鋼的硬度和淬透性（上）

作者：董(dong)敬松時(shi)間：2023-08-11閱(yue)讀數：人(ren)閱(yue)讀

鋼的硬度和淬透性 (上)

從美國金屬(shu)學(xue)會熱(re)處(chu)理手(shou)冊(ce) 上學(xue)習:鋼(gang)的硬度(du)和淬透性 (上)

本文內容摘(zhai)編自《美(mei)國金屬學會熱處理手冊 A卷》。文中由實(shi)驗數(shu)據繪制的圖表詳(xiang)實(shi),實(shi)用價值很高。文中鋼(gang)的牌號以及數據(ju)單位不再做轉換,讀者自己查詢。文(wen)中圖(tu)表是使用手(shou)機軟件編(bian)輯上去的,有些變形失真,敬請諒解。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖1)

一、引言

淬透(tou)(tou)性(xing)是(shi)(shi)指(zhi)在(zai)規定條件下冷卻(que)時,鋼(gang)在(zai)某(mou)一深度上獲(huo)得令人滿意的(de)硬度的(de)能力。硬度是(shi)(shi)通過從奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)到(dao)馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)相變(bian)獲(huo)得的(de),馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)形成的(de)程(cheng)度取決(jue)于奧(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)迅速冷卻(que)到(dao)馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)開始轉變(bian)溫度以(yi)下的(de)冷卻(que)速度,在(zai)此過程(cheng)中(zhong)沒(mei)有明顯的(de)珠光體(ti)(ti)(ti)(ti)轉變(bian),或(huo)其他組織轉變(bian)。因此,深層(ceng)硬化(馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)形成)的(de)鋼(gang)被認(ren)為具有高(gao)的(de)淬透(tou)(tou)性(xing),而那些表(biao)現淺層(ceng)馬(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)硬化的(de)鋼(gang)就是(shi)(shi)低淬透(tou)(tou)性(xing)鋼(gang)。

淬(cui)(cui)(cui)透性是(shi)衡(heng)量(liang)(liang)(liang)淬(cui)(cui)(cui)火(huo)能力的(de)(de)一種以試驗為依據的(de)(de)指(zhi)標,不(bu)應該(gai)將其與硬(ying)(ying)度或淬(cui)(cui)(cui)火(huo)后(hou)馬(ma)氏體的(de)(de)最高硬(ying)(ying)度相混淆(xiao)。硬(ying)(ying)度取(qu)決(jue)于含(han)碳(tan)(tan)量(liang)(liang)(liang)和(he)馬(ma)氏體轉變程度,鋼(gang)中不(bu)同的(de)(de)含(han)碳(tan)(tan)量(liang)(liang)(liang)與馬(ma)氏體含(han)量(liang)(liang)(liang)對硬(ying)(ying)度的(de)(de)影響見圖1 和(he) 表(biao)1 。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖2)

▲圖1 碳對馬氏體硬度的影響

▼表1 含碳(tan)量和對(dui)馬(ma)氏(shi)體含量對(dui)淬火(huo)鋼硬度的影響

鋼的硬度和淬透性（上）(圖4)

對(dui)于(yu)一個給定的(de)(de)含(han)碳(tan)量,當為(wei)100%馬(ma)(ma)氏(shi)(shi)體(ti)組(zu)織時,可達到(dao)最大(da)硬(ying)度,這(zhe)種組(zu)織只(zhi)能(neng)從表面或(huo)小(xiao)型(xing)鋼(gang)試樣的(de)(de)薄(bo)截(jie)面上獲得(de)。大(da)截(jie)面上無(wu)法達到(dao)足夠大(da)的(de)(de)冷卻速度,從而(er)無(wu)法完成100%馬(ma)(ma)氏(shi)(shi)體(ti)轉(zhuan)變,因此(ci)零件的(de)(de)馬(ma)(ma)氏(shi)(shi)體(ti)層深度和(he)硬(ying)度會降低。

PS:圖1 和表1 提供了實踐中(zhong)根據淬(cui)火(huo)(huo)硬(ying)(ying)度來(lai)判斷(duan)淬(cui)火(huo)(huo)狀態的(de)依據。已知碳含量(liang)和測點(dian)淬(cui)火(huo)(huo)硬(ying)(ying)度,就可以知道測點(dian)馬氏體含量(liang),從而對淬(cui)火(huo)(huo)質量(liang)做出(chu)定量(liang)判斷(duan)。

和碳對馬氏體硬(ying)(ying)度的影響(xiang)不同,其他合金化(hua)元(yuan)素對淬(cui)火(huo)后鋼的硬(ying)(ying)度沒(mei)有影響(xiang)(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(ti)的(de)硬(ying)度(du)僅僅取(qu)決于含(han)碳(tan)量,鋼(gang)中(zhong)的(de)其他合金元素能增(zeng)加(jia)鋼(gang)的(de)淬(cui)透性,不增(zeng)加(jia)硬(ying)度(du)。這是因(yin)為(wei)合(he)金化能夠使碳(tan)的(de)擴散(珠光體(ti)形成所需的(de)碳(tan)擴散)速(su)度減慢,從而(er)可(ke)以促進在較(jiao)低的(de)冷卻(que)速(su)度下形成馬(ma)氏體(ti)而(er)增加了淬(cui)透性(從而(er)加大(da)了淬(cui)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。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖7)

▲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(er)、喬米尼末端淬火(huo)實驗

鋼的(de)(de)淬透(tou)(tou)性(xing)是(shi)由奧氏體在(zai)淬火期間分解為鐵素體,珠光體、貝(bei)氏體以及馬氏體的(de)(de)不(bu)同(tong)冷卻(que)(que)速(su)度(du)所決定(ding)的(de)(de)。因此,通過(guo)檢測硬(ying)(ying)度(du)來(lai)評估淬透(tou)(tou)性(xing)是(shi)最好的(de)(de)方(fang)(fang)式,也就是(shi)以一種可重復的(de)(de)方(fang)(fang)式。在(zai)不(bu)同(tong)的(de)(de)冷卻(que)(que)速(su)度(du)下檢測硬(ying)(ying)度(du)的(de)(de)方(fang)(fang)法,在(zai)已(yi)(yi)經得到應用(yong)的(de)(de)幾種試驗(yan)方(fang)(fang)法中,喬米尼末(mo)端淬火試驗(yan)是(shi)一個(ge)相(xiang)對簡(jian)單的(de)(de)試驗(yan),在(zai)評估淬透(tou)(tou)性(xing)時(shi)已(yi)(yi)經普遍采用(yong)了這種試驗(yan)。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(guo)標準GB/T225-2006。試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)圓(yuan)棒(bang)(bang)的尺寸通常是(shi)直(zhi)徑25mm (1in) 、長 100mm (4in) , 一(yi)(yi)端帶有(you)(you)法蘭,用于在淬(cui)(cui)火(huo)(huo)時夾持到(dao)夾具上圖(tu)5 a)。有(you)(you)時根據需要,試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)圓(yuan)棒(bang)(bang)的尺寸會有(you)(you)所改變。試(shi)(shi)(shi)(shi)驗(yan)過程為先(xian)將試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)加熱到(dao)適(shi)當的奧氏(shi)體(ti)化溫度(du),然后將其移到(dao)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)夾具上。淬(cui)(cui)火(huo)(huo)夾具是(shi)一(yi)(yi)種專門設計的裝置(zhi);試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)垂(chui)直(zhi)夾持在一(yi)(yi)個水(shui)柱(zhu)噴水(shui)口之上13mm (0. 5in) ,水(shui)柱(zhu)能(neng)垂(chui)直(zhi)對著試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)底(di)部,見圖(tu)5 a) 。當試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)底(di)部被水(shui)柱(zhu)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)時,另一(yi)(yi)端在空氣中緩慢(man)冷卻,試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)的中間(jian)部位則以(yi)中等(deng)速度(du)冷卻。在試(shi)(shi)(shi)(shi)樣(yang)(yang)完成淬(cui)(cui)火(huo)(huo)之后,在圓(yuan)柱(zhu)體(ti)兩相對表面磨去0. 38mm (0. 015in) 的深度(du)形成平行(xing)面。對于合(he)金鋼,每間(jian)隔(ge)(ge)1. 6mm (1/16in)測量(liang)一(yi)(yi)次硬(ying)度(du)(HRC);對于碳鋼,則以(yi)間(jian)隔(ge)(ge) 0. 8mm (1/32in) 測量(liang)硬(ying)度(du),從水(shui)淬(cui)(cui)端開始測量(liang)。

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(biao)2 705℃(1300°F)時(shi)喬米尼末端淬火

試樣(yang)的典型(xing)冷卻(que)速度及(ji)其對(dui)應的末(mo)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。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖14)

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 。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖15)

▲圖7 五(wu)中(zhong)不同鋼(gang)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 。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖16)

▲圖(tu)8 末端淬火(huo)試驗水(shui)溫對冷卻能力的影響

溫度100°F即38℃升到160°F即71℃時,冷卻(que)大大削(xue)弱(ruo)

對(dui)于(yu)給定(ding)化學(xue)成(cheng)分合金鋼的(de)(de)(de)喬米尼末端(duan)淬(cui)(cui)火試驗曲(qu)線(xian),其端(duan)部的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)值(zhi)是固定(ding)的(de)(de)(de),因為(wei)它(ta)完全淬(cui)(cui)成(cheng)了(le)馬(ma)氏(shi)(shi)體,見(jian)表1 。不同(tong)馬(ma)氏(shi)(shi)體組分的(de)(de)(de)硬(ying)度(du)取(qu)決于(yu)含碳(tan)量(liang),確定(ding)不同(tong)含碳(tan)量(liang)的(de)(de)(de)鋼的(de)(de)(de)淬(cui)(cui)透(tou)性技(ji)術規范(fan)時,可(ke)以選用表1 的(de)(de)(de)數(shu)據作參考(kao)。根據硬(ying)度(du)與(yu)馬(ma)氏(shi)(shi)體之(zhi)間的(de)(de)(de)關系能夠從鋼的(de)(de)(de)末端(duan)淬(cui)(cui)火曲(qu)線(xian)中(zhong)得知一(yi)些結(jie)論。末端(duan)淬(cui)(cui)火曲(qu)線(xian)上的(de)(de)(de)一(yi)些點,可(ke)以與(yu)冷卻(que)轉變曲(qu)線(xian)圖(tu)(見(jian)圖(tu)9)相關聯。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖17)

▲圖(tu)9 8630鋼的轉變圖(tu)和冷卻(que)曲線(xian)

(表明奧氏(shi)體的轉變組織(zhi)組成與冷卻(que)速度的關系)

末端淬(cui)火曲(qu)線(xian)的(de)(de)(de)(de)拐(guai)點(dian)(見(jian)圖10)表示淬(cui)火相變(bian)產物馬氏體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)量發(fa)生了一個突變(bian),它(ta)代表約50%的(de)(de)(de)(de)馬氏體(ti)(ti)量的(de)(de)(de)(de)點(dian)拐(guai)點(dian)外的(de)(de)(de)(de)喬米尼曲(qu)線(xian)陡峭,以拐(guai)點(dian)處(chu)可看作為平均硬(ying)化深(shen)度(du),它(ta)與內應力(li)的(de)(de)(de)(de)大小和畸變(bian)便(bian)相關。但實(shi)際上,在拐(guai)點(dian)處(chu)實(shi)際觀(guan)察(cha)到或預測到的(de)(de)(de)(de)硬(ying)度(du)值對質量控制(zhi)人員或熱處(chu)理操作者來(lai)講影響不(bu)大。而表面和心(xin)部硬(ying)度(du)的(de)(de)(de)(de)上下限之間(jian)的(de)(de)(de)(de)半硬(ying)化位置(zhi),硬(ying)度(du)曲(qu)線(xian)在此處(chu)的(de)(de)(de)(de)斜率是有價值的(de)(de)(de)(de)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:

鋼的硬度和淬透性（上）(圖19)

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:

鋼的硬度和淬透性（上）(圖20)

式中,Ts 是時間(jian)的變量,當表面被淬(cui)火冷(leng)(leng)卻(que)(que)介(jie)質(zhi)瞬間(jian)冷(leng)(leng)卻(que)(que)時,淬(cui)冷(leng)(leng)烈(lie)度最大。如果(guo)淬(cui)火不劇烈(lie),則(ze)溫度下(xia)降得慢。在鋼制零件中,熱流(liu)密度與溫度梯度相關,即:

鋼的硬度和淬透性（上）(圖21)

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:

鋼的硬度和淬透性（上）(圖17)

式中,α是鋼的(de)熱(re)(re)(re)擴散系數(shu),它與(yu)鋼的(de)密度(ρ)、比熱(re)(re)(re)容(Cp)和熱(re)(re)(re)導率有關(k=αρCp)。在適當邊界(jie)條件(jian)下(如表面(mian)溫度、零件(jian)形狀、零件(jian)尺寸),上式的(de)求解(jie)需(xu)要(yao)對熱(re)(re)(re)導率的(de)微分方程積(ji)分。羅素(su)(su)做了這項(xiang)工作(zuo),可以(yi)由此來估算圓棒(bang)、方鋼、扁鋼或平板(ban)在淬火期間(jian)任(ren)何部(bu)位(wei)冷卻得到(dao)給定溫度所(suo)需(xu)的(de)時間(jian)。羅素(su)(su)假設鋼的(de)熱(re)(re)(re)擴散系數(shu)是一個常數(shu)(α=0.009 in2/s)。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖17)

除了可(ke)以(yi)根據冷(leng)卻速度(du)(du)確(que)定淬冷(leng)烈度(du)(du),羅格斯曼等人還研發(fa)了另一(yi)種(zhong)以(yi)測量(liang)不(bu)同直(zhi)(zhi)徑(jing)的圓(yuan)棒(bang)的淬火深度(du)(du)為基礎的方法(fa)。在(zai)這種(zhong)方法(fa)中(zhong),以(yi)圓(yuan)棒(bang)末(mo)端直(zhi)(zhi)徑(jing)(DU)與總(zong)直(zhi)(zhi)徑(jing)(D)之比來(lai)衡量(liang)淬火深度(du)(du)。將末(mo)端淬硬(ying)直(zhi)(zhi)徑(jing)DU定義為50%馬氏體(ti)組織(zhi)(zhi)深度(du)(du)處(chu)的直(zhi)(zhi)徑(jing),可(ke)以(yi)測量(liang)顯(xian)微組織(zhi)(zhi),或者(zhe)更方便地以(yi)硬(ying)度(du)(du)來(lai)衡量(liang)。如(ru)果知道(dao)含碳量(liang),則可(ke)以(yi)根據測得的硬(ying)度(du)(du)確(que)定50%馬氏體(ti)的深度(du)(du),如(ru)圖11所(suo)示(shi) 。對于50%馬氏體(ti)組織(zhi)(zhi),另外50%的硬(ying)度(du)(du),受(shou)其他合金化效應的的影(ying)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(cui)火(huo)條件下,以未淬(cui)硬直徑(DU) 與圓(yuan)棒(bang)直徑(D) 為坐(zuo)標(biao)繪制關系(xi)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(ke)見,淬(cui)(cui)火(huo)(huo)圓(yuan)棒的(de)(de)直(zhi)徑(jing)越大(da),未淬(cui)(cui)硬(ying)直(zhi)徑(jing)就(jiu)越大(da)。對(dui)于圖12中(zhong)任(ren)意兩(liang)個不(bu)同(tong)的(de)(de)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)條(tiao)件,當(dang)(dang)DU=0時(shi),存(cun)(cun)在(zai)一(yi)個臨界(jie)直(zhi)徑(jing)(D0) 。另(ling)外,格羅斯曼等人也(ye)得出結(jie)論:兩(liang)種(zhong)分(fen)別(bie)具有高、低淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)的(de)(de)鋼 A 和(he) B,采用不(bu)同(tong)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)方法(fa)時(shi),可(ke)能存(cun)(cun)在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)(de)臨界(jie)直(zhi)徑(jing)D0(Du=0) , 但是(shi)在(zai)其(qi)他尺(chi)寸(cun)相(xiang)等的(de)(de)條(tiao)件下,它們(men)的(de)(de)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)深度(du)不(bu)同(tong),也(ye)就(jiu)是(shi)說,它們(men)的(de)(de) DU與 D 的(de)(de)比(bi)值(zhi)(zhi)或者特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)總(zong)是(shi)存(cun)(cun)在(zai)差異。觀(guan)察(cha)發現,在(zai)一(yi)種(zhong)情況(kuang)下,對(dui)于一(yi)系(xi)列(lie)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)試(shi)樣——從小尺(chi)寸(cun)低淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)鋼試(shi)樣的(de)(de)高速淬(cui)(cui)火(huo)(huo)到淬(cui)(cui)硬(ying)深度(du)大(da)的(de)(de)大(da)試(shi)樣的(de)(de)輕微淬(cui)(cui)火(huo)(huo),其(qi)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)的(de)(de)形式是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)(de)。這種(zhong)情況(kuang)就(jiu)是(shi)對(dui)流換熱系(xi)數 H 和(he)臨界(jie)直(zhi)徑(jing) D 的(de)(de)乘積是(shi)一(yi)個常數。只要HD是(shi)常數,如果繪(hui)圖刻度(du)選(xuan)擇正確,那么所(suo)有DU/D的(de)(de)曲(qu)線(xian)均(jun)相(xiang)同(tong)。因此,當(dang)(dang)用HD代替(ti)HDU繪(hui)制(zhi)關系(xi)圖時(shi),一(yi)條(tiao)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)便可(ke)代表(biao)一(yi)類(lei)物質(zhi)的(de)(de)淬(cui)(cui)透(tou)(tou)性(xing)。這樣,所(suo)有鋼和(he)淬(cui)(cui)火(huo)(huo)狀態(tai)將被(bei)一(yi)組(zu)HD曲(qu)線(xian)族(zu)覆蓋(詳細(xi)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian))如圖13所(suo)示。DU/D的(de)(de)常量值(zhi)(zhi)用虛線(xian)表(biao)示。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖28)

▲圖13 兩種HD范(fan)圍的(de)HDU與HD的(de)特性(xing)曲線

因此,對(dui)于圖12專用(yong)的(de)(de)(de)一條(tiao)特性曲(qu)線,只需要(yao)在(zai)圖13中找到其(qi)對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)曲(qu)線,便可得(de)到HD0 的(de)(de)(de)值(zhi),從而得(de)到 H 的(de)(de)(de)值(zhi)。為此,引入兩種簡便方法,包括已確定的(de)(de)(de)DU/D的(de)(de)(de)斜率,結果,用(yong)在(zai)兩種適用(yong)尺(chi)寸上獲得(de)淬火深度,以獨特的(de)(de)(de)方式確定鋼的(de)(de)(de)淬透性(DU/D)和(he)淬冷(leng)烈度(傳熱系(xi)數(shu) H)。另一種簡便方法,是使用(yong)圖14的(de)(de)(de)對(dui)數(shu)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

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在傳(chuan)熱方面,Gr數(H)的計算公式是:

H=h/2k

式中,k是熱導(dao)率(lv),h是對流換熱系數。許多(duo)變(bian)量影響(xiang)淬火烈(lie)度(du)和Gr數的(de)值。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖19)

  格羅斯曼及其同(tong)事(shi)研發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)圖表(biao)和方法具有重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)實用價值(zhi),盡管他(ta)們(men)假設 H 值(zhi)在(zai)(zai)淬(cui)(cui)(cui)火(huo)期間是(shi)(shi)一個(ge)常(chang)數(shu)。雖然(ran)對(dui)(dui)于不(bu)同(tong)尺寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)鋼種來說(shuo)這種計算方法是(shi)(shi)不(bu)嚴密的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de),然(ran)而,對(dui)(dui)于普(pu)遍(bian)現象(xiang),它清(qing)楚地闡明(ming)了(le)當淬(cui)(cui)(cui)火(huo)棒的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸增加時,用中等(deng)淬(cui)(cui)(cui)冷烈度比用更劇(ju)烈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)淬(cui)(cui)(cui)冷烈度淬(cui)(cui)(cui)火(huo)心(xin)部未淬(cui)(cui)(cui)透(tou)比例(li)迅速(su)增加。它也闡明(ming)了(le)其他(ta)情況,諸如(ru)在(zai)(zai)非(fei)常(chang)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)圓(yuan)柱體(ti)上(shang)維(wei)持(chi)一個(ge)淺(qian)層(ceng)淬(cui)(cui)(cui)硬層(ceng),即便(bian)是(shi)(shi)淬(cui)(cui)(cui)透(tou)性適度降低,當淬(cui)(cui)(cui)火(huo)十分劇(ju)烈時,隨著直徑(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化,淬(cui)(cui)(cui)透(tou)厚度(D-Du) 幾乎(hu)沒有變化。同(tong)樣(yang)地,它闡明(ming)了(le)在(zai)(zai)中等(deng)淬(cui)(cui)(cui)冷烈度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)淬(cui)(cui)(cui)火(huo)冷卻介(jie)質中淬(cui)(cui)(cui)火(huo)時,對(dui)(dui)于相(xiang)當小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋼試樣(yang),淬(cui)(cui)(cui)火(huo)圓(yuan)環邊緣突(tu)然(ran)消失的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因。相(xiang)應地,這些數(shu)據表(biao)明(ming)在(zai)(zai)某(mou)些條件下,軟點幾乎(hu)是(shi)(shi)不(bu)可避免的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。H系數(shu)包括影響鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)散(san)熱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面狀態(tai)(氧化皮厚度和結構), 以及熱擴散(san)系數(shu)。此外,去除阻礙淬(cui)(cui)(cui)火(huo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)汽膜中攪(jiao)拌的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響,也體(ti)現在(zai)(zai) H 值(zhi)上(shang)。

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

鋼的硬度和淬透性（上）(圖31)

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 。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖32)

▲圖15 理想臨(lin)界直徑(DI)與不同淬火

烈度(du)(H值)時的臨(lin)界直(zhi)徑之(zhi)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)。

鋼的硬度和淬透性（上）(圖33)