淬透性与淬硬性(精)

六、淬硬性和淬透性网带式淬火炉•淬透性是钢的主要热处理性能。•是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。•1.淬透性——钢在规定淬火条件下，可以达到的淬硬层深度。◇淬透性是钢材的一种属性，是指钢淬火时获得马氏体的能力。◇影响因素：钢的成分；过冷奥氏体的稳定性，即Vk，临界冷却速度越低，钢的淬透性越好。淬透性好的钢在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火冷却介质，减小工件淬火变形及开裂的倾向。◇不同化学成分的钢淬火后所得马氏体组织的硬度值是不同的。•2.淬硬性——钢在正常淬火条件下，淬火形成的马氏体所能达到的最高硬度。◇淬硬性取决于马氏体的含碳量，含碳量越高，碳的过饱和度就越大，硬度越高。M量和硬度随深度的变化•淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。1、钢的淬透性用不同钢制成的尺寸、形状相同的试样，在同样淬火后，有的钢表层和心部可全部淬为马氏体(即已淬透)，有的钢则只能在表层获得马氏体；有的钢淬火后硬度很高(如T8钢硬度大于62HRC)，有的则很低(20钢为45HRC)。之所以会有这么大的差别，是因为不同钢获得马氏体的能力不同，不同碳含量的钢马氏体硬度不同。•钢获得马氏体的能力不同，不同碳含量的钢马氏体硬度不同。•通常用淬透性这一指标来衡量钢淬火获得马氏体的能力——淬透能力•用淬硬性来衡量钢被淬硬的能力。(1)钢的淬透性和淬硬性的区别淬透性是钢的固有属性。反映钢的过冷奥氏体稳定性，主要取决于钢的等温转变曲线“鼻尖”位置(即临界冷却速度V．的大小)，而与外部因素无关。等温转变曲线“鼻尖”位置越靠右(即VK越小)，可获得的马氏体层深度越大，该钢种的淬透性越高，反之越低。淬硬性表示钢淬火后所能达到的硬度，主要取决于马氏体中的含碳量。因而淬透性和淬硬性并无必然联系，如高碳工具钢的淬透性高，但淬硬性很低；而低碳合金钢的淬硬性不高，但淬透性却很好。实例•18Cr2Ni4WA，由于加入合金元素，淬透性大大提高(在油中的淬透深度l00mm)，但因其马氏体中碳含量低，合金元素对提高马氏体硬度的作用又不显著，故淬火后硬度并不高(45HRC)；而Tl0钢淬透性较差(水淬淬透深度15mm)，但淬火后硬度却很高(63HRC)，淬硬性很高。当然有的钢淬透性和淬硬性都很高，如Wl8Cr4V等碳、合金元素含量都较高的钢。(2)淬透性与实际淬透层深度的关系•实际淬透层深度(常简称为淬透深度或淬硬(层)深度)与淬透性之间有密切关系，但又有着重要的区别。•实际淬透深度是指在实际具体条件下获得的马氏体层深度，对试样尺寸、形状及冷却条件等没有要求，其值是随条件变化而变化的。而淬透性反映的是标准条件下的淬透深度，其值是固定的，所用试样尺寸、形状及冷却条件等都要求处在标准状态。例如，45钢在标准条件下的淬透深度约为l5mm，而同样试样在20℃、5％(质量分数)食盐水中的淬透深度可达21mm，在油中的淬透深度却不到l0mm。•同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。•淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。(2)淬透性与实际淬透层深度的关系(3)淬透性和淬硬性的关系【想一想】①能否说同一钢种水淬的淬硬性一定比油淬大?能否说水淬的淬透性比油淬好?②能否说直径小的45钢X-件较直径大的淬透性好(二者长度一样)?为什么?淬硬性与实际淬透深度呢?①能否说同一钢种水淬的淬硬性一定比油淬大?能否说水淬的淬透性比油淬好?②能否说直径小的45钢工件较直径大的淬透性好(二者长度一样)?为什么?淬硬性与实际淬透深度呢?【想一想】冷却速度与工件淬硬层的关系2．影响钢淬透性的因素钢的淬透性主要决定于临界冷却速度的大小，即决定于等温转变曲线“鼻尖”位置，钢的成分、组织等影响等温转变曲线“鼻尖”位置的材料因素都对淬透性有影响。(1)钢的化学成分碳含量的影响，ωC1％时，随着碳含量的增加，临界冷却速度下降，淬透性提高；ωC1％则相反(这是因为随碳含量提高，未溶碳化物增多，而未溶碳化物是珠光体择优形核的地点，未溶碳化物越多，过冷奥氏体越容易分解为珠光体，故等温转变曲线相对左移，VK增大)。曲线b是加热温度高于Ac3或Accm时的情况•钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。•Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小。因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素.即除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。含碳量对冷却速度的影响合金元素对临界冷却速度的影响如下所示。由图可见，除Ti、Zr、Co外，所有合金元素都使临界冷却速度降低，都使淬透性提高。碳化物形成元素只有溶入奥氏体才可起增大淬透性的作用，若存在于碳化物中则反而起降低淬透性的作用。(2)奥氏体晶粒度和成分均匀程度同样加热条件下，奥氏体晶粒越大，成分越均匀，则过冷奥氏体越稳定，故淬透性越好。(3)未溶第二相的影响钢中未溶碳化物、氮化物等与奥氏体的交界处是珠光体、贝氏体择优形核地点，可促进珠光体、贝氏体形核，降低过冷奥氏体的稳定性，故降低淬透性；此外，未溶碳、氮化物还会阻碍奥氏体晶粒长大，也对淬透性有降低作用。此外，形变和应力场等对钢的淬透性也有影响。合金元素对冷却速度的影响合金元素对冷却速度的影响2、淬透性的测定方法（1）．临界直径法临界直径(d0)是指圆柱钢试样在某种介质中淬冷后，中心得到全部马氏体或50％(体积分数)马氏体组织的最大直径。临界直径越大，表示这种钢的淬透性越高。表8—4给出了常用钢材在水或油中淬火时的临界直径。利用临界直径的数据，可判断工件淬火后的淬透程度，并制订出相应合理的工艺，选择适当淬火介质，因此，临界直径很有实际意义。但该法需制作较多试样，测定方法也较繁杂，且检测部位不同，对所得检测结果也有影响，使检测结果间不便对比，故其应用受到限制。•（2）用临界淬透直径表示•临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。•D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。•只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40CrD0油=20mm。马氏体马氏体索氏体（2）端淬法目前国内外应用最广泛的淬透性试验方法。GB／T225-2006规定了端淬法的试样形状、尺寸及试验方法。如图所示，试验时，将按规定的奥氏体化条件与距水冷端距离的关系曲线，此曲线即称为淬透性曲线。由图8—19可看出，硬度值是在一定范围波动的，这主要是由于钢厂提供的钢材的化学成分有一定的波动(晶粒度对数据也有一定影响)，因而测得的数据也在一定范围波动，故淬透性曲线实际是一条淬透性带（淬透性带越窄越好，这意味该钢种的成分和晶粒尺寸波动较小，这对热处理质量控制有重要意义）。示，J表示末端淬透性，d表示半马氏体区到水冷端的距离，HRC为半马氏体区的硬度。•2、淬透性的表示方法•⑴用淬透性曲线表示dHRCJ即用表3、淬透性的测定及其表示方法•（1）淬透性的测定常用末端淬火法4、淬透性的应用淬透性曲线的意义是直接反映了材料淬透性的高低，由图8—20可直接看出45Cr钢的淬透性明显优于45钢，45钢硬度下降很快，而45Cr的曲线较平滑，硬度下降较慢。•淬透性及淬透性曲线在合理选材、预测材料组织与性能及制订热处理工艺等方面都有重要实用价值。4、淬透性的应用(1)比较不同钢种的淬透性•淬透性是钢材选用的重要依据之一。用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离。•该距离越大，则淬透性越好。40Cr钢的淬透性比45钢要好。•2、利用淬透性曲线进行选材。•截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。••承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。在端淬试验中，试样某处的冷速与水冷(或油冷)时某直径圆钢的中心或表面等处的冷速是相同的。如图8一l9所示，至水冷端6mm处的冷速与油冷时直径为15mm的圆钢中心、直径为25mm圆钢距中心3R／4处及直径为46mm圆钢表面处的冷速相同；也与水冷时直径为31mm圆钢的中心、直径为51mm圆钢距中心3R／4处的冷速相同。当然这些位置的硬度也是相同的，均为60～65HRC。国家标准GB／T225--2006规定，在不同距离处测得的硬度用淬透性指数J××一d表示。d代表距水冷端面的距离(mm)，×X表示该处的洛氏硬度(HRC)值。如J52—17表示距水冷端面17mm处的硬度为52HRC。该硬度值有时也可用维氏硬度(HV)表示。端淬法的优点是操作简便，适用范围广，适用于优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、部分工模具钢、轴承钢及低淬透性结构钢。1)根据端淬曲线合理选用钢材，以满足心部硬度的要求。例如：某直径为35mm圆柱形工件，要求油淬(H=0．4)后表面硬度45HRC，心部硬度32HRC，可否选用40Cr?解：①上图是40Cr钢的端淬曲线，在油淬“中心”栏内35mm处引垂线，与端淬曲线分别交于34HRC和57HRC处。这表明直径为35mm的40Cr钢棒料油淬后，中心处的硬度在34～50HRC之间，可满足心部硬度32HRC的要求。②在油淬“表面”栏的35mm处引垂线，与端淬曲线分别交于48HRC和58HRC。这表明直径为35mm的40Cr钢棒料油淬后，表面硬度为48HRC～58HRC，可满足表面硬度45HRC的要求。故该工件可选用40Cr钢。45钢与45Cr钢的淬透性曲线45钢40Cr钢2)预测工件淬火后硬度分布例如：某40Cr工件，有效厚度50mm，问水淬(H=1)和油淬(H=0．4)后沿横截面的硬度分布。解：此题解法与上题类似。首先在水淬“表面”、“距中心3／L／4”及“中心”栏内50mm处分别引垂线，与端淬曲线分别交于53HRC、60HRC，46．5HRC、56HRC和33HRC、50．5HRC，这表明水淬后表面硬度为53—60HRC，3R／4处硬度为46．5～56HRC，心部硬度为33—50．5HRC。同理可找出油淬后表面硬度为45～56．5HRC，3R／4处硬度为33．5—50．5HRC，心部硬度为28～43．5HRC。3)根据端淬曲线选择淬火介质，制订热处理工艺。•例如：某40Cr工件有效厚度为45mm，要求淬火后表面硬度52HRC，心部硬度33HRC，可否采用油淬(H=0．4)?解：由图8-21查得直径45mm工件油淬后表面硬度为46～57．5HRC，心部硬度为29—46HRC。表面与心部硬度的下限均不符合要求，故不宜油淬。水淬表面硬度为53～60HRC，心部硬度为37～53HRC。从满足硬度要求的角度考虑，可选用水淬；如欲减少淬火应力引起的变形，则应选用快速淬火油或水淬油冷的冷却方式。