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淬透性计算方法(预测方法)

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     淬透性计算的最终目标是要建立精密冷拔钢管的成分(包括晶粒大小)与端淬曲线的关系。因为端淬试验法在世界各国已标准化,端淬曲线使用起来比较方便,也便于和实测结果进行比较。或者说是计算端淬曲线上给定位置的硬度与成分(包括晶粒大小)的关系。给定位置的硬度包括:(1)虚拟端淬试样水冷端的硬度(或近似取端淬距离J=1.6mm处的硬度),称起始硬度(InitialHardness,简称IH);(2)距相应端淬样水冷端各给定距离处的硬度,称距离硬度(DiStance.Htardness,简称DH)。归结起来,由化学成分计算淬透性的方法,除简单叠加法外,主要有:(1)理想临界直径法(也叫乘子法);(2)回归方程法(也叫经验公式法或实验式法);(3)给定过冷奥氏体转变产物的临界冷速法;(4)相变动力学、热力学与淬透性原理相结合的计算法这4种方法原则上最终都可表示为端淬曲线的形式。前两种方法用得较多,也较为成熟。
理想临界直径法1945年,是由美国人波埃德(L.c.Boyd)和菲尔德(J.Field)所建立的。此法的中心内容有3点。(1)起始硬度,H仅是碳含量的函数。根据霍奇和奥莱霍斯基的数据(1946年)可直接求得;(2)距离硬度DH是给定碳含量的钢理想临界直径D的函数;(3)任何给定碳含量的钢,在给定J,距离处IH/DH比值与DI是常数关系。可见,这一方法的核心是计算DI和确定相应IH/DH比值。为便于计算DI,1982年印度人德布(P.Deb)等人建立了以电子计算机进行回归的一套计算系统,用多项式逼近前人作出的低、中、高碳钢中合金元素淬透性乘子与元素含量的关系曲线(这些曲线看起来虽很直观,但使用起来并不方便)。对于低碳(0.15%~0.25%)和中碳(0.25%~0.60%)钢,所用多项式为
DI=DI0Fi(Xi)
其中DI0==Σbcjxcj=Σaijxji
式中DI0为基础理想临界直径,是碳含量xc的函数;Xi为合金元素i的质量分数;j为正整数(包括零);系数bcj,和aij以相应数表形式给出。对于高碳钢(0.75%~1.25%),所用多项式为DI=DI1FCIIiFI(Xi),其中DI1为固定成分基准钢的理想临界直径;Fc=Σbcjxcj=Σaijxji这里xc、xi、i、j、bcj和acj“涵义同前。德布等人的工作大大方便了淬透性的计算。1976年和1984年,美国人埃尔第斯(G.T.Eldis)先后改进了IH/DH表,以便适用于渗碳钢心体淬透性。这样,当由碳含量求得IH值以后,根据计算所得DI值,查IH/DH表,将IH/DH比值除IH,即得不同J距离的DH值。以上所有这些计算都可由电子计算机完成,并绘出计算的淬透性曲线。除硼钢外,这种计算方法所得结果相当准。
回归方程法1969年,德国人贾斯特(E.Just)在实验研究的基础上,利用电子计算机建立了以回归方程直接计算淬透性曲线的方法,建立了适用于不同条件的线性和非线性计算方程,即DH(含IH)与化学成分、晶粒度级别和端淬距离等参量之间的关系式。之后,很多研究者分别提出了不同类型的回归方程。诸如1981年,日本人金泽正午等在考虑了元素相互作用的条件下,提出了D1(或半马距)与成分及晶粒大小的关系式;1985年,中国人余柏海提出了计算淬透性曲线的非线性方程;1986~1992年,中国人金石等提出了计算渗层淬透性的回归方程。上述这些方程都能在一定条件下在给定成分范围内进行一定精确度的淬透性计算。回归方程法使用起来比较方便,且便于从总的效应中分解出不同元素对淬透性作用的比重,但往往难以从中明了元素作用的物理机制。

        淬硬层深度,也叫淬透层深度;是指由钢的表面量到钢的半马氏体区(组织中马氏体占50%、其余50%为珠光体类型组织)组织处的深度(也有个别钢种如工具钢、轴承钢需要量到90%或95%的马氏体区组织处)。钢的淬硬层深度越大,就表明这种钢的淬透性越好。

淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小,而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性,影响奥氏体的稳定性主要是:
1.化学成分的影响 主要是碳元素的影响,当C%小于0.77%时,随着奥氏体中碳浓度的提高,显著降低临界冷却速度,C曲线右移,钢的淬透性增大;当C%大于0.77%时,钢的冷却速度反而升高,C曲线左移,淬透性下降。其次是合金元素的影响,除钴外,绝大多数合金元素溶入奥氏体后,均使C曲线右移,降低临界冷却速度,从而提高钢的淬透性。
2.奥氏体晶粒大小的影响 奥氏体的实际晶粒度对钢的淬透性有较大的影响,粗大的奥氏体晶粒能使C曲线右移,降低了钢的临界冷却速度。但晶粒粗大将增大钢的变形、开裂倾向和降低韧性。
3.奥氏体均匀程度的影响 在相同冷度条件下,奥氏体成分越均匀,珠光体的形核率就越低,转变的孕育期增长,C曲线右移,临界冷却速度减慢,钢的淬透性越高。
4.钢的原始组织的影响 钢的原始组织的粗细和分布对奥氏体的成分将有重大影响。
5.部分元素,例如Mn,Si等元素对提高淬透性能起到一定作用,但同时也会对钢材带来其他不利的影响。
顶端淬火试验(或称Jominy试验),是一种测定淬透性的简便方法,在许多国家已标准化。图5a是用标准试样经适当奥氏体化后进行顶端淬火的示意图。顶端淬火时冷却速度由淬火端沿试棒逐渐减小,组织和硬度随之相应地变化,由此得到的硬度变化曲线(如下图)称为淬透性曲线或Jominy曲线。严格地说,这种曲线只对某一炉次的钢有效;对于某一定钢种来说,由于化学成分的差异(成分波动及偏析)、预先热处理工艺的差异(显微组织上的差异),其淬透性曲线可在相当大的范围内波动,形成一个淬透性带(Jominy带),如图6所示。工业用钢的淬透性曲线几乎都已测定,并汇集成册供查阅参考。根据Jominy试验结果,钢的淬透性大小可通过以下途径确定:
淬透性的计算从上世纪40年代起,就开始由定性描述到定量的计算,现有的淬透性曲线计算预测方法大致分为以下三种:
(1) 理想临界直径计算法[1] 
40年代初格罗斯曼,最先提出描述淬透性的理想临界直径计算公式计算方法是,先根据图表提供的碳和晶粒度因子,确定理想临界直径基数Dic,再由图表查得有关合金元素的硬化因子的乘数(效果系数)a,第i个元素的硬化因子Fi等于该元素的效果系数ai乘以含量Mi再加1;理想临界直径DI等于基数DIC乘以该元素硬化因子的连乘积。
(2) 回归方程计算法[1] 
60年代末发展起来的以Just为代表的采用回归方程计算端淬曲线的方法,在此领域开拓了一条新途径。这种方法的特点是以钢的化学成分作为自变量,采用计算机多元回归分析技术直接建众端淬曲线硬度分布多项式。
(3) 非线性方程计算法[2] 
上世纪80年代初,文献提出采用非线性方程计算端淬曲线,建立起比理想直径更直观适用的端淬曲线半马氏体点至水冷端距离的计算式;并且还以统一的参数把硬度、强度、韧性和组织分类的计算联成完整的体系。特别重要的是建立数学模型,这种除依靠专业知识和经验进行广泛的统计分析和严密的逻辑思维外,还在提高效率上十分得力于计算机。
(4) 其他模型
基于数据库的端淬控制模型:所谓数据库法是选择多种已经测出端淬曲线的钢, 用其化学成分、淬透性数据做为原始资料, 去计算待测钢的淬透性.
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