钢的硬度和淬透性 （上）

钢的硬度和淬透性 (上)

从 美国金属学会 热处理手册 上学习:钢的硬度和淬透性 (上)

本文内容摘编自《美国金属学会 热处理手册 A卷》。文中由实验数据绘制的图表详实,实用价值很高。文中钢的牌号以及数据单位不再做转换,读者自己查询。文中图表是使用手机软件编辑上去的,有些变形失真,敬请谅解。

一、引言

    淬透性是指在规定条件下冷却时,钢在某一深度上获得令人满意的硬度的能力。硬度是通过从奥氏体到马氏体的相变获得的,马氏体形成的程度取决于奥氏体迅速冷却到马氏体开始转变温度以下的冷却速度,在此过程中没有明显的珠光体转变,或其他组织转变。因此,深层硬化(马氏体形成)的钢被认为具有高的淬透性,而那些表现浅层马氏体硬化的钢就是低淬透性钢。

    淬透性是衡量淬火能力的一种以试验为依据的指标,不应该将其与硬度或淬火后马氏体的最高硬度相混淆。硬度取决于含碳量和马氏体转变程度,钢中不同的含碳量与马氏体含量对硬度的影响见图1 和 表1 。

 ▼表1 含碳量和对马氏体含量对淬火钢硬度的影响

    对于一个给定的含碳量,当为100%马氏体组织时,可达到最大硬度,这种组织只能从表面或小型钢试样的薄截面上获得。大截面上无法达到足够大的冷却速度,从而无法完成100%马氏体转变,因此零件的马氏体层深度和硬度会降低。

PS:图1 和表1 提供了实践中根据淬火硬度来判断淬火状态的依据。已知碳含量和测点淬火硬度,就可以知道测点马氏体含量,从而对淬火质量做出定量判断。

    和碳对马氏体硬度的影响不同,其他合金化元素对淬火后钢的硬度没有影响(见图2) 。

二、乔米尼末端淬火实验

    钢的淬透性是由奥氏体在淬火期间分解为铁素体,珠光体、贝氏体以及马氏体的不同冷却速度所决定的。因此,通过检测硬度来评估淬透性是最好的方式,也就是以一种可重复的方式。在不同的冷却速度下检测硬度的方法,在已经得到应用的几种试验方法中,乔米尼末端淬火试验是一个相对简单的试验,在评估淬透性时已经普遍采用了这种试验。见图5 。

    乔米尼(Jominy) 和伯格霍尔德(Boegehold) 首先用渗碳钢做了乔米尼末端淬火试验,不久之后,乔米尼将该试验应用在厂评估中碳钢的容透件乔米尼末端淬火试验已经形成了标准,即1S0642、ASTM A255 和 SAE J406,我国标准GB/T225-2006。试验圆棒的尺寸通常是直径25mm (1in) 、长 100mm (4in) , 一端带有法兰,用于在淬火时夹持到夹具上图5 a)。有时根据需要,试验圆棒的尺寸会有所改变。试验过程为先将试样加热到适当的奥氏体化温度,然后将其移到淬火夹具上。淬火夹具是一种专门设计的装置;试样垂直夹持在一个水柱喷水口之上13mm (0. 5in) ,水柱能垂直对着试样底部,见图5 a) 。当试样底部被水柱淬火时,另一端在空气中缓慢冷却,试样的中间部位则以中等速度冷却。在试样完成淬火之后,在圆柱体两相对表面磨去0. 38mm (0. 015in) 的深度形成平行面。对于合金钢,每间隔1. 6mm (1/16in)测量一次硬度(HRC);对于碳钢,则以间隔 0. 8mm (1/32in) 测量硬度,从水淬端开始测量。

▼表2  705℃(1300°F)时乔米尼末端淬火

试样的典型冷却速度及其对应的末端距离

▲图7  五中不同钢的末端淬火实验结果

▲图8 末端淬火试验水温对冷却能力的影响

温度100°F即38℃升到160°F即71℃时,冷却大大削弱

    对于给定化学成分合金钢的乔米尼末端淬火试验曲线,其端部的硬度值是固定的,因为它完全淬成了马氏体,见表1 。不同马氏体组分的硬度取决于含碳量,确定不同含碳量的钢的淬透性技术规范时,可以选用表1 的数据作参考。根据硬度与马氏体之间的关系能够从钢的末端淬火曲线中得知一些结论。末端淬火曲线上的一些点,可以与冷却转变曲线图(见图9)相关联。

▲图9 8630钢的转变图和冷却曲线

(表明奥氏体的转变组织组成与冷却速度的关系)

    末端淬火曲线的拐点(见图10)表示淬火相变产物马氏体的量发生了一个突变,它代表约50%的马氏体量的点拐点外的乔米尼曲线陡峭,以拐点处可看作为平均硬化深度,它与内应力的大小和畸变便相关。但实际上,在拐点处实际观察到或预测到的硬度值对质量控制人员或热处理操作者来讲影响不大。而表面和心部硬度的上下限之间的半硬化位置,硬度曲线在此处的斜率是有价值的信息。

式中,Ts 是时间的变量,当表面被淬火冷却介质瞬间冷却时,淬冷烈度最大。如果淬火不剧烈,则温度下降得慢。在钢制零件中,热流密度与温度梯度相关,即:

式中,k是钢的热导率。

          

      

式中,α是钢的热扩散系数,它与钢的密度(ρ)、比热容(Cp)和热导率有关(k=αρCp)。在适当边界条件下(如表面温度、零件形状、零件尺寸),上式的求解需要对热导率的微分方程积分。罗素做了这项工作,可以由此来估算圆棒、方钢、扁钢或平板在淬火期间任何部位冷却得到给定温度所需的时间。罗素假设钢的热扩散系数是一个常数(α=0.009 in²/s)。

    除了可以根据冷却速度确定淬冷烈度,罗格斯曼等人还研发了另一种以测量不同直径的圆棒的淬火深度为基础的方法。在这种方法中,以圆棒末端直径(DU)与总直径(D)之比来衡量淬火深度。将末端淬硬直径DU定义为50%马氏体组织深度处的直径,可以测量显微组织,或者更方便地以硬度来衡量。如果知道含碳量,则可以根据测得的硬度确定50%马氏体的深度,如图11所示 。对于50%马氏体组织,另外50%的硬度,受其他合金化效应的的影响。 

    在不同淬火条件下,以未淬硬直径(DU) 与圆棒直径(D) 为坐标绘制关系图,见图12 。

由图可见,淬火圆棒的直径越大,未淬硬直径就越大。对于图12中任意两个不同的淬火条件,当DU=0时,存在一个临界直径(D0) 。另外,格罗斯曼等人也得出结论:两种分别具有高、低淬透性的钢 A 和 B,采用不同淬火方法时,可能存在相同的临界直径D0(Du=0) , 但是在其他尺寸相等的条件下,它们的淬火深度不同,也就是说,它们的 DU与 D 的比值或者特性曲线总是存在差异。观察发现,在一种情况下,对于一系列淬火试样——从小尺寸低淬透性钢试样的高速淬火到淬硬深度大的大试样的轻微淬火,其特性曲线的形式是相同的。这种情况就是对流换热系数 H 和临界直径 D 的乘积是一个常数。只要HD是常数,如果绘图刻度选择正确,那么所有DU/D的曲线均相同。因此,当用HD代替HDU绘制关系图时,一条特性曲线便可代表一类物质的淬透性。这样,所有钢和淬火状态将被一组HD曲线族覆盖(详细特性曲线)如图13所示。DU/D的常量值用虚线表示。

▲图13 两种HD范围的HDU与HD的特性曲线

    因此,对于图12专用的一条特性曲线,只需要在图13中找到其对应的曲线,便可得到HD0 的值,从而得到 H 的值。为此,引入两种简便方法,包括已确定的DU/D的斜率,结果,用在两种适用尺寸上获得淬火深度,以独特的方式确定钢的淬透性(DU/D)和淬冷烈度(传热系数 H)。另一种简便方法,是使用图14的对数图。

(请横屏查看)

    在传热方面,Gr数(H)的计算公式是:

H=h/2k

式中,k是热导率,h是对流换热系数。许多变量影响淬火烈度和Gr数的值。

    格罗斯曼及其同事研发的图表和方法具有重要的实用价值,尽管他们假设 H 值在淬火期间是一个常数。虽然对于不同尺寸的不同钢种来说这种计算方法是不严密的,然而,对于普遍现象,它清楚地阐明了当淬火棒的尺寸增加时,用中等淬冷烈度比用更剧烈的淬冷烈度淬火心部未淬透比例迅速增加。它也阐明了其他情况,诸如在非常大的圆柱体上维持一个浅层淬硬层,即便是淬透性适度降低,当淬火十分剧烈时,随着直径的变化,淬透厚度(D-Du) 几乎没有变化。同样地,它阐明了在中等淬冷烈度的淬火冷却介质中淬火时,对于相当小的钢试样,淬火圆环边缘突然消失的原因。相应地,这些数据表明在某些条件下,软点几乎是不可避免的。H系数包括影响钢的散热的表面状态(氧化皮厚度和结构), 以及热扩散系数。此外,去除阻碍淬火的蒸汽膜中搅拌的影响,也体现在 H 值上。

▲图15  理想临界直径(DI)与不同淬火

烈度(H值)时的临界直径之间的关系

▲图16 冷却速度与末端淬火位置的对应关系