鋼的淬透性 Hardenability-of-steel
鋼接受淬火的能力。屬于由淬火所造成的決定鋼的硬化層深度和硬度分布的內(nèi)在特性，表現(xiàn)為鋼在MS點以上是否容易避免非馬氏體型相變產(chǎn)物的形成，也就是鋼的過冷奧氏體穩(wěn)定性的大小。它可由鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(CCT圖)所限定的淬火臨界冷卻速度來衡量。臨界冷卻速度是過冷奧氏體不發(fā)生MS點以上任何轉(zhuǎn)變所需的最小冷速或者說使鋼只發(fā)生馬氏體型相變的最小冷速。臨界冷速越小，過冷奧氏體的穩(wěn)定性越大，則鋼的淬透性也越大，此即淬透性的實質(zhì)。淬透性是需要熱處理的絕大多數(shù)鋼在生產(chǎn)和使用過程中的重要信息媒介(需控制淬透性的鋼稱H鋼)和關(guān)鍵的質(zhì)量評判標準之一(機械零件設(shè)計中選擇鋼種的重要依據(jù))。
淬透性原理 奧氏體的成分(碳及合金元素)和晶粒大小是影響淬透性的主要因素。人們試圖根據(jù)奧氏體的成分(含晶粒大小)直接計算鋼的淬透性。1939～1942年，美國人格羅斯曼(M．A．Grossmann)提出，奧氏體中元素對淬透性的影響是相乘的關(guān)系，而不是早先人們認為的相加關(guān)系。并通過實驗得到不同元素的淬透性乘子，提出了理想臨界直徑(D1)的概念。淬透性的定義主要考慮的是顯徽組織，而淬透性的測量通常只限于硬度。為找出二者之間的相應(yīng)關(guān)系，首先需規(guī)定%26ldquo;淬透%26rdquo;的標準(涵義)。例如可按50％馬氏體加50％其他轉(zhuǎn)變產(chǎn)物這種復(fù)合組織的硬度(簡稱半馬氏體硬度)作為淬透的一種標準。在端淬曲線上相應(yīng)于半馬氏體區(qū)的距離J(簡稱半馬距)也可作為淬透性的一種量度。利用格羅斯曼1941年建立的、后經(jīng)美國人卡爾尼(D．J．Carney)于1954年修正的Di和端淬距離的關(guān)系曲線，可由半馬距求得Di。當然也可以根據(jù)其他馬氏體百分數(shù)來規(guī)定淬透的標準，如99．9％馬氏體，或99％馬氏體，或90％馬氏體等。50％馬氏體之所以用得較多，除了在實驗上測定起來較方便以外，主要是因為按化學(xué)成分計算淬透性的基礎(chǔ)工作都是基于格羅斯曼關(guān)于理想臨界直徑D-的概念。而D1是以50％馬氏體來定義的。鋼在某給定淬火介質(zhì)中淬火后，鋼棒中心得到50％馬氏體的最大直徑稱為臨界直徑(Do)。由于Do制約于冷卻條件，不便進行比較。于是，格羅斯曼提出可統(tǒng)一進行比較的理想臨界直徑Di。并建立了Di與不同介質(zhì)中得到的D0之間的換算關(guān)系圖。所謂理想臨界直徑，即在淬火烈度H為無限大的理想冷卻介質(zhì)中淬火后，鋼棒中心得到50％馬氏體的最大直徑。這種理想冷卻介質(zhì)(H=%26infin;)可在瞬間把鋼件的表面溫度降至淬火液的溫度，而且在冷卻過程中鋼件表面一直可保持在這個溫度(強烈攪拌的冷鹽水就近似于這種冷卻條件)。這樣，Di就不受具體冷卻條件的限制，從而便于進行對比。格羅斯曼把鋼的理想臨界直徑表示為：Di=Di0fsi%26bull;fmn%26bull;fcr%26bull;fmo%26bull;fni%26bull;%26bull;%26bull;%26bull;%26bull;%26bull;。式中Di0為給定奧氏體晶粒大小和碳含量的非合金鋼的理想臨界直徑(稱為基礎(chǔ)理想臨界直徑)，fsi fmn fcr，%26hellip;%26hellip;稱為鋼中所含各合金元素在給定含量下的淬透性乘子。可見，淬透性乘子就是備元素在給定含量下所增大的D10的倍數(shù)。格羅斯曼早期的有關(guān)淬透性乘子的數(shù)據(jù)，主要是在含有通常的0.8％錳和殘余合金元素的中碳鋼(0.6％C)中得到的。1942～1946年，很多研究者發(fā)表的一系列文章進一步闡明和修正了格羅斯曼所提出的概念和各元素的淬透性乘子(限0.25％～0.6％C)。
隨著對淬透性研究的進展，人們認識到格羅斯曼的淬透性(相乘)原理是正確的。但這一原理在實際的運用中還存在一些問題：(1)一個給定元素的淬透性乘子，并不總是正比于該元素的含量。(2)元素之間往往發(fā)生交互作用。一個給定質(zhì)量分數(shù)的元素，當該元素與其他元素一起加入時，同它在鋼中單獨使用時，其淬透性乘子往往是不同的，元素在相互作用的條件下所表現(xiàn)出的效果可以是倍增的。(3)利用硬度測量法確定試鋼gorlg。樣硬化特性曲線上半馬氏體區(qū)的精確性尚有問題。因為不同的鋼在此區(qū)域的非馬氏體相變產(chǎn)物，可以是珠光體，也可以是貝氏體等。因而使問題復(fù)雜化。直接用顯微組織的定量法代替硬度法確定半馬氏體區(qū)，原則上更為合理，但實驗工作的難度較大。盡管如此，多年來所積累的大量有關(guān)合金元素對淬透性影響的實驗數(shù)據(jù)(圖表等)，可以在中碳(0.25％～0.6％c)鋼中對合金元素的平均效用做出估算。1973年，美國人布朗恩(G．T．Brown)、詹姆斯(B．A．James)和柯卡爾迪(J．s．Kirkaldy)的工作進一步把合金元素在鋼中的交互作。用考慮進去，可較為精確地預(yù)測鋼的淬透性。以上這些工作對H鋼的生產(chǎn)起了重要的指導(dǎo)作用。
在低碳合金鋼的研究領(lǐng)域，1971年美國人竇恩等(D．v．Doane)得出了低碳(0.15％～0.25％c)鋼中錳、硅、鎳、鉻、鉬幾種合金元素的平均淬透性乘子以及鎳、鉬交互作用下鉬的淬透性乘子。其淬透判據(jù)仍為50％馬氏體。為滲碳鋼的研究提供了依據(jù)。在高碳鋼的研究領(lǐng)域，1955～1973年，美國人杰蔡克(C．F．Jatczak)先后研究了高碳(1.0％)條件下錳、硅、鉻、鎳、鉬、鋁、硼等元素的淬透性乘子，以及鎳、錳交互作用的綜合淬透性乘子。結(jié)果表明，錳在高碳鋼中增大淬透性比在低碳鋼中有效；而鉻的效果則較小。鉬在滲碳后直接淬火的鋼中要比在滲碳后重新加熱淬火的鋼中有效得多。鎳在高碳鋼中比在中碳鋼中有效，等等。這些結(jié)果為研究鋼的滲層淬透性打下基礎(chǔ)。但滲層淬透性的淬透判據(jù)改為99％馬氏體或90％馬氏體。
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