淬透性实验测定方法优化

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：淬透性的实验测定方法应排除与钢的属性无关的因素，如冷却介质的特性等。表3-4给出了常用钢材在水或油中淬火时的临界直径。因此，要用临界直径法来表示钢的淬透性，必须标明淬火介质的冷却能力或淬火烈度。图3-19理想临界直径Di、实际临界直径D与淬火烈度H的关系2.端淬法这种方法为乔迈奈等人于1938年建议采用的，因而国外常称为“Jominy”端淬法，是目前国内外应用最广泛的淬透性试验方法。

钢的淬透性是钢热处理时的一种工艺属性。淬透性的实验测定方法应排除与钢的属性无关的因素，如冷却介质的特性等。

1.临界直径法

临界直径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。钢件在相同的淬火介质中冷却，临界直径越大，表示这种钢的淬透性越高。表3-4给出了常用钢材在水或油中淬火时的临界直径。

表3-4　常用钢材的临界直径

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临界直径的测定方法如下：将一组由被测钢制成的不同直径的圆棒，按规定淬火条件(加热温度、冷却介质)进行淬火，然后在中间部位垂直于轴线截断，经磨光制成试样后，沿着直径方向测定自表面至心部的硬度分布曲线。图3-18为45钢不同直径试样在强烈搅动的水中淬火的断面硬度曲线。若其磨面用硝酸酒精溶液腐蚀，发现随着试样直径增加，心部出现暗色易腐蚀区，表面为亮圈，且随着直径的继续增大，暗区越来越大，亮圈越来越小。若与硬度分布曲线对应地观察，则两区的分界线正好是硬度变化最大部位；若观察金相组织，则正好是50%马氏体和非马氏体的混合组织区，越向外靠近表面马氏体越多，越向里则马氏体急剧减少。分界线上的硬度代表马氏体区的硬度，格罗斯曼将此硬度称为临界硬度或半马氏体硬度。

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图3-18　45钢不同直径试样在强烈搅动的水中淬火的断面硬度曲线

如果把上述分界线看作淬硬层的分界线，亮区就是淬硬层，暗区就是未淬硬层，把未出现暗区的最大试样直径称为淬火临界直径，其含义为该种钢在该种淬火介质中能够完全淬透的最大直径。

上述临界直径是在一定淬火条件(其中包括淬火介质的冷却能力)下测得的。因此，要用临界直径法来表示钢的淬透性，必须标明淬火介质的冷却能力或淬火烈度。

为了除去临界直径值中所包含的淬火烈度的因素，用单一的数值来表征钢的淬透性，引入了理想临界直径(Di)的概念。这一概念由格罗斯曼提出。假设淬火介质的冷却能力无限大，即只要将试样投入介质中，试样表面立即冷却到介质温度。钢件在这种淬火烈度为无限大(H＝∞)的理想淬火介质中淬火时的临界直径即为理想临界直径。如此，理想临界直径的大小可直接表征钢的淬透性的高低。

利用理想临界直径可以很方便地将某种淬火条件下的临界直径换算成任何淬火条件下的临界直径。图3-19为理想临界直径Di、实际临界直径D与淬火烈度H关系图，利用该图即可完成上述任务。例如，若已知某种钢在循环水中冷却(H＝1.2)时，其临界直径D＝27mm，试求在循环油(H＝0.4)中淬火时该种钢的临界直径。

具体做法如下：在图纵坐标D＝27处，作水平线与H＝1.2的曲线相交，从交点到横坐标的垂线得到该种钢的理想临界直径Di＝45mm，再从此处向上引垂线，与H＝0.4曲线相交，再从交点引水平线与纵坐标交于16mm处，于是得到该种钢在循环油中淬火时的临界直径为16mm。

掌握临界直径的数据，有助于判断工件热处理后的淬透程度，并制定出相应合理的工艺。因此，对生产实践有一定的意义。但是临界直径的实验测定，需要制造一批不同直径的试样，测定方法也比较繁杂，所以实际生产中很少采用，但很多常用钢种的临界直径在一些常用的热处理手册里可以查询到。

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图3-19　理想临界直径Di、实际临界直径D与淬火烈度H的关系

2.端淬法

这种方法为乔迈奈(W.E.Jominy)等人于1938年建议采用的，因而国外常称为“Jominy”端淬法，是目前国内外应用最广泛的淬透性试验方法。

我国GB/T225—2006规定，端淬试验所用试样为直径25mm×100mm的圆柱形试样，试验时，将试样按规定的奥氏体化条件(应无氧化、脱碳及增碳)加热后迅速取出，放入试验装置中对其下端喷水冷却。喷水柱自由高度为65mm，喷水管口距试样末端为12.5mm，水温为10～30℃，端淬试验装置如图3-20(a)所示。待试样冷却完毕后，沿试样轴线方向在两侧各磨去0.2～0.5mm的深度，获得两个相互平行的平面，然后自离水冷端(直接喷水冷却的一端)1.5mm处开始，每隔1.5mm处测定各点洛氏硬度值，当硬度下降缓慢时可以每隔3mm测一次硬度。将测定的结果绘制成硬度与水冷端距离的关系曲线，这一曲线即为端淬曲线或淬透性曲线，如图3-20(b)所示。

由于一种钢号的化学成分允许在一定范围内波动，因而在一般手册中经常给出的不是一条曲线，而是一条带，如图3-21所示。它表示端淬曲线在此范围内波动，并称为端淬曲线带。

因试样和冷却条件是固定的，所以试样上各点的冷却速度也是固定的。这样端淬试验法就排除了试样的具体形状和冷却条件的影响，归结为冷却速度和淬火后硬度之间的关系。

有人测定了端淬试样离水冷端不同距离处冷至不同温度时的冷却速度。因此，也可以把离水冷端不同的距离标成冷却速度。对一般钢来说，直接影响钢淬火效果的是800～500℃的冷却速度，所以有的标成该温度区所需冷却时间或平均速度，或700℃的冷却速度。如图3-21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3/4半径处及直径46mm圆钢表面处的冷速相同，也与水冷时直径31mm圆钢的中心、直径51mm圆钢距中心3/4半径处的冷速相同。当然这些位置的硬度也是相同的，均为44～53HRC。

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图3-20　端淬法示意

(a)试样与试验装置；(b)试验原理

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图3-21　40MnB钢的淬透性曲线

在不同距离处测得的硬度值可用“淬透性指数”J××-d来表示，其中J是Jominy的首字母，××表示洛氏硬度(HRC)值，d表示距淬火试样末端的距离。例如J35-15表示距水冷端15mm处的硬度值为35HRC。该硬度值也可以用维氏硬度(HV)表达。

端淬法的优点是操作简单，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、轴承钢等。一般来说，端淬法适用于较低淬透性或中等淬透性钢。对于超低淬透性钢，在端淬试验后，试样距水冷端5mm处以发生硬度突降，淬透性的相互差别不甚明显，此时需用腐蚀的办法来进行比较。只要在测量硬度部位磨光、腐蚀，就可清楚地显示出被淬硬的区域。对高淬透性钢，端淬曲线硬度降低很小，有的呈一水平线，因此不能用端淬法比较其淬透性，对这种钢来说，常采用连续冷却转变图来确定加热温度和冷却时间。

淬透性实验测定方法优化

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