淬火升温加热时间对工件的影响

三、钢的淬透性

淬透性是钢最重要的工艺性能之一，它对合理选用材料及正确制定热处理工艺，具有十分重要的意义。

(一)淬透性的概念

钢的淬透性是指钢在淬火时能够获得马氏体的能力，其大小用在规定条件下淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。淬透层深度一般规定为从钢表面到内层半马氏体区(即50%马氏体+50%非马氏体)的垂直距离。

若将一根较粗的45钢试棒加热后在水中淬火，淬火后将其击断并将断口磨平，由表及里依次测量其硬度，可以发现表面硬度高而心部硬度低;观察其断面的金相组织，发现表层高硬度区域为马氏体，从表面到心部马氏体数量逐渐减少，出现马氏体和托氏体混合组织，靠心部区域则全部为托氏体甚至还存在珠光体。由以上分析可知，这根45钢试棒淬火后，并没有完全淬透。

一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层深度与工件截面上各点的冷却速度有关。工件表面的冷却速度最大，心部的冷却速度最小，由表面到心部冷却速度逐渐降低，如图6-26(a)所示。淬火冷却时，如果工件截面中心的冷却速度也能大于钢的临界淬火速度，工件就会完全淬透。但在大多数情况下，尤其是工件尺寸较大时，其心部的冷却速度是很难达到钢的临界淬火速度的，即多数情况下工件是难以淬透的，如图6-26(b)所示。

图6-26　工件截面不同冷却速度及未淬透区示意图

应当特别指出，淬透性与淬硬性是两个完全不同的概念，必须严格加以区分。淬透性表示钢在淬火时获得马氏体的能力，与钢的临界淬火速度有关。一般而言，钢的临界淬火速度越小，其淬透性越好;而淬硬性则表示钢淬火时的硬化能力，即钢在正常淬火条件下所形成的马氏体组织能够达到的最大硬度值，并不是指淬火形成马氏体组织层的深度。钢的淬硬性与马氏体的碳含量有关，马氏体的碳含量愈高，钢的淬硬性愈好。显然淬透性和淬硬性并无必然联系，例如高碳工具钢的淬硬性高，但淬透性却很低;而低碳合金钢的淬硬性虽然不高，但淬透性却很好。

实际工件在具体淬火条件下的淬透层深度与淬透性也不是一回事。淬透性是钢的一种属性，相同奥氏体化温度下的同一钢种，淬透性是确定的，其大小用规定条件下的淬透层深度表示。而实际工件的淬透层深度是指在具体条件下测定的工件表面到半马氏体区的深度，这个深度除与钢的淬透性有关外，还与工件尺寸及淬火介质等许多因素有关。例如，同一种钢在相同的介质中淬火，小件比大件的淬透层深;尺寸相同的同一钢种，水淬比油淬的淬透层深;工件的体积愈小，冷却速度愈快，淬透层愈深。但绝不能说同一种钢水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好。钢的淬透性是不随工件形状、尺寸和淬火介质的冷却能力而变化的。

(二)淬透性对钢力学性能的影响

淬透性对钢热处理后的力学性能影响很大。例如，将淬透性不同的两种钢制成等直径的圆轴，淬火并经高温回火(调质)处理后，其中一个淬透性高，能完全淬透，另一个淬透性低，未淬透。比较两者的力学性能发现，二者表面硬度虽然相同，但淬透性低未淬透的钢，心部的力学性能较低，尤其是冲击功(A_K)值更低。而淬透性高的钢，其力学性能沿截面分布是均匀的，如图6-27所示。

图6-27　淬透性不同的钢调质后的力学性能对比

钢淬火后组织中的马氏体量对回火后(回火至相同硬度36HRC)钢的疲劳极限也有一定的影响。淬火钢中马氏体量愈多，回火后钢的疲劳极限愈高。当工件截面尺寸很大时，淬透性对钢力学性能的影响尤为显著。

(三)影响钢淬透性的因素

钢的淬透性是由其临界淬火速度决定的，而钢的临界淬火速度又取决于钢的C曲线在坐标平面中的位置。所以，凡能增加过冷奥氏体稳定性的因素，或者说凡使C曲线位置右移，减小马氏体临界冷却速度的因素，均能提高钢的淬透性。影响淬透性的最主要因素是奥氏体的化学成分和奥氏体化的条件。

1．奥氏体的化学成分

奥氏体的化学成分对淬透性有着重要的影响。亚共析碳钢，随碳含量的增加，钢的临界淬火速度降低，淬透性有所增加;而过共析碳钢，随着碳含量的增加，钢的临界淬火速度反而增大，特别是当碳含量大于1．2%时，淬透性将明显降低。

除Co外，钢中大多数合金元素如Mn、Mo、Cr、Ni、Si、Al等，当其加热溶入奥氏体后，都能增加过冷奥氏体的稳定性，降低钢的临界淬火速度，使钢的淬透性显著提高。

2．奥氏体化的温度

钢加热时奥氏体化的温度对钢的临界淬火速度和淬透性亦有影响。钢奥氏体化的温度愈高，保温时间愈长，碳化物溶解愈充分，奥氏体晶粒愈粗大，成分也愈均匀，过冷奥氏体的稳定性就愈高。过冷奥氏体的稳定性愈高，其相变孕育期愈长，这将使C曲线右移的距离愈大，钢的淬透性提高。所以某些钢在较高的温度下淬火，可以降低其临界淬火速度，改善钢的淬透性。

(四)淬透性的测定及表示方法

1．端淬试验

目前测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法。通常用于测定优质碳素结构钢、合金结构钢的淬透性，也可用于测定弹簧钢、轴承钢、工具钢的淬透性。

末端淬火法如图6-28(a)所示。其要点是:将钢制成标准试样(GB1703—1995)，试验时将试样加热至规定温度待其奥氏体化后，迅速放入试验装置中从一端喷水冷却(水压固定)。显然，试样喷水末端冷却速度最快，淬火后硬度较高;随着距末端距离的增加，愈远的部分冷却速度愈小，硬度也相应地逐渐下降。端淬试样冷却后，沿其长度方向磨出一窄条平面，在此平面上，自水淬端每隔一定距离定点并测出各点硬度，将硬度值随距水淬端距离的变化关系绘成曲线，称为钢的淬透性曲线，如图6-28(b)所示。

图6-28　钢末端淬透性试验示意图

钢的淬透性值可用J表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。例如，J表示在淬透性带上距水冷端5mm处的硬度值为42HRC。显然J比J淬透性好。根据钢的淬透性曲线可以很方便地比较不同钢种的淬透性。

2．临界淬透直径

钢的淬透性也可以用临界淬透直径来表示。所谓钢的临界淬透直径，就是钢在某种介质中淬火冷却后，心部能够得到半马氏体组织的最大直径，用D_c表示。临界淬透直径是一种直观衡量淬透性的方法，显然，在同一种冷却介质中，钢的临界淬透直径值愈大，其淬透性就愈好。表6-7列举了一些钢的临界淬透直径，以供参考。

表6-7　常用钢的淬透性

(五)如何在设计中考虑钢的淬透性

钢的淬透性是钢的热处理工艺性能，在机械零件设计中意义重大，技术人员对此也必须有充分的了解，以便根据零件的工作条件和性能要求合理选材。

工件在整体淬火条件下，从表面到心部能否完全淬透，对其力学性能有重要的影响。如许多大截面零件、在动载荷下工作的重要零件(如各种齿轮、轴类)以及承受拉力和压力的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等，常常要求零件的表面和心部力学性能一致，这时应根据零件的尺寸，选用能够完全淬透的钢种。

当某些工件的心部性能对其使用条件影响不大时，则可考虑选用淬透性较低、淬硬层较浅(如淬硬层深度为工件半径或厚度1/2，甚至1/4)的钢，有利于降低成本。

有些工件不宜选用淬透性高的钢。例如焊接工件，若选用淬透性高的钢，就容易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成焊件变形和裂纹;又如承受强冲击和复杂应力的冷镦凸模，其工作部分常因全部淬硬而发生脆断。

从热处理工艺性能考虑，对于形状复杂、变形要求严格的工件，如果所用钢的淬透性较高(如合金钢工件)，则要选择在较缓和的冷却介质中淬火。如果钢的淬透性很高，甚至可以考虑在淬火时限制冷速(如采用空冷等)以减小变形。