淬透性与淬硬性(精)

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资源描述

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。

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