钢的热处理之正火加热时间与温度的详细解析

1  钢的热处理

1.1  正火加热时间

加热时长t等于KD值。

式中t为加热时间(s);

D使工件有效厚度（mm）；

K是加热时间系数（s/mm）。

K值的经验数据见表1。

表1 K值的经验数据

加热设备

加热温度

(碳素钢）K/(s/mm)

(合金钢)K/(s/mm)

箱式炉

800～950

50～60

60～70

盐浴炉

800～950

15～25

20～30

表1 K值的经验数据

1.2  正火加热温度

根据钢的相变临界点选择正火加热温度

低碳钢的熔点为Ac3加上100至150摄氏度的温度范围。

中碳钢的Ac3温度加上50至100摄氏度的范围。

高碳钢的熔点为ACm加上30至50摄氏度的温度范围。

亚共析钢的临界温度为Ac3加上30至80摄氏度区间。

共析钢和过共析钢的相变温度为T，等于ACm加上30至50摄氏度的温度范围。

1.3  淬火加热时间

为了估算方便起见，计算淬火加热时间多采用下列经验公式：

公式（7）中，t与a、K和D的乘积相关，且在未进行预热的情况下成立。

时间等于（a与b之和）乘以K值再乘以D值，且需经过一次预热过程。（公式8）

时间等于（a加b加c）乘以K乘以D，且在经过二次预热之后。（9）

式中t—加热时间（min）；

a— 到达淬火温度的加热系数（min/mm）；

b— 到达预热温度的加热系数（min/mm）；

c— 到达二次预热温度的加热系数（min/mm）；

K—装炉修正系数；

D︱--工件的有效厚度（mm）。

在常规加热过程中，若使用箱式炉对碳素钢和合金钢进行加热，通常的加热时间设定为每毫米厚度1至1.5分钟；而对于高速钢及合金钢，在初次预热阶段，每毫米厚度的时间设定为0.5至0.3分钟，而在二次预热阶段，时间为0.5至0.3分钟，同时，c的值为0.8至1.1。若在箱式炉内实施快速加热，当炉内温度比淬火加热温度高出100至150℃时，系数a大约为每毫米厚度1.5至2.0秒，而系数b则无需额外调整。若采用盐浴进行加热，其所需时间通常会比在箱式炉中加热的时间缩短大约五分之一（若经过预热）至三分之一（若未经过预热）。关于工件装炉时的修正系数K，其经验值可参照表2。

表2 工件装炉修正系数K

工件装炉方式

修正系数

t030111.1

1.0

t030111.3

2.0

t030111.5

1.3

t030111.7

1.0

1.4  淬火加热温度

按常规工艺,

亚共析钢的淬火加热温度为Ac3＋（30～50℃）；（10）

共析和过共析钢为Ac1＋（30～50℃）；    （11）

合金钢淬火时的加热温度通常选取Ac1（或Ac3）基础温度，并在此基础上增加50至100摄氏度。

1.5  回火加热时间

针对中温或高温回火处理的零件，其回火所需时间指的是实现热量均匀分布所需的时间，这一时间可以通过以下经验公式进行估算：

式中t—回火保温时间（min）；

D—工件有效尺寸；（mm）；

a—加热系数（min/mm）；

b—附加时间，一般为10～20分钟。

盐浴的加热速度介于每毫米0.5至0.8分钟之间；铅浴的加热速度在每毫米0.3至0.5分钟之间；RJJ系列井式回火电炉的加热速度为每毫米1.0至1.5分钟；而箱式电炉的加热速度则在每毫米2至2.5分钟。

1.6  回火加热温度

钢的回火定量关系式很早就有人研究，其经验公式为：

钢的回火温度的估算,

T=200+k(60-x)            （14）

式中: x —回火后硬度值,HRC；

k为待定系数，在45钢材料中，当x的值超过30时，k的值为11；若x的值不超过30，则k的值为12。

众多实验数据证实，在钢的回火过程中，若回火参数P保持恒定，则回火后的工艺效果，即硬度或力学性能，将保持一致。鉴于此，依据传统经验法来设定回火参数，仅在标准状态下（回火时长为1小时）才能适用，这在实际生产中的应用受到了一定的局限。

为了应对前述难题，对相关要素进行量化描述，相关文献中推导出了以下回火方程式：

(1)在200～40O℃范围：

(2)在400～600℃范围:

HV等于17.2乘以10的3次方除以温度T，减去（1gt减去1.28）乘以29.4，再减去（温度T减去400）乘以（1gt减去1.28）再乘以0.023。

式中T--回火温度 ℃

t--回火时间，min

通过对比分析，我们可以发现，T和t这两个参数能够较为理想、较为真实地反映实际工艺参数对回火效果的影响，并且能够定量地描述不同温度区间内回火硬度的变化特点。

2  钢的热处理相变点及再结晶温度的计算

2.1  AC1和AC3温度的经验公式

AC1与AC3分别代表加热过程中组织从原始结构过渡至奥氏体的起始温度和完全转变为奥氏体的终了温度，这两个温度点对于确定钢材的热处理程序以及开发新型材料和工艺具有至关重要的意义。鉴于此，准确预测AC1和AC3的温度具有重要的理论和实际应用价值。Andrews收集了来自英国、德国、法国和美国等国的相关资料，通过大量试验数据的回归分析，成功推导出了基于钢材化学成分计算AC1和AC3温度的经验公式。

AC3的温度值为910摄氏度减去203乘以C1的平方根，再减去15.2乘以Ni，加上44.7乘以Si，再加上104乘以V，最后再加上31.5乘以Mo和13.1乘以W。

AC1的温度值为723摄氏度，减去10.7倍的Mn含量，再减去13.9倍的Ni含量，加上29倍的Si含量，16.9倍的Cr含量，290倍的As含量，以及6.38倍的W含量。

该公式中的符号表示相应的成分含量（具体为质量百分比，记作wt%，以下同），其所适用的钢材成分区间为：

化学成分中碳含量不高于0.6%，锰含量不高于4.9%，铬含量不高于5%，镍含量不高于5%，钼含量不高于5.4%。公式1至公式2阐述了钢的Ac1和Ac3与其化学成分间的联系，这些公式的特点是表述简洁明了，易于理解和运用。

在钢奥氏体化处理完毕并进入冷却阶段，此时，奥氏体将逐渐转变成马氏体，这一转变的起始温度被称为Ms温度，单位为摄氏度。

Ms值等于550减去350，再减去40Mn、35V、20Cr、17Ni、Cu、10Mo、5W，然后加上15Co、30Al和30Al以及10Mo和5W，最后再加上30Al。

Ms=561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo，该合金成分由以下元素组成：碳含量为474C，锰含量为33Mn，铬含量为17Cr，镍含量为17Ni，钼含量为21Mo。

式(19),(20)适用于中低碳钢。

Ms值等于539减去423乘以C，再减去30.4乘以Mn，再减去17.7乘以Ni，再减去12.1乘以Cr，最后减去7.5乘以Mo。

公式(21)在以下范围内有效：碳含量介于0.11%至0.60%之间，锰含量介于0.04%至4.8%之间，硅含量介于0.11%至1.89%之间。

镍含量介于0%至5.04%之间，铬含量在0%至4.61%的范围内，钼含量则为0%至5.4%。

请注意，上述计算Ms点的公式主要适用于亚共析钢；然而，对于过共析钢而言，淬火加热温度对奥氏体成分的影响显著，因此，依据钢的成分来推算Ms点便显得毫无意义。

Ms等于41.7乘以（14.6减去Cr）加上0.6乘以（6.9减去Ni）再加上33乘以（1.33减去Mn）再加上28乘以（0.47减去S）再加上1677乘以（0.068减去C减去Ni）再减去17.8乘以（22）。

式(22)适用于SUS类不锈钢(日本)。

2.3  奥氏体转变为马氏体(M)的终了温度Mf(℃)

Mf点根据不同的马氏体转变量的计算公式:

公式（23）中，Mf等于100%的M值，即Mf = Ms - (215±15)。

公式Mf等于90%的M值，即Mf=(90%M)，它等于Ms减去(103±12)，具体见公式(24)。

Mf 等于 50% 的 M，即 Mf = Ms 减去 (47±9)，如公式（25）所示。

Mf 等于 10% 的 M，即 Mf = 10%M；同时，Mf 等于 Ms 减去一个介于 10 加减 3 之间的数值，即 Mf = Ms - (10±3)。——（26）

2.4  贝氏体组织开始转变的温Bs(℃)

Bs等于830减去270乘以C，再减去90乘以Mn，接着减去37乘以Ni，然后减去70乘以Cr，最后减去83乘以Mo。

2.5  钢的再结晶温度TR(K)

TR等于0.4特斯拉磁能。

式中: Tm—钢的熔点温度,K。

3  钢在空气炉中加热时间(考虑节能)的计算

3.1  按工件形状确定加热时间t(min)

t 等于 kiw，即（29）。

在公式中，形状系数ki的取值范围为：对于圆柱形，k圆柱介于1/6至1/9之间；而对于板状结构，k板则在1/3至1/6的区间内变动。

k薄壁管=(δ/D1/ 4) = 1/2～1/4 ;

w—形状特征尺寸,直径、板厚或壁厚,mm。

3.2  按实际装炉量确定加热时间t(min)

时间t等于0.6到0.8之间各Gw值的总和，即（30）。

式中:∑Gw—装炉工件总重量,kg。

式(30)适用于45kW箱式电炉加热。

4  钢的临界冷却速度的计算

4.1在钢件于油中进行淬火处理的过程中，其核心区域将达到形成马氏体所需的临界冷却速率νM，该速率以摄氏度每小时（℃/h）为单位表示。

公式(31)中，logνM的值由以下部分组成：9.81减去4.62倍的C，再加上1.10倍的Mn，0.54倍的Ni，0.50倍的Cr，0.60倍的Mo，以及0.00183倍的PA。

在公式中，PA代表奥氏体化参数，该参数由加热时间与加热温度的乘积决定，其中加热时间设定为1小时。

4.2在进行油淬处理的过程中，钢件的核心区域会达到形成贝氏体的关键冷却速率νB，其单位为摄氏度每小时。

logB等于10.17减去3.80乘以C，再加上1.07乘以Mn，0.70乘以Ni，0.57乘以Cr，1.58乘以Mo，以及0.0032乘以PA。

4.3钢铁在油中进行淬火处理时，其核心区域能够形成珠光体与铁素体的混合结构，这一过程所需的冷却速度达到一个特定的临界值。

νPF(℃/h)

该公式表示：当C的值为6.36时，减去0.43倍的C，加上0.49倍的Mn，再增加0.78倍的Ni，接着加上0.26倍的Cr，以及0.38倍的Mo，最后再加上0.0019倍的PA，即可得到logνPF的值。

在油淬过程中，钢件的心部能够达到形成50%马氏体和50%贝氏体的关键冷却速度。

ν50MB(℃/h)

logν等于8.50减去4.13乘以C，再加上0.86乘以Mn，0.57乘以Ni，0.41乘以Cr，0.94乘以Mo，以及0.0012乘以PA。

式(31)至式(34)的使用范围限定在：碳含量不超过0.50%，锰含量不超过1.75%，镍含量不超过3.0%，铬含量不超过2.25%。

Mo≤1.0% ,Mn+Ni+Cr+Mo≤5.0%。

5  钢的淬火冷却时间的计算

5.1  钢预冷淬火时空气预冷时间ty(s)

温度设定为12摄氏度，误差范围在3至4度之间。

式中:D—淬火工件危险截面厚度,mm。

5.2  钢Ms 点上分级冷却时间tf(s)

该公式中，tf的值等于30加上5倍的D。

6  钢的淬火硬度的计算

在钢终端进行淬火试验过程中，距离试样顶端的4至40毫米区间内，各个点的硬度值介于H4至H40（HRC硬度等级）。

H4至40等于88摄氏度，减去0.0135E2摄氏度的一半，加上19%的铬，6.3%的镍，16%的锰，35%的钼，以及5%的硅的一半，再减去0.82G，减去20E的一半，最后加上2.11E的负二次方。

式中: E—到顶端距离,mm;

G—奥氏体晶粒度。

6.2钢铁经过淬火处理所能达到的最大硬度，即当淬火后的钢材中马氏体含量达到90%时测得的硬度值，通常以HRC表示。

Hh等于30摄氏度加上50摄氏度，即Hh=30+50℃。

6.3钢铁在临界淬火过程中所达到的硬度，具体表现为在形成50%马氏体组织时测得的硬度值，通常以HRC表示。

Hl等于24加上40摄氏度。

6.4  钢淬火组织为马氏体时的硬度HVM

HVM的值等于127，再加上949倍的C，27倍的Si，11倍的Mn，8倍的Ni，16倍的Cr，以及21倍的logνM。

6.5  钢淬火组织为贝氏体时的硬度HVB

HVB的计算公式为：-323加上185倍的C，再加上330倍的Si，接着是153倍的Mn，65倍的Ni，144倍的Cr，191倍的Mo，以及logνB(89+54C-55Si-22Mn-10Ni-20Cr-33Mo)的值，具体公式如(41)所示。

6.6  钢淬火组织为珠光体- 铁素体的硬度HVPF

HVPF的计算公式为：42加上223倍的C，53倍的Si，30倍的Mn，13倍的Ni，7倍的Cr，19倍的Mo，再加上logνPF(10-19Si+4Ni+8Cr+130V)。

式(40)～(42)适用条件同式(31)～(33)。

7  钢回火后硬度的计算

7.1  钢淬火组织为马氏体时的回火硬度HVM

HVM由以下元素组成：-74%的钼，434%的铬，368%的硅，15%的锰，37%的镍，17%的铬，-335%的钼，2235%的钒，以及(103/PB)合金，其中包含260%的碳，616%的硅，-21%的锰，-35%的镍，11%的铬，352%的钼和2345%的钒。括号内的数字代表各自成分的百分比。

在公式中，PB代表回火参数，该参数由回火温度与回火时间共同决定，具体为回火温度乘以回火时间，其中本例中的加热时长为1小时。

7.2  钢淬火组织为贝氏体时的回火硬度HVB

HVB的计算公式为262加上162乘以C，减去349乘以Si，减去64乘以Mn，减去6乘以Ni，减去186乘以Cr，减去485乘以Mo，再加上857，以及(103除以PB)乘以(-149加上43乘以C加上336乘以Si加上79乘以Mn加上16乘以Ni加上196乘以Cr加上498乘以Mo加上1094乘以V)。

公式（42）和（43）的使用范围限定在：碳含量不超过0.83%，锰含量不超过2.0%，硅含量不超过1.0%，铬含量不超过2.0%。

钼含量不得超过1.0%，镍含量不得超过3.0%，钒含量不得超过0.5%，而锰、镍、铬和钼的总含量不得超过5.0%。

7.3  钢回火后硬度回归方程

HRC的值为75.5，减去0.094乘以T，再加上0.66乘以CM。

式中: T—回火温度, ℃;

CM —钢的含碳量或碳当量,%;

化学成分CM的计算公式为：C元素含量加上Mn元素含量的六分之一，再加上（Cr、Mo、V三种元素含量之和的五分之一），最后再加上（Ni、Cu两种元素含量之和的十五分之一）。

7.4  45钢回火后硬度回归方程

HV等于640减去(T减去200)乘以1.05，再减去(logt减去1.28)乘以36.6，最后加上(T减去200)乘以(logt减去1.28)乘以0.0036。

20≤T≤400

HV等于17.2乘以10的四次方除以温度T，再减去(logt减去1.28)的29.4次方，最后减去(T减去400)乘以(logt减去1.28)的0.014次方。

400≤T≤600

式中: t—回火时间,min。

8  钢的回火温度的估算(适用于碳素钢)

温度等于200加上k乘以(60减去x)   (49)

式中: x—回火后硬度值,HRC;

k为待定系数，在45钢材料中，当x值超过30时，k的值为11；若x值不大于30，则k的值为12。

9  钢的力学性能的换算

9.1 切削性能

M等于0.087乘以HB的0.8次方，再乘以D的1.8次方。

T等于0.195乘以HB的0.8次方，再加上0.8乘以D的1.8次方，最后再加上0.0022乘以HB的2次方。

扭矩以M表示，轴向推力以T标识，进给量记作t，钻头直径用D来表示，布氏硬度则用HB来衡量。

9.2  抗拉强度b(9.8×MPa)与布氏硬度HB

(1.1)普通碳钢及合金钢

σb约等于1/3HB，HB大约等于3.2HRC，而HRC则等于2.1HS。

(1.2)铸铁

σb的范围在0.030至0.40之间，单位为HB，具体数值如(53)所示。

(1.3)灰口铸铁

9.3  屈服极限σs（MPa）与抗拉强度σb（MPa）

(1.1) 退火状态结构钢

σs的取值范围介于0.55到0.65之间，相当于σb的55%。

(1.2) 调质状态结构钢

σs介于0.75与0.85之间，等于σb。

9.4 对称弯曲疲劳的极限应力值σ-1（单位：兆帕）以及材料的抗拉强度σb（单位：兆帕）

(1.1)碳钢（奥金格公式）

σ-1=(0.49±0.13)σb，σb

(1.2)合金钢（茹科夫公式）

σ-1等于0.35倍的σb加上12.2，前提是σb的值必须大于1200MPa。

(1.3)铸铁（莫尔公式）

σ的值减去1等于0.35倍的σb加上2.0。

9.5 对称拉伸压缩疲劳强度σ-1p（单位：兆帕）以及对称弯曲疲劳强度σ-1（单位：兆帕）

(1.1)普通钢

σ-1p=0.85σ-1        (60)

(1.2)铸铁

σ-1的值等于0.65，减去σ-1的结果。

9.6  剪切强度Γb（MPa）与抗拉强度σb（MPa）

(1.1)退火钢及碳钢

Γb=（0.50～0.60）σb，σb

(1.2)中高强度钢

γb介于0.60至0.65之间，σb的范围在800至1200MPa之间。

(1.3)生铁

Γb的取值范围在0.80到0.10之间，与σb相关，具体如公式（64）所示。

9.7 对称扭转疲劳的极限值Γ-1（单位：兆帕）以及对称弯曲疲劳的极限值σ-1，

(1.1)普通钢

在公式(65)中，我们得到Γ-1等于0.55乘以σ的倒数。

(1.2)铸铁

当Γ-1的值为0.80时，σ-1的条件得以满足。

9.8 解除疲劳的临界值σRH（单位：兆帕）以及布氏硬度（HB值，以107次应力循环为基准）

σRH等于280(HB减去25)，而HB的数值需大于400。

(1.2) σRH=290(HB-30),HB

9.9  钢的硬度换算

HRC与HS-15相近，二者相当。

(1.2)HV≈HB,HB

HS与HB的比值大约为HB的十分之一加上12。

HB值与HC值相近，大约为10，而HB的具体范围在200至600之间。

10  由钢的化学成分估算力学性能

10.1  求屈服比（屈服极限σs/抗拉强度σb）

(1)油夜淬火调质σs/σb(﹪)

σs/σb的比值等于55，加上3份硅、4份锰、8份铬、10份钼、3份镍以及20份钒。

式中，金属元素重量百分数（﹪）适用范围：

当Si的含量不超过1.8%，Mn的含量不超过1.1%，Cr的含量不超过1.8%，Mo的含量不超过0.5%，Ni的含量不超过5%，V的含量不超过0.25%时，该材料适用于直径在150至200毫米的范围。

(2)空气淬火调质钢σs/σb(﹪)

σs/σb的比值等于48，再加上3份硅、4份锰、8份铬、10份钼、3份镍以及20份钒。

10.2  求抗拉强度σb（9.8×MPa ）

(1)调质钢

σb等于100乘以C减去100乘以C减去0.40除以3，再加上100乘以Si除以10，100乘以Mo除以4，30乘以Mn，6乘以Ni，2乘以W，以及60乘以V。

该材料适用于C含量不超过0.9%，Si含量不超过1.8%，Mn含量不超过1.1%，Cr含量不超过1.8%，Ni含量不超过5%，V含量不超过2%的情况。

(2)普通正火及退火钢

σb等于20，再加上100厘米。

(3)热轧钢

σb等于27厘米加上56厘米，总计为77厘米。

(4)锻钢

σb等于27加上50厘米，即σb=27, 50厘米。

(5)铸铁

σb等于27厘米加上48厘米，即σb=27,48厘米。

式中，CM---钢的碳当量。

CM=C+0.15Si+

0.125+0.25(C+0.20)Mn

1.25-0.5(C-0.20)

P含量为0.20%，Cr含量为0.10%，Ni含量为0.10%，括号内数字为80。

(6)压延状态及正火高张力钢

σb等于3.5，其值浮动范围在61厘米加24.3的数值附近，具体数值为81。

碳当量等于碳含量加五分之一锰含量、七分之一硅含量、七分之一铜含量、一半钼含量、九分之一铬含量、一半钒含量以及二十分之一镍含量。

11  由钢的显微组织估算力学性能

11.1  空冷a-Fe的力学性能

(1)抗拉强度

σb等于300兆帕斯卡，即(83)。

(2)延伸率

δ值达到40%，即百分之四十。

(3)布氏硬度

HB值达到90（相当于85）。

11.2  亚共析钢（退火状态）的力学性能

(1)抗拉强度(MPa)

σb=300(a-Fe﹪)+1000(P﹪)

等式等于300减去C除以0.83的结果，再加上1000除以C除以0.83的结果，即(86)。

在公式中，a-Fe百分比与P百分比分别指的是亚共析钢中a-Fe相和P相的体积含量。

(2)延伸率(﹪)

δ 等于 40 减去 (C 除以 0.83) 的结果再乘以 (1 减去 C 除以 0.83)，再加上 (C 除以 0.83) 的结果乘以 15，即 δ = 40 - (C/0.83) + 15(C/0.83)，具体公式如 (87) 所示。

(3)布氏硬度

HB等于90减去C除以0.83的结果，再加上280乘以C除以0.83的结果。

11.3  空冷珠光体(0.83﹪C)的力学性能

(1)抗拉强度

σb等于1000兆帕斯卡。

(2)延伸率

δ的值设定为15%，即百分之十五。

(3)布氏硬度

HB等于280，即（91）。