马氏体的连续冷却曲线

7.5.5　钢的淬透性

1．钢的淬透性及其测定方法

淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。要获得马氏体，冷却速度必须大于临界冷却速度v_k。淬火时，同一工件表面和心部的冷却速度是不相同的。一般情况下，工件的冷却速度沿截面由外往内递减。对截面较大的工件，当它的表层冷却速度超过v_k获得马氏体组织时，心部可能达不到v_k而获得非马氏体组织，此时工件的整个截面内由一定深度的马氏体和非马氏体组成，我们称之为未淬透。如果截面小，心部全为马氏体，则称之为淬透。在相同条件下，不同材料淬火获得的马氏体量不同。钢获得马氏体的能力可用淬透性来表示。不同成分的钢淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性好，反之则差。如直径为30mm的45钢和40CrNiMo试棒，加热到奥氏体区（840℃），然后都用水进行淬火。分析两根试棒截面的组织，测定其硬度。结果是45钢试棒表面组织为马氏体，而心部组织为铁素体＋索氏体。表面硬度为55HRC，心部硬度仅为20HRC，表示45钢试棒心部未淬火。而40CrNiMo钢试棒则表面至心部均为马氏体组织，硬度都为55HRC，可见40CrNiMo的淬透性比45钢要好。

淬透性可用“末端淬火法”来测定。将标准试样（Φ25×100mm）加热奥氏体化后，迅速放入末端淬火试验机的冷却孔中，喷水冷却。规定喷水管内径为12.5mm，水柱自由高度为65mm±5mm，水温为20℃～30℃。图7-21（a）为末端淬火法的示意图。显然，喷水端冷却速度最大，距末端沿铀向距离增大，冷却速度逐渐减小，其组织及硬度亦逐渐变化。在试样侧面沿长度方向磨一深度为0.2mm~0.5mm的窄条平面，然后从末端开始，每隔一定距离测量一个硬度值，即可测得试样沿长度方向上的硬度变化，所得曲线称为淬透性曲线（如图7-21（b）所示）。

实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢，由于化学成分和晶粒度的差异，淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。

根据国标规定，钢的淬透性值用表示。其中J表示末端淬火的淬透性，d表示距水冷端的距离，HRC为该处的硬度。例如，淬硬性值，即表示距水冷端5mm处试样硬度为42HRC。

图7-21　用末端淬火法测定钢的淬透性

值得注意的是，钢的淬透性与实际工件的淬透层深度并不相同。淬透性是钢在规定条件下的一种工艺性能，而淬透层深度是指实际工件在具体条件下淬火得到的表面马氏体到半马氏体处的距离，它与钢的淬透性、工件的截面尺寸和淬火介质的冷却能力等有关。淬透性好，工件截面小，淬火介质的冷却能力强则淬透层深度越大。

钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度叫做钢的淬硬性，它主要决定于马氏体的碳含量。

2．影响淬透性的因素

钢的淬透性由其临界冷却速度决定。临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好。因此，凡是影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性。

（1）碳质量分数

对于碳钢，碳质量分数影响钢的临界冷却速度。亚共析钢随碳质量分数减少，临界冷却速度增大，淬透性降低。过共析钢随碳质量分数增加，临界冷却速度增大，淬透性降低。在碳钢中，共析钢的临界冷却速度最小，其淬透性最好。

（2）合金元素

除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。

（3）奥氏体化温度

提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。

（4）钢中未溶第二相

钢中末溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其他非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。

3．淬透性曲线的应用

利用淬透性曲线，可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。利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（如图7-22（a）所示），由图中可知40Cr钢的淬透性比45钢要好。

图7-22　利用淬透性曲线比较钢的淬透性

淬透性不同的钢材经调质处理后，沿截面的组织和力学性能差别很大。淬透钢棒整个截面都是碳化物球化的回火索氏体，力学性能均匀，强度高，韧性好。而未淬透钢内部为片状索氏体＋铁素体，表层为回火索氏体，心部强韧性差。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，要求截面性能均匀，应选用淬透性好的钢。而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。只要求淬透层深度为轴半径1/3～1/2即可，这样，既满足了性能要求，又降低了成本。截面尺寸不同的工件，实际淬透层深度是不同的。截面小的工件，表面和中心的冷却速度均可能大于临界冷却速度，可以完全淬透。截面大的工件有可能表层淬硬，截面过大的工件其表面甚至也可能淬不硬。