体大多是在连续冷却过程中进行转变的。过冷奥氏体以不同冷却速度连续冷却时发生的转变，可用连续冷却转变曲线来表示。图1所示为45钢(0.45％C)的连续冷却转变曲线，可以代表连续冷却转变曲线的一般型式。

图1 45钢的连续冷却转变动力学曲线

从图l中可以看到代表不同冷却速度的冷却曲线、铁素体析出线，珠光体转变开始和终了线，贝氏体转变开始线和马氏体转变开始线。这些线将图形分割成不同的区域，即过冷奥氏体区、铁素体析出区、珠光体转变区，贝氏体转变区和马氏体转变区。在转变完成后，高温区转变产物是珠光体，中温区转变产物是贝氏体，低温区转变产物是马氏体，与等温转变基本相同。所不同的是，等温转变得到的组织产物是均匀的，而连续冷却转变是在一个温度范围内发生的转变过程，因此转变产物是不均匀的。在某些冷却速度条件下，会得到混合的组织。如45钢在一定的冷速下可得到“铁素体+细珠光体（即屈氏体）+贝氏体+马氏体”的混合组织。

奥氏体冷却转变时全部得到珠光体类型组织的最快的冷却速度叫做上临界冷却速度，冷却速度超过上临界冷却速度就开始有马氏体出现。奥氏体冷却转变时全部得到马氏体组织的最低的冷却速度叫做下临界冷却速度，即一般而言的临界冷却速度。因此，冷却速度低于上临界冷却速度得到不均匀的珠光体类型的组织，高于下临界冷却速度则全部得到马氏体组织。在上、下临界冷却速度之

间得到的为混合组织。在连续冷却转变曲线上，一般还标出个中冷却组织的转变量。此外，还给出不同冷却速度下冷却产物的硬度值。

碳钢的连续冷却转变曲线因含碳量不同而有所不同。由于碳是阻碍贝氏体转变的元素，因此在大于0.8％C的过共析钢中，没有中温贝氏体转变部分，只有高温和低温转变。在上下临界冷却速度之间的冷却速度下，在高温区，奥氏体先部分转变为珠光体，然后中止转变，在中温区不发生转变，直到M s点以下才发生马氏体转变。

在共析钢中，可以发生少量的贝氏体转变，但数量较少，因此在有的共析钢的连续冷却转变曲线中常常被忽略而未画出。在低、碳钢中，贝氏体转变则是很明显的。

在实际生产中，钢的连续冷却转变有退火、正火和淬火等几种形式。

1．退火

常用的退火工艺有完全退火、球化退火、去应力退火等。完全退火的主要目的是改善组织、细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性。一般常用于一些对强度要求不高的亚共析成分的碳钢及合金钢零件的最终热处理，也常作为某些重要零件的预先热处理。经过完全退火以后，亚共析钢的室温组织为“块状铁素体+珠光体”；球化退化的目的主要是改善组织、降低硬度、改善切削加工性，为后面的淬火做准备，以减少工件淬火时的变形和开裂。主要用于共析成分和过共析成分的碳钢及合金钢，它能使钢中的层片状珠光体和网状渗碳体发生球化，得到硬度更低韧性更好的粒状珠光体组织。在T12钢球化退火后的组织中，亮白色的圆颗粒为渗碳体，亮白色的基体为铁素体。画组织示意图时，只需画出圆颗粒渗碳体，其余的基体就是铁素体。

2．正火

正火与退火明显的区别就是冷却速度较快，得到的组织要比退火组织细。其主要目的是细化组织，适当提高硬度和强度，改善切削加工性能。一般用于普通结构件作为最终热处理，或作为低碳钢的预先热处理，或消除过共析钢中的网状渗碳体。在45钢正火组织中，亮白色的铁素体比退火组织明显减少，暗黑色的组织为细珠光体或屈氏体。在T12钢正火组织中，二次渗碳体不再是退火态中的网状，而是不连续的网状或颗粒状，画组织示意图时，先画出不连续网状或颗粒状的渗碳体，再画出珠光体组织。

3．淬火

淬火的主要目的是获得马氏体组织，提高零件的硬度和耐磨性，是发挥钢铁材料性能潜力的重要手段之一。将45钢加热到760℃（即A C1以上），保温一定时间后在水中冷却，即为不完全淬火。根据Fe-Fe3C相图可知，在此温度下，45钢中有部分铁素体尚未转变为奥氏体，因此淬火后得到的显微组织为在暗黑色板条马氏体和针状马氏体基体上分布着亮白色块状铁素体，画组织示意图时，可以先画出亮白色块状的铁素体，再画出呈平行束状的暗黑色板条马氏体和“人”字形针状马氏体基体。45钢经正常淬火即加热到860℃（即A C3以上），保温一定时间后在水中冷却，将获得暗黑色板条马氏体和针状马氏体的混合组织。若将淬火温度提高到1200℃，即过热淬火，此时由于奥氏体晶粒长得比较粗大，经淬火后将得到粗大板条马氏体和针状马氏体组织。将45钢加热到正常淬火温度，然后在油中冷却，则由于冷却速度较慢，将得到细小的暗黑色马氏体和沿原奥氏体晶界呈网状分布的黑色团状屈氏体。画组织示意图时，可先画出网状分布的黑色团状屈氏体，再画马氏体。

T12钢经正常温度760℃（即A C1以上）淬火后的显微组织为暗黑色细小的“人”字形针状马氏体和部分亮白色未溶的颗粒状渗碳体，在马氏体之间有一定数量的亮白色残余奥氏体。若将淬火温度提高到1000℃（即A Ccm以上），即过热淬火，显微组织为暗黑色粗大的“人”字形针状马氏体和部分亮白色的残余奥氏体。

三、实验内容

1．钢的热处理

热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定的速度冷却下来的一种操作

方法，通过这样的工艺过程，钢的组织和性能将发生改变。

加热、保温的目的是为了获得成分均匀的细小的奥氏体晶粒。亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度的范围是A C3 + 30℃~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是A C1+30℃~50℃，过共析钢的正火温度是A Ccm + 30℃~50℃。保温时间则根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。

碳钢的过冷奥氏体在A C1~550℃范围内发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的整合组织。依据片层的薄厚不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体—索氏体（S）和极细片状珠光体—屈氏体（T）之分，硬度随其片间距的减小（转变温度的降低）而增大。

碳钢的过冷奥氏体在550℃~350℃范围内发生上贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B上）。在光学显微镜下，上贝氏体呈黑色羽毛状。碳钢的过冷奥氏体在350℃~M s之间等温得到的黑色针状的下贝氏体（B下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成。

过冷奥氏体以超过临界速度快冷至M s以下温度，将发生马氏体转变，生成碳在α-Fe中的过饱和固溶体—马氏体。常见的马氏体类型有板条马氏体（碳< 0.2%）、针（片）状（碳> 1.0%）马氏体以及由它们构成的混合组织（碳为0.2~1.0%）。

随转变温度的降低，碳钢会发生以上不同类型的组织转变并伴随着性能的变化。

2．硬度测试

洛氏硬度常用的标尺有HRA、HRB、HRC三种。其中，HRC适合于测定硬度较高的金属如淬火钢的硬度，选用金刚石压头，总载荷为150kgf。HRB适合于测定硬度较低的有色金属、退火及正火钢等的硬度，选用淬火钢球，总载荷为100kgf。HRA则适合于测定硬度极高的碳化物、硬质合金表面淬火等的硬度，选用金刚石压头，总载荷为60kgf。

3．金相试样制备

要在金相显微镜下对金属的组织进行观察和摄影，必须制备平整、光亮、清洁、无划痕、并且用适当的方法显示出真实组织的试样。试样制备通常包括一下几个步骤：

（1）手工磨样

手持试样在金相砂纸上由粗到细磨制。磨制试样时用力要均匀，待磨面上旧磨痕消失，新磨痕均匀一致时，可更换细一号的砂纸，并且把试样转90o再磨。一般依次使用400号、600号、800号、1000号、1200号和1500号砂纸中的几种磨制即可。

（2）机械抛光

金相试样的机械抛光在专用的抛光机上进行，抛光织物（呢料、金丝绒等）固定在抛光盘上，洒以抛光粉悬浮液，试样则轻压在旋转的抛光盘上，依靠嵌在抛光织物中的抛光粉的磨削和滚压作用，得到平整、光亮无划痕的抛光面。

（3）化学浸蚀

在浸蚀剂的作用下，试样组织中电位低的部分成为阳极，电位高的部分成为阴极，因为阳极溶解较快而凹陷下去，从而显示出试样的组织特征。碳钢最常用的浸蚀剂为3~4%的硝酸酒精溶液。

4．组织观察与显微摄影

在光学显微镜下观察和分析组织，仔细选择典型的清洁无划痕的部位进行摄影。拍照时，组织的图像显示在计算机屏幕上，选好视场，调好焦距后，即可拍照并保存图像。

四、实验步骤

1. 每组从所给的几种碳钢牌号中取一种成分的钢材，用金相试样切割机切取若干高度约25mm 的中碳圆柱形试样，分为8组，每组3个。对试样的两个端面进行初步打磨，使两个端面保持平行，并在试样侧面打上编号。

2．根据自己所选的钢材牌号查找有关资料，确定出本次实验的工艺方案，并把相应的热处理工艺参数填入表1中。

表1 试样的热处理工艺

2. 热处理工艺方案经指导老师审查后，可进行热处理操作。将待处理试样（2~8号）按照各自的热处理工艺分别置于不同的试样盘上，等到炉温到达设定温度后，将试样盘放入炉中进行加热，待温度回升后开始计算保温时间。

3. 待试样在炉中完成保温后，即按照各自的处理方法或随炉冷却（退火），或出炉后分别施以空气中冷却（正火），油中冷却（油淬）、盐水中冷却（盐水淬）和水中冷却（水淬）等冷却操作。

4．热处理操作完成后，将各试样的两端用砂纸进行打磨，在其中一个端面上用洛氏硬度计测量其硬度（另一端用于磨制金相试样）。每个试样测量3次，并记录硬度值（先用HRC测试，若硬度在HRC20以下时，则用HRB测试），最后取三次测量的算术平均值。

5．将热处理后的试样制成金相试样，在显微镜下分析低、中、高碳钢经过不同热处理的组织特征，画出典型的显微组织图，并将组织名称填写在表2中。。

6．选择各试样的显微组织中有代表性的区域进行摄影。最后，综合全班的实验数据和金相照片，进行全面分析，并完成实验报告。

五、实验设备和材料

1．实验设备

中温箱式热处理炉、洛氏硬度计、数码金相摄影显微镜

2．实验材料

20钢、45钢、T8钢或T10钢

六、实验组织

1．每班按学号分为三个大组，第一组做20钢的实验，第二组做45钢的实验，第三组做T8或T10钢的实验。

2．本实验分两次进行。第一次实验实施热处理操作，测量热处理组织硬度；第二次实验制备金相试样，进行金相摄影和组织分析。

七、实验注意事项

1．电阻炉使用时一定要接地，往炉中放、取试样时，必须先切断电源。

2．往炉中放、取试样时，必须使用夹钳，而且夹钳必须擦干，不得沾有油和水。

3．由炉中取出试样淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影响淬火质量。

4．试样在淬火液中淬火时要不断搅动，以免试样表面由于冷却不均而出现软化点。

5．淬火时水温应保持在20℃～30℃左右，水温过高要及时换水。

6．热处理后的试样均要用砂纸打磨表面，去掉氧化皮后再测定硬度值。

八、实验报告要求

1．简述本实验的目的。

2．说明制定本实验中各工艺参数的依据，分别绘出各个热处理工艺的工艺曲线。

3．将制定的热处理工艺和实验所得的硬度测试值填入下表：

表2 试样的热处理状态及其硬度测量

4．绘制方块图比较1号（原始态）、2号（退火态）和3号（正火态）三个试样的硬度，绘制方块图比较4号、5号和6号三个淬火试样的硬度，并分别说明其硬度不同的原因。

5．将本组所做的所有试样的金相组织照片贴在报告纸上，照片的大小为5×6cm，应标明材料名称、热处理状态、浸蚀剂名称和放大倍数，并在图上标注组织组成物名称及其特征。

6．比较6号、7号和8号三个淬火试样的显微组织图，并分析其中的原因。

7．结合实验所得的组织图片和性能数据，分析热处理工艺、组织与性能的相互关系。

九、思考题

1. 决定钢材淬火温度的主要因素是什么？淬火温度太高或太低有什么害处？

2. 钢材的硬度与其他力学性能（如强度、塑性、韧性）有何关系？是否可由硬度值估计钢材的其他力学性能？

实验二淬火碳钢经不同温度回火后的显微组织和性能变化一、实验目的

1．研究淬火后的低、中、高碳钢经过低温、中温和高温回火后的组织特征和性能特点，分析回火温度对低、中、高碳钢的显微组织和力学性能的影响；

2．掌握根据材料的成分和零件的使用性能要求制定碳钢的淬火回火工艺的基本原则；

3．熟悉对淬火碳钢进行回火处理的基本操作要领。

二、实验原理

钢件在淬火后得到马氏体或马氏体与残余奥氏体的混合组织，使钢件在淬火后的强度和硬度有了很大的提高，但它的塑性与韧性却较低，且存在很大的内应力。因此，淬火钢件一般很少直接使用，必须经过回火处理后才能在实际中使用。通过回火可以在很大范围内调整钢材的强度、塑性和韧性之间的配合，消除大部分淬火应力，提高钢件尺寸的稳定性，从而满足各种机械零件对其使用性能提出的不同要求。回火通常是零件热处理的最后一道工序，对钢的最终性能有重大影响，可以说回火工艺基本上决定了零件的使用性能和寿命。因此，研究淬火钢在不同温度回火后的组织特征和性能变化，对生产实践具有重要的指导意义。

（一）淬火碳钢经过不同温度回火后的组织变化

碳钢淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，它们都具有向稳定的铁素体和渗碳体转变的趋势。钢件在回火加热时，提高了原子的活动能力，促进了这个转变过程的进行。马氏体和残余奥氏体在回火时的组织变化主要包括：马氏体的分解；残余奥氏体的转变；碳化物类型的转变和α相的回复与再结晶等四个基本过程。淬火碳钢在不同温度回火后的组织，便是由上述转变过程在不同温度范围所产生的组织转变产物构成的。但由于钢的成分和回火工艺的不同，碳钢回火后的显微组织存在较大的差异。淬火碳钢随着回火温度的提高所发生的组织和性能变化如图1所示。

图1 随回火温度提高淬火碳钢的组织和性能变化示意图

1．回火第一阶段转变后的组织（100℃～250℃）

低碳钢在淬火时得到位错型板条状马氏体组织，其内部存在大量位错。由于碳原子处于位错线附近时，其弹性畸变能比在正常间隙位置时要小，故在100℃～200℃温度回火时，马氏体中的碳原子向位错等晶体缺陷处偏聚，形成碳的偏聚区。而当回火温度高于200℃或是发生自回火时，将在碳偏聚区自马氏体中直接析出θ-碳化物。虽然钢中碳原子的偏聚无法通过金相法直接观察，但可用

电阻、内耗等方法测出。

高碳钢在淬火时得到的是孪晶型片状马氏体和残余奥氏体组织。在100℃～250℃回火时，开始是碳原子在马氏体的孪晶面{100}α’上聚集为碳原子的聚集区，随着回火温度逐渐升高和回火时间延长，碳原子富集区不断形成和长大，直至自马氏体中析出亚稳定的ε-碳化物（ε-Fe x C），从而使淬火马氏体分解为回火马氏体。其过程可表示为：

α’→M’ (α相+ε-Fe x C )

析出碳化物后，α相的含碳量显著下降。在250℃进行回火时，回火马氏体中α相的含碳量仅为0.25％左右。析出的ε-碳化物极其细小，无法用光学显微镜分辨出，但可在电镜下观察到，ε-碳化物在电镜下呈长度约100nm且平行于{100}α’的条状薄片。若用高分辨率电子显微镜观察，这些条状薄片又是由许多5nm左右的微细颗粒组成的，它们弥散分布在α相的基体中。与淬火马氏体相比，回火马氏体由于析出了极其细小弥散的碳化物，故极易被腐蚀，但仍能保持针片状特征，使其在光镜下呈黑色针（片）状组织。淬火马氏体和回火马氏体的显微组织如图2所示。

中碳钢正常淬火时将得到板条状位错马氏体和片状孪晶马氏体的混合组织。故在100℃～250℃温度范围回火时，兼有低碳钢板条状马氏体和高碳钢片状马氏体回火时的组织特征，即低碳板条状马氏体中的碳原子形成偏聚区，而高碳片状马氏体则分解为回火马氏体。

图2 淬火马氏体和回火马氏体的显微组织

左图：淬火马氏体；右图：回火马氏体

2．回火第二阶段转变后的组织（200℃～300℃）

碳钢淬火到室温后，除得到马氏体组织外，都会或多或少地保留一部分残余奥氏体组织，但只有在含碳量高于0.4％以上的碳钢和低合金钢中，才会出现可测量出的残余奥氏体。因此，淬火钢回火时，残余奥氏体转变仅对中碳钢和高碳钢有实际意义。

在200℃～300℃温度范围回火时，高碳钢和中碳钢中的残余奥氏体将转变为α相与ε-碳化物的机械混合物，即分解为回火马氏体或下贝氏体组织。其中α相的含碳量与马氏体在同温度下分解后的含碳量相近，也与过冷奥氏体在该温度下形成的下贝氏体中的含碳量一致。ε-碳化物也与相同温度下马氏体分解得到的或下贝氏体中形成的碳化物相似。最初从残余奥氏体中析出的碳化物是细薄片状的ε-碳化物，仍与α固溶体保持共格关系，在接近300℃时才会析出渗碳体。

3．回火第三阶段转变后的组织（250℃～400℃）

当回火温度升高到250℃～400℃时，碳钢马氏体中过饱和的碳原子几乎已全部析出，形成了比亚稳定的碳化物ε-Fe x C更为稳定的其他类型的碳化物。

对于高碳钢，片状马氏体在低温区回火时分解为α相和ε-Fe x C，两相之间仍保持共格关系。随着回火温度的升高，ε-碳化物在马氏体孪晶面{112}α’上转变为比较稳定的薄片状）χ-碳化物（χ-Fe5C2）。当回火温度进一步提高时，ε-碳化物与χ-碳化物又将进一步转变为更稳定的θ-碳化物，

即渗碳体Fe3C。渗碳体的初始形态也呈极细的薄片状，经常分布在孪晶界面或马氏体晶界上。由于ε-碳化物转变为新的、更稳定的其它类型碳化物，引起了α相与ε-碳化物两相之间共格关系的破坏。同时，为降低系统能量，初始形成的片状渗碳体逐渐成长为颗粒状碳化物，即渗碳体发生球化。因而，高碳钢在250℃～400℃回火时的显微组织为α相和与其无共格联系的颗粒状碳化物（Fe3C）的混合物，通常把这种组织称为回火屈氏体，它的金相组织特征是：在原来片状α相的基体上弥散分布着颗粒状的渗碳体。在光学显微镜下，这种组织呈暗黑色，但粒状渗碳体仍难以分辨清楚，用电镜观察时，粒状渗碳体则明晰可见。回火屈氏体的光学显微组织和电子显微图像如图3所示。

图3 回火屈氏体的光学显微组织和电子显微图像

左图：回火屈氏体光学显微组织；右图：回火屈氏体电子显微图像

低碳钢在250℃～400℃温度范围回火时，在未发生自回火的马氏体板条内的位错缠结处会析出细针状的θ-碳化物，此外还将沿板条马氏体条界析出长约1nm、宽约80nm的薄片状χ-碳化物。随着回火温度的升高，析出的θ-碳化物逐渐长大和球化，与保持板条状形态的α相形成回火屈氏体。

对含碳量大于0.25％、小于0.6％的中碳钢，在250℃以上回火时，最初析出的亚稳定ε-碳化物将直接转变为θ-碳化物，而不出现χ-碳化物。其中由低碳板条状马氏体析出的θ-碳化物，大多呈薄片状分布在板条界上，而由高碳孪晶马氏体析出的θ-碳化物，则呈条片状分布在原马氏体的孪晶界处。同样，随着回火温度升高和回火时间延长，薄片状θ-碳化物亦逐渐球化，转化为粒状碳化物，与其中孪晶亚结构已消失的α相形成回火屈氏体组织。

4．回火第四阶段转变后的组织（450℃～700℃）

图4 回火索氏体的光学显微组织和电子显微图像

左图：回火索氏体光学显微组织；右图：回火索氏体电子显微图像

低碳钢和中碳钢在淬火时所获得的板条状马氏体中存在着大量位错，且晶粒形状不是稳定的等

轴状，故在回火过程中将会发生回复与再结晶，在400℃回火时，回复已明显可见。此时，马氏体板条的宽度由于相邻板条的合并而显著增大，但回复后的α相形态仍呈板条状。当回火温度高于600℃时，回复了的α相开始发生再结晶，一些位错密度低的胞块长大成等轴状的新晶粒，使板条状特征逐渐消失。与此同时，颗粒状碳化物也聚集长大并均匀分布在α相晶粒中，使其显微组织接近于平衡状态，此种组织即为回火索氏体。它的金相组织特征为：在发生了回复和再结晶的铁素体（α相）基体中均匀分布着颗粒状渗碳体。在光学显微镜下，渗碳体外形已比较清晰。在电镜下观察，可见渗碳体颗粒已明显长大，铁素体为等轴状晶粒。

高碳钢淬火后获得的片状马氏体的亚结构主要是孪晶，当回火温度高于400℃时，孪晶全部消失，α相发生回复，但仍保持着片状马氏体的特征。当回火温度进一步升高至600℃～650℃时，α相发生再结晶，使马氏体片状痕迹完全消失，细粒状碳化物亦迅速聚集、球化和长大，从而得到回火索氏体组织，回火索氏体的光学显微组织和电子显微图像如图4所示。

（二）淬火碳钢经过不同温度回火后的力学性能

钢件的性能主要决定于它的成分和组织。不同成分的淬火碳钢经过不同温度回火后，将会具有不同的组织，因而其性能也会有所不同。经过不同温度回火后，中碳钢的各种力学性能的变化，如图5所示。

图5 中碳钢的力学性能与回火温度的关系

淬火碳钢回火后的性能主要取决于回火温度和回火时间，其中回火温度的作用尤为重要。因此生产中常按回火加热温度将回火分为低温回火、中温回火和高温回火，并根据零件对性能的不同要求，选用适合的回火方法。

1．低温回火（150℃～250℃）

根据钢种不同，低温回火的温度一般选为150℃～250℃，所得组织为回火马氏体。其目的是减少淬火钢件的应力，降低脆性，而保持其高硬度、高强度和高耐磨性。低温回火广泛应用于中、高碳钢制造的各种工具、量具、模具和高频淬火零件以及低碳钢渗碳零件等。

2．中温回火（350℃～500℃）

中温回火的温度通常在350℃～500℃之间，所得组织为回火屈氏体。中温回火的主要目的是获得高的弹性和高的屈服点以及较好的塑性与韧性，主要用于各类弹簧钢，如含碳量在0.6％～0.9％的碳素弹簧钢。另外，我国对主要承受小能量多次冲击载荷的中碳结构钢零件采用中温回火替代传统的调质工艺后，提高了零件的强度和多冲抗力。

3．高温回火（500℃～650℃）

高温回火的温度一般为500℃～650℃，高温回火后的组织为回火索氏体，习惯上将淬火加高温回火的工艺合称为调质处理。零件经过调质处理后，其强度、硬度与塑性、韧性之间可实现适宜的配合，具有良好的综合力学性能。高温回火主要用于用中碳钢和中碳合金钢制造的各种轴类、连杆类重要机械零件最终热处理。

三、实验内容和步骤

（一）实验内容

将已经淬火的低碳钢、中碳钢和高碳钢试样，在不同温度下进行回火处理，测试其力学性能（如硬度等），并将其制成金相样品，观察和分析淬火碳钢经过低、中、高温回火后的显微组织。

（二）实验步骤

1．按不同回火温度分组进行实验，每组领取低、中、高碳钢试样各一套。回火处理前对试样的两个端面进行打磨，使两个端面保持平行，在试样侧面打上编号。逐个测定每个试样在淬火态的硬度，每个试样测量3次，把所得数值填入附表2-1中。

2．对淬火后的20钢、45钢和T10钢试样进行回火处理，相应的工艺参数如下：

（1）回火温度：200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，到温入炉

（2）回火时间：保温30min

（3）回火后冷却方式：空气中冷却

将待处理试样按照其成分（含碳量）不同分别置于不同的试样盘上，等到炉温到达设定温度后，将试样盘放入炉中进行加热，待温度回升后开始计算保温时间。

3．试样在炉中完成保温后，即可出炉在空气中冷却。

4．热处理操作完成后，将各试样的两端用砂纸仔细打磨，在其中一个端面上用洛氏硬度计测量试样的硬度（另一端用于磨制金相试样，进行组织观察和照相）。每个试样测量3次，并记录硬度值（先用HRC测试，若硬度在HRC20以下时，则用HRB测试），最后取三次测量的算术平均值，将测量结果记录在表2-1中。

5．通过研磨、抛光、腐蚀等步骤将回火后的试样制成金相试样，在显微镜下分析低、中、高碳钢经过不同温度回火的组织特征，画出典型的显微组织图，并将组织名称填写在表2-1中。观察显微组织时，应用对比法进行分析研究，可采用较高的放大倍数进行观察，亦可参照有关金相图谱进行分析。

6．选择各试样的显微组织中有代表性的区域进行摄影。最后，综合全班的实验数据和金相照片，进行全面分析，并完成实验报告。

四、实验设备和材料

1．实验设备

（1）洛氏硬度计；

（2）低温、中温和高温回火用设备；

（3）金相显微镜以及制备金相试样所需用品。

2．实验材料

20钢、45钢、T10～T12钢等。

五、实验组织

1．每班按学号分为3～5个小组，每个小组完成一个温度参数的的回火实验。

2．本实验分两次进行。第一次实验实施热处理操作，测量热处理组织的硬度；第二次实验制备金相试样，进行金相摄影和组织分析。

六、实验报告要求

1．在Ф75mm圆中画出200℃、400℃和600℃回火后的显微组织图，标明材料牌号、组织名称、热处理工艺、浸蚀剂和放大倍数，并在图上标注组织组成物名称及其特征。说明碳钢的组织随回火温度变化的规律，并分析其变化的原因。

2．综合全班的实验数据，在坐标纸上绘制试验用钢的力学性能（硬度）与回火温度的关系曲线，说明碳钢的力学性能随回火温度变化的规律，并分析其变化的原因。

七、思考题

1．比较碳钢与合金钢的力学性能与回火温度的关系曲线，分析合金元素在回火过程中的作用。

2．碳钢试样回火后通常在空气中冷却即可，但合金钢冲击试样在较高温度回火后却要求用水进行冷却，试分析其中的原因？

附表：

表1 试验结果记录表