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钢的淬透性(harden ability of steel)

钢的淬透性 Hardenability-of-steel

精密钢管

钢接受淬火的能力。属于由淬火所造成的决定钢的硬化层深度和硬度分布的内在特性,表现为钢在MS点以上是否容易避免非马氏体型相变产物的形成,也就是钢的过冷奥氏体稳定性的大小。它可由钢的连续冷却转变曲线(CCT图)所限定的淬火临界冷却速度来衡量。临界冷却速度是过冷奥氏体不发生MS点以上任何转变所需的最小冷速或者说使钢只发生马氏体型相变的最小冷速。临界冷速越小,过冷奥氏体的稳定性越大,则钢的淬透性也越大,此即淬透性的实质。淬透性是需要热处理的绝大多数钢在生产和使用过程中的重要信息媒介(需控制淬透性的钢称H钢)和关键的质量评判标准之一(机械零件设计中选择钢种的重要依据)。

淬透性原理 奥氏体的成分(碳及合金元素)和晶粒大小是影响淬透性的主要因素。人们试图根据奥氏体的成分(含晶粒大小)直接计算钢的淬透性。1939~1942年,美国人格罗斯曼(M.A.Grossmann)提出,奥氏体中元素对淬透性的影响是相乘的关系,而不是早先人们认为的相加关系。并通过实验得到不同元素的淬透性乘子,提出了理想临界直径(D1)的概念。淬透性的定义主要考虑的是显徽组织,而淬透性的测量通常只限于硬度。为找出二者之间的相应关系,首先需规定%26ldquo;淬透%26rdquo;的标准(涵义)。例如可按50%马氏体加50%其他转变产物这种复合组织的硬度(简称半马氏体硬度)作为淬透的一种标准。在端淬曲线上相应于半马氏体区的距离J(简称半马距)也可作为淬透性的一种量度。利用格罗斯曼1941年建立的、后经美国人卡尔尼(D.J.Carney)于1954年修正的Di和端淬距离的关系曲线,可由半马距求得Di。当然也可以根据其他马氏体百分数来规定淬透的标准,如99.9%马氏体,或99%马氏体,或90%马氏体等。50%马氏体之所以用得较多,除了在实验上测定起来较方便以外,主要是因为按化学成分计算淬透性的基础工作都是基于格罗斯曼关于理想临界直径D-的概念。而D1是以50%马氏体来定义的。钢在某给定淬火介质中淬火后,钢棒中心得到50%马氏体的最大直径称为临界直径(Do)。由于Do制约于冷却条件,不便进行比较。于是,格罗斯曼提出可统一进行比较的理想临界直径Di。并建立了Di与不同介质中得到的D0之间的换算关系图。所谓理想临界直径,即在淬火烈度H为无限大的理想冷却介质中淬火后,钢棒中心得到50%马氏体的最大直径。这种理想冷却介质(H=%26infin;)可在瞬间把钢件的表面温度降至淬火液的温度,而且在冷却过程中钢件表面一直可保持在这个温度(强烈搅拌的冷盐水就近似于这种冷却条件)。这样,Di就不受具体冷却条件的限制,从而便于进行对比。格罗斯曼把钢的理想临界直径表示为:Di=Di0fsi%26bull;fmn%26bull;fcr%26bull;fmo%26bull;fni%26bull;%26bull;%26bull;%26bull;%26bull;%26bull;。式中Di0为给定奥氏体晶粒大小和碳含量的非合金钢的理想临界直径(称为基础理想临界直径),fsi fmn fcr,%26hellip;%26hellip;称为钢中所含各合金元素在给定含量下的淬透性乘子。可见,淬透性乘子就是备元素在给定含量下所增大的D10的倍数。格罗斯曼早期的有关淬透性乘子的数据,主要是在含有通常的0.8%锰和残余合金元素的中碳钢(0.6%C)中得到的。1942~1946年,很多研究者发表的一系列文章进一步阐明和修正了格罗斯曼所提出的概念和各元素的淬透性乘子(限0.25%~0.6%C)。

随着对淬透性研究的进展,人们认识到格罗斯曼的淬透性(相乘)原理是正确的。但这一原理在实际的运用中还存在一些问题:(1)一个给定元素的淬透性乘子,并不总是正比于该元素的含量。(2)元素之间往往发生交互作用。一个给定质量分数的元素,当该元素与其他元素一起加入时,同它在钢中单独使用时,其淬透性乘子往往是不同的,元素在相互作用的条件下所表现出的效果可以是倍增的。(3)利用硬度测量法确定试钢gorlg。样硬化特性曲线上半马氏体区的精确性尚有问题。因为不同的钢在此区域的非马氏体相变产物,可以是珠光体,也可以是贝氏体等。因而使问题复杂化。直接用显微组织的定量法代替硬度法确定半马氏体区,原则上更为合理,但实验工作的难度较大。尽管如此,多年来所积累的大量有关合金元素对淬透性影响的实验数据(图表等),可以在中碳(0.25%~0.6%c)钢中对合金元素的平均效用做出估算。1973年,美国人布朗恩(G.T.Brown)、詹姆斯(B.A.James)和柯卡尔迪(J.s.Kirkaldy)的工作进一步把合金元素在钢中的交互作。用考虑进去,可较为精确地预测钢的淬透性。以上这些工作对H钢的生产起了重要的指导作用。

在低碳合金钢的研究领域,1971年美国人窦恩等(D.v.Doane)得出了低碳(0.15%~0.25%c)钢中锰、硅、镍、铬、钼几种合金元素的平均淬透性乘子以及镍、钼交互作用下钼的淬透性乘子。其淬透判据仍为50%马氏体。为渗碳钢的研究提供了依据。在高碳钢的研究领域,1955~1973年,美国人杰蔡克(C.F.Jatczak)先后研究了高碳(1.0%)条件下锰、硅、铬、镍、钼、铝、硼等元素的淬透性乘子,以及镍、锰交互作用的综合淬透性乘子。结果表明,锰在高碳钢中增大淬透性比在低碳钢中有效;而铬的效果则较小。钼在渗碳后直接淬火的钢中要比在渗碳后重新加热淬火的钢中有效得多。镍在高碳钢中比在中碳钢中有效,等等。这些结果为研究钢的渗层淬透性打下基础。但渗层淬透性的淬透判据改为99%马氏体或90%马氏体。


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