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從美國金屬學會熱處理手冊上學習：鋼的硬度和淬透性（上）

從美國金屬學會熱處理手冊上學習：鋼的硬度和淬透性（上）

本文內容摘編自《美國金屬學會熱處理手冊 A卷》。文中由實驗數據繪制的圖表詳實，實用價值很高。文中鋼的牌號以及數據單位不再做轉換，讀者自己查詢。文中圖表是使用手機軟件編輯上去的，有些變形失真，敬請諒解。

一、引言

淬透性是指在規定條件下冷卻時，鋼在某一深度上獲得令人滿意的硬度的能力。硬度是通過從奧氏體到馬氏體的相變獲得的，馬氏體形成的程度取決于奧氏體迅速冷卻到馬氏體開始轉變溫度以下的冷卻速度，在此過程中沒有明顯的珠光體轉變，或其他組織轉變。因此，深層硬化（馬氏體形成）的鋼被認為具有高的淬透性，而那些表現淺層馬氏體硬化的鋼就是低淬透性鋼。

淬透性是衡量淬火能力的一種以試驗為依據的指標，不應該將其與硬度或淬火后馬氏體的最高硬度相混淆。硬度取決于含碳量和馬氏體轉變程度，鋼中不同的含碳量與馬氏體含量對硬度的影響見圖1 和表1 。

▲圖1 碳對馬氏體硬度的影響

▼表1 含碳量和對馬氏體含量對淬火鋼硬度的影響

對于一個給定的含碳量，當為100%馬氏體組織時，可達到最大硬度，這種組織只能從表面或小型鋼試樣的薄截面上獲得。大截面上無法達到足夠大的冷卻速度，從而無法完成100%馬氏體轉變，因此零件的馬氏體層深度和硬度會降低。

PS：圖1 和表1 提供了實踐中根據淬火硬度來判斷淬火狀態的依據。已知碳含量和測點淬火硬度，就可以知道測點馬氏體含量，從而對淬火質量做出定量判斷。

和碳對馬氏體硬度的影響不同，其他合金化元素對淬火后鋼的硬度沒有影響（見圖2) 。

▲圖2 碳鋼和合金鋼的含碳量預期最大硬度的對應關系

即馬氏體的硬度僅僅取決于含碳量，鋼中的其他合金元素能增加鋼的淬透性，不增加硬度。這是因為合金化能夠使碳的擴散（珠光體形成所需的碳擴散）速度減慢，從而可以促進在較低的冷卻速度下形成馬氏體而增加了淬透性（從而加大了淬硬層深度）。例如，奧氏體化后，碳的質量分數為1%的鋼迅速冷卻后所得到的硬度比鎳的質量分數為3%、碳的質量分數為1%的鋼的硬度高得多，但鎳鋼的淬透性較大，因為在一個較大的截面上它被完全淬硬了。

圖3 和圖4 為兩個實例。

圖3 為一個定性實例。A鋼的含碳量低，但合金元素的含量比B鋼高。假設取幾種不同尺寸的A、B鋼圓棒分別在相同條件下淬火，然后截取橫向截面，按從表面到中心的方向測量硬度。以軸向距離為橫坐標繪制每根圓棒的硬度曲線，便可以得到兩種鋼的橫截面硬度曲線，如圖3所示。圖中表明：直徑為0. 5in和1in的A鋼圓棒已經完全淬硬，而直徑為2in的圓棒僅部分淬硬，直徑為3in的圓棒沒有淬硬。另一方面，直徑為0. 5in的B圓棒已經完全淬硬，直徑為1in的B鋼圓棒僅部分淬硬，直徑為2in 和3in的B鋼圓棒都沒有明顯的淬硬跡象。也就是說，采用某種淬火冷卻介質時，可將直徑為1in的A鋼圓棒完全淬硬的冷卻速度并不適用于相同直徑的B鋼圓棒。雖然合金含量較高的A鋼的最大硬度較低，但其淬透性比B鋼高，因為在類似的淬火條件下，A鋼的淬硬直徑更大，而B鋼可以獲得最大的硬度。

▲圖3 橫截面硬度說明淬透性和最大硬度之間的差異

圖4所示為一個定量的實例。

圖中展示了碳（SAE105) 和鉻釩合金鋼（SAE6140) 在水淬（圖4a、b) 及油淬（圖4c、d) 之后的橫截面硬度。兩者的含碳量相似，但是，合金鋼經水淬和油粹后在直徑為13mm (1/2in) 的橫截面上均實現了整體淬硬。相比之下，碳鋼經水淬和油淬之后只在直徑為25mm (1in) 和13mm (1/2in) 的橫截面處實現了表面淬硬，甚至在使用迅速冷卻的水淬時，其內部也沒有完全淬硬。這樣，淬透性是反應鋼的熱處理的一種關鍵特性。

鋼的淬透性幾乎完全由其化學成分所決定（碳和合金的含量），而鋼的化學成分與奧氏體化溫度淬火時奧氏體中的碳和合金的含量以及奧氏體晶粒度有關。鋼的硬度除了與其化學成分有關外，也取決于其他參數，如奧氏體化溫度、保溫時間、預備熱處理組織。本文介紹了評估淬透性的方法和影響鋼的淬透性的因素，許多資料都是以鋼的淬透性的選擇為主題的。

▲圖4 各種截面尺寸的碳鋼（1045）和合

金鋼（6140）水淬和油淬的硬度分布情況

a）1045水淬 b）6140水淬

c）1045油淬 d）6140油淬

二、喬米尼末端淬火實驗

鋼的淬透性是由奧氏體在淬火期間分解為鐵素體，珠光體、貝氏體以及馬氏體的不同冷卻速度所決定的。因此，通過檢測硬度來評估淬透性是最好的方式，也就是以一種可重復的方式。在不同的冷卻速度下檢測硬度的方法，在已經得到應用的幾種試驗方法中，喬米尼末端淬火試驗是一個相對簡單的試驗，在評估淬透性時已經普遍采用了這種試驗。見圖5 。

▲圖5 喬米尼末端淬火實驗示意圖

喬米尼（Jominy) 和伯格霍爾德（Boegehold) 首先用滲碳鋼做了喬米尼末端淬火試驗，不久之后，喬米尼將該試驗應用在廠評估中碳鋼的容透件喬米尼末端淬火試驗已經形成了標準，即1S0642、ASTM A255 和 SAE J406，我國標準GB/T225-2006。試驗圓棒的尺寸通常是直徑25mm (1in) 、長 100mm (4in) , 一端帶有法蘭，用于在淬火時夾持到夾具上圖5 a)。有時根據需要，試驗圓棒的尺寸會有所改變。試驗過程為先將試樣加熱到適當的奧氏體化溫度，然后將其移到淬火夾具上。淬火夾具是一種專門設計的裝置；試樣垂直夾持在一個水柱噴水口之上13mm (0. 5in) ,水柱能垂直對著試樣底部，見圖5 a) 。當試樣底部被水柱淬火時，另一端在空氣中緩慢冷卻，試樣的中間部位則以中等速度冷卻。在試樣完成淬火之后，在圓柱體兩相對表面磨去0. 38mm (0. 015in) 的深度形成平行面。對于合金鋼，每間隔1. 6mm (1/16in)測量一次硬度（HRC）；對于碳鋼，則以間隔 0. 8mm (1/32in) 測量硬度，從水淬端開始測量。

這些硬度值和它們在試樣圓棒上的位置的典型圖表如圖5 b ）所示。事實上，鋼的淬硬深度（淬透性）的圖表是固定不變的。圖中表明了在喬米尼試棒上設定的試驗位置的大致冷卻速度。這些位置直接與每個位置上的表面冷卻速度相關，因為冷卻速率基本上與化學成分無關。因此，喬米尼末端淬火位置上的硬度和帶有某些限制條件的冷卻速度間保持一個對應關系。

喬米尼試樣的近似冷卻速度見表2 , 它是末端淬火距離的函數。

▼表2 705℃（1300°F）時喬米尼末端淬火

試樣的典型冷卻速度及其對應的末端距離

然而，作為末端淬火距離的一個函數，該冷卻速度只是近似的，并且隨著被淬火的合金的熱傳導性能和轉變產物的不同而變化，見圖6 。

▲圖6 溫度對熱導率和鋼中的相的擴散系數的影響

a）對熱導率的影響 b）對相的擴散系數的影響

由于隨著合金元素的含量在不同等級之間的變化，臨界溫度范圍將移動到更高或更低的溫度，因此在705℃（1300°F）時的冷卻速度不能用來可靠地預測碳鋼和低合金鋼的硬度。冷卻速度與末端淬火試樣的關系將在“淬透性相關曲線”部分做更詳細的介紹。

比較末端淬火實驗得到的曲線可以很容易地看出不同鋼的淬透性之間的關系，見圖7 。

▲圖7 五中不同鋼的末端淬火實驗結果

末端淬火程序是使用24±3℃（75±5°F）的水，水溫達到40℃（100°F）以上時，其影響變大。見圖8 。

▲圖8 末端淬火試驗水溫對冷卻能力的影響

溫度100°F即38℃升到160°F即71℃時，冷卻大大削弱

對于給定化學成分合金鋼的喬米尼末端淬火試驗曲線，其端部的硬度值是固定的，因為它完全淬成了馬氏體，見表1 。不同馬氏體組分的硬度取決于含碳量，確定不同含碳量的鋼的淬透性技術規范時，可以選用表1 的數據作參考。根據硬度與馬氏體之間的關系能夠從鋼的末端淬火曲線中得知一些結論。末端淬火曲線上的一些點，可以與冷卻轉變曲線圖（見圖9）相關聯。

▲圖9 8630鋼的轉變圖和冷卻曲線

（表明奧氏體的轉變組織組成與冷卻速度的關系）

末端淬火曲線的拐點（見圖10）表示淬火相變產物馬氏體的量發生了一個突變，它代表約50%的馬氏體量的點拐點外的喬米尼曲線陡峭，以拐點處可看作為平均硬化深度，它與內應力的大小和畸變便相關。但實際上，在拐點處實際觀察到或預測到的硬度值對質量控制人員或熱處理操作者來講影響不大。而表面和心部硬度的上下限之間的半硬化位置，硬度曲線在此處的斜率是有價值的信息。

▲圖10 末端淬火曲線的拐點

a）拐點處發生50%馬氏體相變

b）馬氏體到細珠光體的相變是突變的

如果要求不是特別嚴格，那么在受控條件下，末端淬火試驗可重復進行，因為它可以提供大量相對經濟的豐富信息。因此，末端淬火試驗已經成為行業標準。然而，該試驗的一個主要缺陷在于它的形狀不切實際又是激冷結構。能夠迅速淬火的圓棒是目前為止最常用的試樣。如果末端淬火試驗數據與淬火強度的變化，以及不同圓棒尺寸、形狀和位置所對應的冷卻速度相關，則該試驗是很有意義的。拉蒙特變換已經有效地完成了這項工作。對于羅索（Russel) 和格羅斯曼（Grossmann) 以及其他人研發的傳熱模型來說，拉蒙特轉換是一個重要的工具，它將末端淬火淬透性數據與淬火烈度的實際變化和零件內部的冷卻速度聯系了起來。這種方法是以格羅斯曼依據理想臨界直徑表征鋼的淬透性為基礎的，將在下文中述及。

三、淬冷烈度

淬火深度不僅僅取決于鋼的淬透性，還與淬火冷卻介質的冷卻能力（淬冷烈度）、被淬火零件的尺寸和形狀有關。人們已經研究出將淬透性與淬冷烈度和零件內部的冷卻速度聯系起來的方法。淬冷烈度是指一種淬火冷卻介質吸收熾熱工件熱量的能力。淬火過程中從工件中帶走熱量，可以使用牛頓冷卻定律以對流換熱系數（h) 定量描述，計算公式為：

式中，Q是從工件轉移到淬火冷卻介質的熱流密度；

A是零件的表面積；

Ts 是鋼的表面溫度；

Tl是淬火冷卻介質的溫度。

因此，表面熱導率的計算公式為：

式中，Ts 是時間的變量，當表面被淬火冷卻介質瞬間冷卻時，淬冷烈度最大。如果淬火不劇烈，則溫度下降得慢。在鋼制零件中，熱流密度與溫度梯度相關，即：

式中，k是鋼的熱導率。

表面溫度梯度表示為：

那么，在表面上有：

為了獲得鋼制零件隨時間推移的溫度分布和梯度，需要用到傅里葉導熱第二定律他的一維簡化式為：

式中，α是鋼的熱擴散系數，它與鋼的密度（ρ）、比熱容（Cp）和熱導率有關（k=αρCp）。在適當邊界條件下（如表面溫度、零件形狀、零件尺寸），上式的求解需要對熱導率的微分方程積分。羅素做了這項工作，可以由此來估算圓棒、方鋼、扁鋼或平板在淬火期間任何部位冷卻得到給定溫度所需的時間。羅素假設鋼的熱擴散系數是一個常數（α=0.009 in2/s）。

除了可以根據冷卻速度確定淬冷烈度，羅格斯曼等人還研發了另一種以測量不同直徑的圓棒的淬火深度為基礎的方法。在這種方法中，以圓棒末端直徑（DU）與總直徑（D）之比來衡量淬火深度。將末端淬硬直徑DU定義為50%馬氏體組織深度處的直徑，可以測量顯微組織，或者更方便地以硬度來衡量。如果知道含碳量，則可以根據測得的硬度確定50%馬氏體的深度，如圖11所示。對于50%馬氏體組織，另外50%的硬度，受其他合金化效應的的影響。

▲圖11 不同碳含量的碳鋼中淬火后在50%

馬氏體和和100%馬氏體狀態下的硬度值

注：對于50%馬氏體組織，硬度取決于剩余50%組織或合金化組織。更多合金鋼的硬度位于陰影帶寬的頂部

在不同淬火條件下，以未淬硬直徑（DU) 與圓棒直徑（D) 為坐標繪制關系圖，見圖12 。

▲圖12 水淬和油淬時未淬透心部直徑

（＜50%馬氏體）與圓棒直徑的關系

由圖可見，淬火圓棒的直徑越大，未淬硬直徑就越大。對于圖12中任意兩個不同的淬火條件，當DU=0時，存在一個臨界直徑（D0) 。另外，格羅斯曼等人也得出結論：兩種分別具有高、低淬透性的鋼 A 和 B，采用不同淬火方法時，可能存在相同的臨界直徑D0(Du=0) , 但是在其他尺寸相等的條件下，它們的淬火深度不同，也就是說，它們的 DU與 D 的比值或者特性曲線總是存在差異。觀察發現，在一種情況下，對于一系列淬火試樣——從小尺寸低淬透性鋼試樣的高速淬火到淬硬深度大的大試樣的輕微淬火，其特性曲線的形式是相同的。這種情況就是對流換熱系數 H 和臨界直徑 D 的乘積是一個常數。只要HD是常數，如果繪圖刻度選擇正確，那么所有DU/D的曲線均相同。因此，當用HD代替HDU繪制關系圖時，一條特性曲線便可代表一類物質的淬透性。這樣，所有鋼和淬火狀態將被一組HD曲線族覆蓋（詳細特性曲線）如圖13所示。DU/D的常量值用虛線表示。

▲圖13 兩種HD范圍的HDU與HD的特性曲線

因此，對于圖12專用的一條特性曲線，只需要在圖13中找到其對應的曲線，便可得到HD0 的值，從而得到 H 的值。為此，引入兩種簡便方法，包括已確定的DU/D的斜率，結果，用在兩種適用尺寸上獲得淬火深度，以獨特的方式確定鋼的淬透性（DU/D）和淬冷烈度（傳熱系數 H）。另一種簡便方法，是使用圖14的對數圖。

▼圖14 由為淬硬直徑（DU）和圓棒直徑（D）的比值從而得到H的圖

（請橫屏查看）

在傳熱方面，Gr數（H）的計算公式是：

H=h/2k

式中，k是熱導率，h是對流換熱系數。許多變量影響淬火烈度和Gr數的值。

格羅斯曼及其同事研發的圖表和方法具有重要的實用價值，盡管他們假設 H 值在淬火期間是一個常數。雖然對于不同尺寸的不同鋼種來說這種計算方法是不嚴密的，然而，對于普遍現象，它清楚地闡明了當淬火棒的尺寸增加時，用中等淬冷烈度比用更劇烈的淬冷烈度淬火心部未淬透比例迅速增加。它也闡明了其他情況，諸如在非常大的圓柱體上維持一個淺層淬硬層，即便是淬透性適度降低，當淬火十分劇烈時，隨著直徑的變化，淬透厚度（D-Du) 幾乎沒有變化。同樣地，它闡明了在中等淬冷烈度的淬火冷卻介質中淬火時，對于相當小的鋼試樣，淬火圓環邊緣突然消失的原因。相應地，這些數據表明在某些條件下，軟點幾乎是不可避免的。H系數包括影響鋼的散熱的表面狀態（氧化皮厚度和結構），以及熱擴散系數。此外，去除阻礙淬火的蒸汽膜中攪拌的影響，也體現在 H 值上。

注意：HD與畢渥數（Biot number) 相對應，畢渥數是一個眾所周知的無量綱的傳熱系數。它是固體內部單位導熱面積上的導熱熱阻與單位表面積上的換熱熱阻之比。畢渥數小，表明內部導熱熱阻和表面傳熱熱阻相比是可以忽略不計的，這就意味著整個工件的溫度近似均勻。因此，特別大的比渥數表明在淬火期間，整個工件上的溫度是不均勻分布的。不同淬火方式對應的H值見表3 。

▼表3 不同場景方式對應的H值

上表中的數值雖然沒有準確地定義淬火冷卻介質的冷卻速度，但仍具有實際意義。從圖15中可以看出，H=5和理想淬火（H=∞）之間差別很小。

四、理想臨界直徑

格羅斯曼 H 系數提供了一種孤立于淬火條件的鋼的淬透性的量化方法。當將實驗圓棒的的表面立即冷卻到環境溫度時，通過數學上的臨界直徑（D0）的相關性來求解。

羅格斯曼理想臨界直徑是指當以一個理想的（也就是無限大的）冷卻速度冷卻表面時，圓棒中心能淬成50%馬氏體的直徑。盡管實際上不能實現理想冷卻，但可以用數學方法推斷出理想的淬火（H=∞）狀態，即淬火試件表面溫度夠在接近零的時間內降低到淬火介質的溫度，并在這一溫度下保持溫度，試件散熱速率完全取決于金屬本身熱擴散系數，而非表面熱導率。

理想臨界直徑可用來定量地衡量鋼的淬透性。通過羅格斯曼及其同事制作的圖表可以得到在各種冷卻烈度下，理想臨界直徑和臨界直徑的關系。詳見圖15 。

▲圖15 理想臨界直徑（DI）與不同淬火

烈度（H值）時的臨界直徑之間的關系

DI 和 H 值基本上代表了與末端淬火試樣位置相關的冷卻速度，見圖16。羅格斯曼 H 系數測量的是表面吸熱能力，因此，它與沿著末端淬火圓棒上的位置相關。理想臨界直徑用于衡量圓棒在表面上實現理想冷卻（H=∞）而在中心獲得50%馬氏體相變所需的冷卻速度。所以 DI 值也與末端淬火距離（Jd）有關（圖16 c）。