实验三、化学热处理组织观察（2学时）
一、实验目的：
1、了解常见化学热处理的组织特征。
2、学会在退火状态下测量渗碳层深度的方法。 二、实验内容： （一）、化学热处理原理：
化学热处理是使钢表面强化的手段之一。它是将零件加热到一定的温度使钢的表面和化学介质发生相互作用，从而改变钢的表面化学成分及组织，使零件的表面层和心部分别具有显著不同的性能。
根据渗入的化学元素不同，化学热处理一般分为两大类：一类是渗入非金属元素，如渗碳、氮化、碳氮共渗和渗硼等，其作用是增加零件的表面硬度及耐磨性，提高疲劳寿命等性能；渗氮可使表面硬度达到HV800—1000以上，渗硼可使零件表面硬度达到HV1350—1550。另一类是渗入金属元素，如渗铬、渗铝、渗硅等。其作用是使零件表面获得某些特殊的物理和化学性能。渗铬可增加工件表面的耐磨性和耐蚀性，
无论是那一类化学热处理，它的基本过程都是由分解、吸收、扩散三个相互连系的过程组成。
1、分解：从化学元素中分解出游离的活性原子，例如，渗碳：2CO→CO2+（C），只有这样的活性（C）原子。才能渗入钢中，而处于结合状态的原子是不能渗入钢中的。
2、吸收：分解出来的活性原子吸附在钢的表面并发生相互作用，即活性原子向钢的固溶体中溶解，或形成化合物。例如渗碳时，就是活性（C）向奥氏体中溶解，当固溶体达到饱和浓度后，便形成Fe3C。
3、扩散：由于钢的表面吸收了活性原子，使其浓度增加，这样就造成了表里之间较大的浓度差，致使溶入元素向内扩散。所以工件工件在介质中加热一定时间后，便棵得到一定深度的扩散层。
化学热处理后的工件，由于活性元素的渗入，使钢从表面到心部的化学成分发生变化，以碳钢为例，工件渗碳后，碳浓度从表面到心部逐渐降低。如图所示；所以钢在渗碳后缓冷时，从表面到心部便会发生与Fe—Fe3C状态图相对应的从过共析到亚共析的各种组 织特征。即最表面层为珠光体与二次渗碳体构成的过共析层，往内则是由珠光体构成的共析层组织，随后是珠光体逐渐减少，铁素体逐渐增加的亚共析层组织，最后是原始组织。
钢渗碳淬火后组织随工件大小，淬火温度的高低而各不相同。当淬火温度高（即高 于表层及又高于心部组织的AC3时）可都得到单相奥氏体，小试件淬火后，表层得到高碳马氏体，逐渐过度到心部的低碳马氏体。如果淬火温度低，高温时除奥氏体外，表层还有渗碳体，心部有铁素体，淬火后表层为马氏体+碳化物，过度层为马氏体，小工件心部为马氏体+铁素体。组织不同钢的性能也不同。
碳氮共渗、渗氮，渗硼等，基本原理无太大差异，但组织及性能各部相同。
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图3—1
18CrMnTi 渗碳退火组织
18CrMnTi 渗碳淬火组织
38CrMoAi渗氮组织
45#钢渗硼组织
（二）、实验项目：
1、观察分析各种化学热处理试样。 2、测定渗碳层深度。
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测定渗碳层深度的方法常用的有两种： （1）、断口法： 断口法测定渗碳层深，先要将试样淬火后敲断，断口上渗碳部分为白色的瓷状断口，未渗碳部分为灰色纤维状断口，交界处的含碳量为0.4%，此法较简单方便，但误差较大。 也可以在400—500℃加热至渗层发兰紫色后观察。另一种是用4%的硝酸酒精浸蚀数十秒使渗层呈黑色，中心呈灰色。采用了这些措施后便可以使断口法不仅用于淬火状态，而且可以用于正火状态。 （2）、金相测定法（显微组织法）：
金相测定法又可根据试样的组织状态分为；退火 A、退火状态：
现行的测量渗碳层深度的标准中规定，试样必须在退火状态下进行。若已经过淬火的，测定时必须按该钢种的退火工艺进行等温退火。此法的优点是显示组织明显、清晰、测量精度高，容易掌握，但周期较长。关于渗层深度测量的标准，根据各类零件的技术要求不同而有不同的规定，目前有以下几种：
a、由表面至心部组织（即过共析层、共析层及过度层的总和）作为渗碳层的深度。汽车用渗碳钢制作的齿轮就是采用这一标准。
b、由表面至过度层的1/2处的深度作为渗碳层的深度。此标准一般用于碳素渗碳钢。 c、由表面至过度层的2/3处的深度作为渗碳层的深度。如含铬的合金渗碳钢便采用此标准。
以上规定的出发点是测到硬度HRC≥45为依据，这时渗碳层经淬火后才能起到耐磨及强化的效果。
18CrMnTi渗碳退火表面组织：网状 B、淬火状态：
这是根据马氏体因含碳量不同，其形态也不同的差异来进行测量的。试样因渗碳淬火后由零件表面到心部相应的显微组织为碳化物及针状马氏体、残余奥氏体逐渐过度到针状马氏体及板条马氏体（低碳马氏体），而形成了黑白反差较大的中碳马氏体，再过度到板条状的低碳马氏体或含有少量铁素体。但此法渗碳层分界线显示不够明显。
C、等温淬火：
对于一些合金渗碳钢，如18CrNi8A，因合金元素含量较高，在渗碳缓冷后，不能明显的显示出过度层，因此可以采用等温淬火法。其原理是利用表层与心部含碳量不同，MS点也不同，试样经等温淬火后，因有不同的马氏体转变温度这一道理。具体做法是：渗碳后的试样在某一定温度Mt等温淬火，该温度介于表面组织的Ms点和心部组织的Ms点之间，当等温一定时间后，这时低碳的中心部分的组织淬于Mt温度的介质中而发生马氏体转变，并经回火，而表面的高碳的奥氏体没转变，是在随后的冷却时才发生马氏体转变，并未经回火。经腐蚀后，利用回火马氏体与淬火马氏体在腐蚀颜色上的差异，来显示渗碳层是很清楚的。但这仪方法很重要的一点是如何选择等温淬火的温度Mt，它会直接影响渗层的厚度。对于12CrNi3A含碳量0.33%处（2/3过度区）的Mt点为295—300℃，18CrNi4A渗碳后为275—280℃。
三、实验报告要求：
1、仔细观察分析各类化学热处理的金相试样，分析各自的组织特征。（渗碳、渗硼、渗氮）。
2、绘出渗碳退火组织图，测量渗碳层深度并标出渗碳层深度的示意图。 3、分析渗碳淬火组织由表至里的变化情况及对零件性能的影响。
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实验四、钢的热处理缺陷分析（2学时）
一、实验目的：
1、了解热处理各种热处理缺陷产生的原因及防止措施， 2、用金相显微镜观察及分析各种热处理缺陷， 3、学会用金相显微镜测定脱碳层的方法。 二、实验内容：
在各种热处理工艺中淬火缺陷最为常见，如硬度不足、软点、变形甚至开裂等，但产生的原因很多，须丛各个方面进行检查及分析。其中金相检验较为方便，而占有重要地位。 （一）、热处理缺陷分析的一般步骤：
首先应了解零件的技术要求，使用材料、热处理工艺等。
1、 零件的外观检查；有无裂纹、裂纹的情况、分布状况及大小，断口形貌。 2、 硬度测量：判断热处理硬度是否达到技术要求，为金相检验提供数据。 3、 必要时进行材料的化学成分分析；判断材料是否混料而误用成其它材料。 4、 正确的取样；选取有代表性的部位，否则将得出错误结论。
5、 金相检验：试样经磨制抛光后，必要时可在浸蚀之前检查裂纹形态和夹杂物的
情况，来判断是否是形成裂纹的原因。
6、 作出结论：通过多方面的检验后，找出缺陷形成及产生的证据及原因，可能的
话提出改进的建议。
三、常见的热处理缺陷有如下几种； 1，、中碳钢及中碳合金钢淬火后正常组织是细小及中等粗细的马氏体。当这种马氏体组织中有部分铁素体，就会使淬火马氏体的硬度下降，当铁素体数量越多硬度就越低，产生这种现象的主要原因是加热温度低于AC3。所致。
2、另外在中碳钢及中碳合金钢淬火后正常组织是细小及中等粗细的马氏体。当这种马氏体组织中夹有贝氏体或屈氏体，有时还伴有少量铁素体，就会使淬火马氏体的硬度下降，后两者的数量越多则硬度越低，产生这种现象的主要原因是冷却速度不够迅速。
马氏体+铁素体组织 马氏体+屈氏体组织
当马氏体太细小，同时又出现白色块状铁素体，这是淬火加热温度偏低所制。 2、高碳钢及高碳合金钢再淬火后的正常淬火组织应该是针状或细针状马氏体及均匀分布的小颗粒炭化物。当组织中炭化物颗粒较多，这说明炭化物溶入不足，马氏体的碳及合金化浓度不够，甚至有部分未溶入奥氏体的珠光体小区域存在，这时还表现为硬度低或硬度不均匀。这是淬火加热温度偏低所制。
有时组织中含有少量屈氏体，当含量多时表现为硬度不足，当含量少时只有用金相法进行检验。为了确保质量一些钢材都有它的一套质量检验标准。
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3、当淬火组织中马氏体针叶粗大，高碳钢中炭化物减少甚至消失，出现明显的残余奥氏体，（一般马氏体针还会随淬火温度的增大而增大）这是淬火过热的原因。它也会使硬度降低。
45#钢 1000 ℃加热淬火（粗大的马氏体）
T12钢 1000 ℃加热淬火（马氏体及残余奥氏体）
当加热温度太高时，不仅马氏体针叶粗大，残余奥氏体数量增多，甚至会引起奥氏体晶界融化，这种现象叫过烧。总的来说淬火加热温度过高，使试件内应力增大，致使工件产生裂纹造成产品报废。
4、在淬火加热时，由于加热介质中氧的存在而使试样表面发生氧化与脱碳。脱碳层会直接影响工件的表面的硬度及耐磨性。
5、淬火时使用的冷却介质不当，或形状复杂的工件淬火时操作不当，或合金钢件，特别是合金工具钢件，如果淬入水中透冷，由于淬火应力过大，往往会形成工件开裂。
对于错综复杂的热处理缺陷必须进行认真的分析处理。 四、脱碳层深度的测定方法： 按GB224—86的标准，钢的脱 碳层的深度显微测定方法如下； （一）、术语及定义
1、脱碳层可分成两部分； （1）、全脱碳层 （2）、部分脱碳层
2、脱碳层的总深度包括全脱碳层的深度和部分脱碳层的深度。 （1）、全脱碳层是全部为铁素体组织的部分，就是由试样的边缘至最初发现有珠光体或其它组织的部分。如图4—1。
（2）、部分脱碳层是其中只脱去一部分碳的区域。（即有部分铁素体的部分），如果没有全脱碳层存在时，脱碳层就由部分脱碳层来计算。即由试样的边缘测量到最后一颗铁素体晶粒处。
（二）试样的制畚：
1、试样从交货状态的钢材或零件截取，试样的磨光面必须垂直于轧（锻）方向。 2、试样被检查周遍长度不小于20mm。对直径小于25mm的冷拔及高频淬火用钢材，必要时，可检查试样的全部周边。
3、实验时不允许用卷边或磨圆的试样。为防止试样的卷边或磨圆，可将试样进行镶嵌或用夹具来进行磨制抛光。
4、试样的浸蚀，必须保证钢的脱碳层全部清楚地显示出来。
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