淬透性基础概念及影响因素简析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图3-14钢的淬火硬度与碳含量的关系应当指出，钢的淬透性与工件的淬透深度之间虽有密切关系，但不能混为同一个概念。可见工件的淬透深度除取决于钢的淬透性外，还与工件尺寸、所采用的冷却介质等外部因素有关。

工程上考查和评定淬火质量效果，常以一定淬火介质中钢的淬透性来衡量。

1.淬透性的概念与淬透性表示方法

由于淬火冷却速度很快，所以工件表面与心部的冷却速度不同，表层最快，中心最慢，如图3-12(a)所示。如果钢的淬火临界冷却速度较小，工件截面上各点的冷速都大于淬火临界冷却速度，工件从表面到心部都能获得马氏体，称为“淬透”。如果钢的淬火临界冷却速度vc较快，工件表面冷速大于淬火临界冷却速度，而从表面下某处开始冷速低于淬火临界冷却速度，则表面获得马氏体，心部不能得到全马氏体或根本得不到马氏体，此时工件的硬度便较低，称为“未淬透”。通常，我们将未淬透的工件上具有高硬度马氏体组织的这层称为“淬硬层”，如图3-12(b)所示。可见，在工件尺寸和淬火规范一定时，因钢种不同，淬火临界冷却速度不同，就会得到不同的结果，有的淬硬层深，有的淬硬层浅，有的能淬透，有的不能淬透。

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图3-12　零件截面上各处的冷却速度与未淬透区示意

(a)冷却速度；(b)未淬透区

所谓钢的淬透性，就是指钢在淬火时获得马氏体的难易程度，是钢本身的固有属性，它取决于钢的淬火临界冷却速度的大小，也就是钢的过冷奥氏体的稳定性，而与冷却速度、工件尺寸大小等外部因素无关。通常可以用标准试样在一定条件下淬火能够淬硬的深度或能够全部淬透的最大直径来表示。

淬硬层深度确定，应是全部淬成马氏体的区域，但实际工件淬火后从表面至心部马氏体是逐渐减少的，从金相组织上看，淬透层与未淬透层并无明显界限，淬火组织中混入少量非马氏体组织，其硬度也无明显变化，如图3-13所示，但金相检验和硬度测定都比较困难。淬火组织中马氏体和非马氏体组织各占一半，即处于所谓半马氏体区时，显微组织差别明显，硬度变化剧烈，如图3-13所示；同时，该硬度范围又恰好是材料从明显的脆性断裂转化为韧性断裂的分界线，在宏观腐蚀时又是白亮淬硬层与未硬化层的分界处。为评定方便，通常将从淬火工件表面至半马氏体区(50%M)的距离作为淬硬层的深度。半马氏体组织的硬度主要取决于钢的碳含量，钢的淬火硬度与碳含量的关系如图3-14所示。

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图3-13　冷却速度对硬度和组织的影响

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图3-14　钢的淬火硬度与碳含量的关系

应当指出，钢的淬透性与工件的淬透深度之间虽有密切关系，但不能混为同一个概念。例如，有两个尺寸不同的工件，分别选用不同的钢种来制造，在淬火后可能出现这样的情况：尺寸小的工件，虽然选用的是淬透性低的钢，但淬硬层较深或完全淬透；而尺寸大的工件，即使选用的是淬透性高的钢，但淬硬层较浅。可见工件的淬透深度除取决于钢的淬透性外，还与工件尺寸、所采用的冷却介质等外部因素有关。

淬透性的实际意义：将淬透性不同的两种钢材制成相同直径的轴，经淬火与高温回火(即调质处理)后比较它们的力学性能。淬透性高的钢，整个截面被淬透，高温回火后都是回火索氏体组织，故沿截面的力学性能分布均匀；而淬透性低的钢，心部未淬透，高温回火后仍保留片状索氏体，因此力学性能低，特别是冲击韧性更低。可见，工件的淬透层越薄，调质处理的效果越差。

从工件的工作条件考虑，并非所有工件都要求淬透。如承受拉、压的重要工件，由于内外层均匀受力，要求工件淬透；而承受弯曲和扭转的轴类零件，轴的外缘承受最大应力，轴心部分应力很小，淬透层深度为半径的1/3～1/2就可以了。

2.淬硬性与淬透性

淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，是指钢在淬成马氏体时所能够达到的最高硬度，它主要取决于钢的碳含量，确切地说，取决于淬火加热时奥氏体中的碳含量，与合金元素关系不大。奥氏体中固溶的碳含量越高，淬火后马氏体的硬度也越高，如图3-14所示。可见，淬硬性与淬透性是不同的，淬硬性高的钢，淬透性不一定高，而淬硬性低的钢，淬透性不一定低。如图3-15所示，设有两种钢制的两根棒料，直径相同，在相同淬火介质中淬火冷却，淬火后在其横截面上观察金相组织及硬度分布曲线，图中画剖面线区为马氏体，其余部分为非马氏体区。图3-15(b)所示钢棒的马氏体区较深，因而其淬透性较好；图3-15(a)所示钢棒马氏体硬度较高，即其淬硬性较好。

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图3-15　两种钢的淬透性比较

3.影响钢的淬透性的因素

钢的淬透性实际上是受珠光体或贝氏体转变的孕育期所控制，凡抑制珠光体或贝氏体等过冷奥氏体分解产物的诸因素均可提高钢的淬透性，其影响规律如下。

1)钢的化学成分

图3-16为钢中碳含量对碳钢临界淬火冷却速度的影响。由图可见，对过共析钢，当加热温度低于Accm且碳含量低于1%以下时，随着碳含量的增加，临界冷却速度下降，淬透性提高；碳含量超过1%时则相反，这是由于碳含量高于1%之后，出现未溶碳化物，促进了珠光体形核，如图3-16(a)所示。当加热温度高于Ac3或Accm时，则随着碳含量的增加，临界冷却速度单调下降，如图3-16(b)所示。

合金元素对临界冷却速度的影响如图3-17所示。由图可见，除Ti、Zr和Co外，所有合金元素都提高了钢的淬透性。应该指出，多种合金元素同时加入钢中，其影响不是单个合金元素作用的简单叠加。例如，单独加入V，常导致钢淬透性降低，但与Mn同时加入时，Mn的存在将促使碳化矾VC的溶解，而使淬透性显著提高。因此，42Mn2V钢的淬透性比45Mn2及42SiMn钢的淬透性高得多。

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