從 美國金屬學會 熱處理手冊 上學習：鋼的硬度和淬透性 （下）
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十、喬米尼末端淬火數據集的可變性
在受控條件下，如果沒有要求達到理想狀態，那么，末端淬火試驗的再現性是可以接受的。然而即使具有展示實驗再現性的受控條件，一個H 型鋼在靠近末端淬火拐點固定深處硬度，在受控條件下，通常也會有±6HRC的散差。無論如何，重要的是要認識到，即使以為大家接受的實驗數據（如末端淬火曲線）也存在本質上的局限性。如圖41所示 。
對于8620滲碳鋼和淬硬層較深的4140汽車用鋼，從一家大型的的國際集團中選取幾組末端淬火曲線，鋼的名義化學成分和晶粒度幾乎相同，導致這些差異的原因可以概括為化學成分報告不準確，實驗程序不細心，未報告過程可變因素，或未控制過程變量。同樣地。連續冷卻轉變曲線也隱含著類似的經驗性錯誤。原因轉變物質和冷卻歷史不是完全確定的，或者模棱兩可的，而且高達四個數量級的冷卻曲線疊加時間刻度的不確定性這些不足將自然地表現出來。
上述解釋主要是針對低中淬硬層鋼。對于淬硬層更深的鋼，如4340 (見圖42) 。末端淬火深度的概念將變得很模糊。雖然從臨界直徑（D0) 試驗數據中確定的 DI仍然是一個有效的概念。但是由于成本原因，對于深淬硬層鋼不考慮這種試驗手段。在這種情況下，規范和解釋的問題不在于曲線的形狀，而在于硬度對末端淬火試驗實際上使用的奧氏體化溫度和時間有極高的靈敏度。這在較低程度上，對低合金鋼也同樣適用。這個問題總是出現在含碳量較高的可淬硬的過共析成分鋼中，所以，這種鋼中含有體積分數很大的非常不穩定的軋制狀態的未溶碳化物。因此，對于這種等級的淬透性規范和末端淬火試驗曲線，質量控制人員和熱處理工作人員的操作是關鍵的。從積極的方面看，熱處理工作人員應該察覺到奧氏體化溫度的微小變化所帶來的靈活性。
十一、鋼的淬透性計算
鋼的淬透性主要受化學成分（碳、合金元素和冶金殘留物）和淬火瞬間奧氏體晶粒度的影響。如果可以定量地確定它們的關系，則可以根據化學成分和晶粒度來計算鋼的淬透性。駱羅斯曼于1942年發表了這種方法，根據他的觀察，淬透性可以表示為一系列與化學成分相關的淬透性系數的乘積。這個計算結果是對衡量鋼的固有淬透性的格羅斯曼理想直徑（DI ) 的一個估算。這些方程式最常用的形式是以淬透性系數為因子。 每年六月發行的《金屬進展》上都會列出一些格羅斯曼系數，已進行了很多年，這些格羅斯系數現被收錄在 ASTM A255-89 和 SAE J406的附錄中。其他方法是根據回歸方程以及熱力學和動力學第一原理進行計算的。迄今為止，沒有一種預測方法被證明廣泛適用于所有類型的鋼；也就是說，不同的預測方法適用于相應的合金系統、含碳量和淬透性水平。另外，通常需要根據鋼鐵生產商的特點（冶金殘留物、熔融金屬過程等）對預測值進行微調。 在格羅斯曼的方法中，用鋼的化學成分和晶粒度計算理想臨界直徑（試樣心部為50%馬氏體，H=∞）。理想臨界直徑的計算公式為：DI=DIbase fMn fSi fCr fMo fV fCu （1）式中，fx (x代表合金元素）是部分合金元素的透性系數。表7中列出了部分DI和合金元素的淬透性系數。這些合金元素的淬透性系數是在中等淬透性的中碳鋼中得到的。根據化學成分計算鋼的淬透性通常包括下列幾個步驟： 2) 獲得化學成分。
3) 根據含碳量和晶粒度（表7) 確定 DIbase。
4) 確定合金元素的淬透性系數（表7) 。
5) 按照式（1 ) 計算理想臨界直徑。
在式（1 ) 中，基本DI (DIbase)(基本淬透性）是含碳量和晶粒度的函數，而淬透性系數（f )是相互獨立的（不總是純凈的）。克萊默（Kramer)等人隨后確定了碳的淬透性系數，比格羅斯曼的數據大三倍，而錳的淬透性系數則降低了大約相同的
比例。
導致上述差異的原因，是格羅斯曼不得不用含有一定量錳的碳鋼作為末端淬火試棒的材料，以便測量基本淬透性的再現性。因此在分析中，他必須分離化學成分中碳和錳的影響，而這樣做是不精確的。由于克萊默和他的小組使用了純鐵碳合金作為基本化學成分，通過對一系列小圓棒進行淬火，因此能夠很精確地測量低淬透性。▼表7 鋼的淬透性系數與含碳量、合金元素之間的關系
有趣的是，按格羅斯曼方法計算的50%馬氏體的理想臨界直徑，與克萊默等人根據大部分實際化學成分確定的這些系數有很好的一致性。對于可以完全溶解碳和合金元素的低、中碳鋼，其淬透性很容易計算，故推薦使用克萊默系數，如圖43和圖44 所示 。
▲圖43 碳、晶粒度級數和圖44一起使用
來計算鋁鎮靜的低、中碳鋼的克萊默系數
▲圖44 適用于圖43的合金元素的淬透性系數
對于DI大于114mm（4.5in）的鋼，由于以下實際應用中的三個原因，克拉默系數以及其它系數都是不夠精確的：
1）高淬透性鋼主要是貝氏體組織，當貝氏體為第一轉變物時，一些元素（如鉬）對淬透性的影響有很大的不同。 2) 當一些可溶解的碳化物形成元素（如鎳和鋁）一起使用時，它們將對彼此產生相互促進淬透性的影響；也就是說，每一種合金化元素的作用均大于其單獨存在于化學成分中時的作用。 3) 高淬透性的鋼中通常含有大量的強碳化物形成元素，它們常常不能全部分解。 幾種淬透性計算方法都是基于淬透性系數原理， 一個早期的例子是在 20 世紀70年代出現的美國鋼鐵公司的淬透性計算器。Climax Molybdenum 公司的計算器對低、中碳鋼的淬透性做出了更為準確的預測。利用根據合金的化學成分和晶粒度確定理想臨界直徑的方法，人們已經比較了大量鋼材的淬透性。使用正確時，淬透性計算還可以作為設計更劃算的替代鋼種的一個有價值的工具，在軋制前確定軋機爐號的安排，甚至有可能代替昂貴和費時的淬透性測量。
當按照常規加熱參數淬火時，高碳（過共析）鋼中常含有大量未分解的碳化物。如果不對這一情情況進行嚴格控制，那么，由于合金元素和碳的溶解量會變化，將不可能得到一種合金元素對淬透性的單一影響。因此，給定數量的合金元素對淬透性的影響將受到先前組織，先前碳化物尺寸，形狀和分布，以及奧氏體化時間和溫度的影響。當存在過剩碳化物時，由于ASTM 6-8晶粒度變化不大，因此盡管晶粒度對淬透性也有影響，但是其影響不顯著。 在高碳鋼中，正火鋼的原始組織為從100%馬氏體到100%層狀碳化物，兩種顯微組織在重新加熱過程中，都很容易轉變為奧氏體。然面，退火材料的顯微組織中通常含有大量的球狀碳化物，當鋼重新加熱淬火時，它們很難溶解。如果嚴格控制原始組織、晶粒度、奧氏體溫度和時間，那么，給定數量的合金化元素對淬透性的具體影響將足以再現，從而可得到高碳水平上的許多元素的淬透性系數。 人們已對硬度數據組與選用的末端淬火深度相對應的線性同歸公式進行了廣泛的研究。對于單一鋼材牌號，這是相當有用的，提供的數據組密集覆蓋了化學成分極限和硬度帶。但是，這些公式不能在該單一牌號以外使用，所以，依據這一程序的綜合信息或專家系統在本質上缺乏靈活性并且被夸大了。然而，銅材牌號數量有限的生產商或用戶可能會發現這種程序適合作為牌號－格羅斯曼（Grossmann)系數的替代方法。
如果要求相對粗略，那么佳斯特（Just）給出了末端淬火圓棒上 HRC 分布的一個完整系統，他建立了一條通用的末端淬火曲線形狀，用以1/16in為單位的末端淬火距離 “E” 來表示，而且除碳以外，用所有成分的質量分數作為線性回歸系數。“卡特彼勒淬透性計算器（IE0024）”，是其應用實例。
十二、根據淬透性選擇鋼種
為了選擇合適的鋼，應首先查看不同鋼種可達到的最大硬度，即表1中95%或99. 9%馬氏體含量欄目中，表面硬度對應的碳的質量分數。回火后一般可接受的表面硬度降低值是5HRC 和 40HBW（采用布氏硬度時，相應的壓痕直徑增量是0. 05mm （0. 002in)）
可達到的（淬火狀態）最大表面硬度取決于鋼的含碳量和淬透性。油中能整體淬透到表面最大硬度的最大橫截面尺寸見表8。
▼表8 油中能淬透到表面最大硬度的最大截面尺寸
通過使用圖18 所示的末端淬火等效圖表以及鋼的淬透性帶（如圖45所示的4140H鋼的淬透性帶）， 可以確定預期的心部硬度范圍。末端淬火等效圖表顯示一根Φ50mm (Φ2in) 圓棒使用高速油淬火后，將產生一個等效于末端淬火試棒J4(4/ 16in) 部位的表面冷卻速度；心部的等效冷卻速度相對于末端淬火距離J8.5的部位。對于4140H鋼，淬透性曲線（圖45) 對應的表面硬度范圍是51~59HRC, 對應心部硬度是46~57HRC。
給定爐號的鋼的實際硬度嚴格取決于該爐號所指定的淬透性。為了減少硬化特性的變化，從而在熱處理后，使表面和心部的硬度值范圍變窄，應采用H型鋼或使用限制淬透性規范的 H 型鋼，以使所選擇的鋼的淬透性變窄。
大部分可以淬火的1xxx系列碳鋼中錳的質量分數為0. 60%~0. 90%.錳對淬透性的影響顯著，即使錳的質量分數僅存在0. 25%的差異，也會使碳的質量分數為
0. 50%的碳鋼的淬透性存在很大差別（圖46) 。
▲圖46 碳和錳對1050鋼末端淬火淬透性的影響
考慮到在碳鋼中可用的含錳量的范圍，由此得出結論，可以存在一個寬范圍的淬透性（圖47) 。例如，1541H 鋼頻繁表現出末端淬火淬透性值比1340H鋼淬透性帶（圖48) 的最小值大。因此，從碳鋼牌號到合金鋼牌號，有一個逐步過渡的淬透性。由于許多碳鋼是用回收廢料生產的，因此標準等級中的殘留元素可能會有所變化。
▲圖48 1340H鋼和1541H鋼淬透性帶的比較
也有許多情況需要應用最小的而不是最大的淬透性，在低錳鋼牌號中就是這樣。例如，通常希望在軸頸或凸輪輪廓上產生薄層的最大硬度，這可以通過感應淬火或火焰淬火來完成。然而，如果硬化區太深，則會建立一種不利的殘余應力模式，可能導致淬火開裂或者早期服役失效。另一個實例是將用標準1050 鋼（錳的質量分數為0. 60%~0. 90%) 制造的一些凸輪感應淬火到 60HRC, 深度大約到1. 6mm (1/16in)。如果淬硬區深度變為 3. 2mm (1/ 8in) , 則會有顯著數量的開裂零件。使用改良的1050鋼（錳的質量分數為0. 30%-0. 60%Mn) 可以消除裂紋，在感應淬火之后，硬化區將變得較薄。 由于被處理的橫截面常常很大，并且合金元素通常使馬氏體形成溫度范圍向較低的方向變化，與橫截面較小的普通碳鋼件相比，合金鋼零件在淬火過程產生的熱應力和相變應力，有變大的傾向。通常，較大的應力有導致畸變和開裂風險。然而，合金元素可以通過兩種方式抵消這一缺點。首先，也是最重要的一點，是對于一個具體的應用零件，充許采用較低的含碳量。隨著含碳量的減少，淬透性降低，但是這可能很容易被所添加合金元素對淬透性的影響所抵消。而且，含碳量較低的鋼具有更低的淬火開裂敏感性。這種較低的敏感性是基于較大的低碳馬氏體塑性，并且在低碳鋼中，在較高的溫度范圍內將普遍形成馬氏體。碳的質量分數等于或小于0. 25%的鋼中很少產生淬火裂紋（PS，此類鋼可以進行強烈淬火，可以獲得與中碳鋼、中碳合金鋼等效的性能），隨著含碳量的增加，對裂紋的敏感性也逐漸增加。 合金元素在淬火時的另一個作用是對于給定的橫截面允許采用較低的冷卻速度，因為合金元素增加了淬透性，所以溫度梯度通常會減小，冷卻應力也就相應地減小了。但應該注意：這不是完全有利的，因為淬火之后存在的應力的方向及大小對裂紋有重要的影響。為了阻止裂紋擴展，淬火之后的表面應力應該是壓應力，或者是相對低的拉伸應力。通常，對于這些鋼的淬透性而言，應采用不劇烈的淬火來降低畸變，從而可在較大程度上避免開裂。 此外，這些合金鋼的淬透性提高后，允許對其進行等溫淬火和分級淬火熱處理，因此，回火之前的有害殘余應力水平應維持在最低程度上。在等溫淬火中，工件迅速冷卻到較低的貝氏體區溫度，在這個溫度上等溫，直至完成部分貝氏體轉變。由于轉變在相對高溫區發生，并且進展很慢，因此轉變之后的應力水平相當低，而且畸變最小。 在分級淬火中，工件迅速冷卻到 Ms 溫度以上并保持，直到整個工件的溫度均勻為止，然后在馬氏體轉變區緩慢冷卻（通常是空冷）。這個過程會導致在整個橫截面上幾乎同時形成馬氏體，所以轉變應力保持在一個使畸變最小化、開裂風險最低的水平上。
12.1 實例
采用淬透性圖表判斷4140H 鋼是否能滿足一根Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 軸的硬度要求。（一臺機械需要一根Φ44. 45mm (Φ1. 75in) ，長1. 1m (31/2ft) 的軸。工程分析表明，抗扭強度接近170MPa (25ksi) , 抗彎強度則達到 550MPa (80ksi) 。其他幾個零件在同一家工廠生產，也是采用 4140H 鋼制造，現在希望知道用 4140H 鋼制造這根軸是否具有足夠的淬透性。
由于扭轉時的切應力大約是彎曲時的一半，首先考慮彎曲的情況。在彎曲過程中，心部的應力接近于零，所以鋼的心部不需要完全淬透。這是很有幫助的，因為淬火應力的分布將減少產生淬火裂紋的危險，而在回火后，能夠在軸的外部部分存在壓應力。
為了承受彎曲過程中550MPa (80ksi) 的疲勞載荷，要求最小硬度是35HRC。對于這個例子，假設淬火狀態組織至少含有80%的馬氏體，通過對淬火狀態進行回火應能獲得35HRC。根據類似零件的經驗，可以知道 80%馬氏體組織應該出現在軸的 3/4 半徑位置。
由于4140H鋼中碳的最小質量分數是0. 37%，在圖49 中的80%馬氏體組織上首先找到對應于0. 37%C的淬火狀態的硬度。如圖49 中頂部的圖（和圖1 d）相同）所示，這個淬火狀態的硬度是45HRC。
▲圖49 在鋼的截面上使用淬透性數據圖例
重新描述前面的問題（4140H 鋼是否適用于這 個零件？） : 在一根
Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 軸的3/4半徑處，淬火狀態的 4140H 鋼能否提供最低要求硬度45HRC? 為了回答這個問題，進入圖49 中間的圖表，在Φ44. 45mm (Φ1. 75in) 處做水平線與3/4 半徑對應的曲線相交于一點，這個交點位于試樣末端淬火距離6. 5/16in 的位置。最后做垂直線到底部圖表上，與4140H鋼的最低淬透性曲線相交于一點，該交點處的硬度為 49HRC。由于 49HRC＞45HRC,因此用 4140H鋼制造該零件有足夠大的淬透性。
十三、淬透性極限和 H 鋼
淬透性帶是描述許多等級的碳和合金鋼的淬透性范圍的末端滓火曲線（根據許多歷史數據繪制）。淬透性帶也可以在H鋼的技術規范中采用，H鋼是具有指定淬透性帶的鋼種。這些鋼種是在化學成分符號之后，或者在統一編號系統（UNS) 名稱之前用一個字母 H 命名。
H 型鋼有供應商保證在規定的化學成分范圍內滿足淬透性要求。圖50 比較了四種鋼的淬透性帶，H 鋼的淬透性比較緊湊。化學成分類似的鋼種的淬透性帶比較寬。表9 中 列出了 H 鋼的末端淬火淬透性帶。
▲圖50 H鋼的淬透性帶與化學成分類似的鋼的淬透性帶比較
當規定使用 H 鋼時，鋼鐵制造商將在交貨單上，或者通過其他方式給出包含煉鋼爐號在內的淬透性特性。這個爐號的淬透性通過在末端淬火試樣上規定的參考點硬度，或者在規定的末端淬火距離處的硬度來表示。20HRC以下的讀數不做記錄。在鑄造或者鍛造的末端淬火圓棒上測定爐號淬透性。
圖51 所示，為六個 H 鋼系列最小淬透性曲線之間的差異，在每一個H鋼系列中，合金含量基本不變，可以觀察到碳的質量分數對淬透性的影響范圍是0. 15%~0. 60%.末端淬火試樣上的任何曲線的垂直位置之間，也就是說，對于任何一個冷卻速度，可以看出碳對硬度的影響。這種影響變化顯著，取決于合金元素的類型和數量。例如，在圖51 d~f中，三個鋼系列中碳的質量分數從0. 35%增加到
0. 50%, 引起了四個不同末端淬火位置處硬度的增加（使用洛氏硬度C標尺）， 見表10。
在圖51 的水平坐標線上可以看到含碳量對淬透性的影響。如果用曲線的拐點來預估50%馬氏體轉變的位置，則 8650與8630鋼含碳量對淬透性的影響可以表示為＋4/16in, 也就是說，拐點從5/16in 位置轉移到 9/16in 的位置。類似地，當名義碳的質量分數為0. 35%~0. 50%時，在51xx系列鋼中碳淬透性的影響較小（2/16in) , 在41xx系列鋼中較大（6/16in) 。 在淬火速度方面，考慮到淬火和淬透性的聯合影響，要求達到45HRC的冷卻速度（或淬火速度）受質量分數為0. 15%的C與合金化元素組合的影響而不是受到其他組合的影響。例如，在w (Cr) =0. 75%和w (Mo) =0. 15% (以41xxH系列鋼為例）的鋼中，w (C) 增加0. 15%, 淬火速度要求就較低，或者獲得45HRC的臨界冷卻速度可從25℃/s降低到4. 6℃/s (45°F/s到8. 3°F/s)。同樣，在w (Cr) =0. 75%和無鉬元素（51xxH系列鋼）的鋼中增加相同的碳的質量分數，冷卻速度可從47℃/s降低到21℃/s (85°F/s到37°F/s)。 碳和合金元素含量對冷卻速度影響的實際意義是值得考慮的。對一根Φ50mm (Φ2in) 的4150H鋼圓棒進行油淬，無攪拌，在1/2半徑處可以獲得45 HRC的硬度。在同樣直徑的 4135鋼圓棒中，為了在1/2半徑處獲得同樣的硬度，則需要水淬并強烈攪伴。比較Φ32mm (Φ11/4in) 5135鋼和5150鋼，在135鋼圓棒1/2半徑處獲得45HRC硬度需要水淬并攪拌；同樣的要求在5150鋼圓棒上使用油淬、中等攪拌，就可以實現。因此，增加或減少含碳量或添加某種合金化元素，如質量分數為0. 15%的Mo, 可以在要求的淬冷烈度和橫截面尺寸下獲得希望的結果。
圖52 所示，為如何根據理想臨界直徑對鋼種進行評價：假設在理想淬火條件下，將橫截面的心部淬硬到50%馬氏體組織，通過碳和合金元素的含量對這一過程的影響進行評價。理想淬火是指熱量從鋼件表面釋放出去熱量的速度和它從內部被傳遞到表面。的速度相同。通常，硬度和含碳量之間的關系在實際應用中是很重要的，但是，用于這種評定方法中卻是模糊的，因為鋼被認為具有恒定的微觀結構。
硬度是隨著含碳量的降低而不斷下降的。
十四、根據末端淬火試驗位置對 H 鋼進行分類
由表11可見，位于H 鋼末端淬火試樣硬度帶的下限上，六個不同的硬度水平被指定為淬火態硬度：55HRC、50HRC, 45HRC、40HRC、35HRC 30HRC。最后兩個硬度水平主要用于滲碳零件的心部硬度。表中包含了已經建立帶的大部分鋼，而且已被繪入圖33 和圖34， 這樣做減少了需要查,閱的圖表的數量，而在過去，為了選擇一種鋼，這些圖表是必需的。在下面的例子中介紹了圖33 和表11 的使用方法。
▼表11 按照各種末端淬火距離的最小硬度對 H 鋼進行分類
例：選擇一種在Φ38mm (Φ11/2in) 橫截面的1/2半徑處等效硬度是45HRC的鋼。分析：需要選擇一種鋼，在用這種鋼制成的零件的1/2半徑處將淬硬到45HRC, 這個零件有一個重要的橫截面等效于Φ38mm (Φ11 /2in) 圓棒。 1) 為了防止畸變，假設在油中淬火，攪拌速度為60m/min (200ft/min) (H=0.5),并且在無氧化氣氛中加熱到奧氏體化溫度。所以，圖33 ）c所示的1/2半徑圖表可用。 2) 選擇鋼種。首先，在豎直軸上找到38mm并做水平線，與攪拌速度為60m/min (200ft/min) 的油淬曲線（曲線5) 相交于一點，通過該交點做水平軸的垂線，即可確定末端淬火圓棒上和Φ38mm圓棒的1/2半徑處冷卻速度相同的位置，這個位置位于至圓棒淬火端的等效距離為6. 5/16in處。然后，在表21 中查找各種 H 鋼末端淬火圓棒上45HRC 的位置，發現 8640、8740、5150和94B30鋼的末端淬火距離在6. 5/16in處將達到 45HRC。如果其他的淬透性不能滿足要求，那么在7/16in處達到45HRC 的鋼包括4137、8642、6145和50B40鋼。9261鋼也屬于這類鋼，但是不可以選用，因為它僅作為一種彈簧鋼使用，淬火態時，其硬度必須高達50~55HRC。因此有八種鋼可用，它們能滿足淬透性要求。選擇者可根據這些鋼的其他特性，如機械加工性、可鍛性、氣割性、畸變情況、可用性和成本等做出決定，并最終決定哪一種鋼最適合作為所需制造工件的材料。
文章來源：節選自美國熱處理手冊A卷
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