乔米尼末端淬火数据集的可变性及其实验再现性的研究

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10. Jomini 末端淬火数据集的可变性

在受控条件下，如果不需要理想值，则端部淬火试验的可重复性是可以接受的。但是，即使在可控条件下证明实验可重复性，在端部淬火拐点附近具有固定深度硬度的 H 型钢在受控条件下通常具有 ±6 HRC 的分散度。但是，重要的是要认识到，即使是可接受的实验数据（例如端部淬火曲线）也具有固有的局限性。这如图 41 所示。

▲图41 几家实验室粗略对比吹气量与颗粒大小

8620 和 4140 的末端淬火试验记录相同

a)8620 b)4140

对于来自一个大型国际集团的几组最终淬火曲线，8620 表面硬化钢和深度硬化的 4140 汽车钢的名义化学成分和晶粒尺寸几乎相同。造成这些差异的原因可以归结为化学成分报告不准确、实验程序粗心以及未报告工艺变量或控制工艺变量。同样，连续冷却转变曲线也隐含着类似的经验错误。原因是转变材料和冷却历史没有完全确定，或者含糊不清，当冷却曲线叠加时间尺度的不确定性高达四个数量级时，这些缺陷自然会表现出来。

以上解释主要针对低、中硬化层的钢种。对于硬化层较深的钢种，如4340（见图42）。

▲图42 高淬硬性钢4140典型端部淬火曲线

淬火深度的概念变得非常模糊。虽然从临界直径 (D0) 测试数据确定的 DI 仍然是一个有效的概念，但出于成本原因，不考虑对深淬硬层钢采用这种测试方法。在这种情况下，规范和解释的问题不是曲线的形状，而是硬度对淬火试验中实际使用的奥氏体化温度和时间的极端敏感性。对于低合金钢，情况也是如此，但程度较小。这个问题总是发生在具有高碳含量的可硬化过共析成分的钢中，因此此类钢含有大量非常不稳定的轧制未溶解碳化物。因此，质量控制人员和热处理人员对这种等级的淬硬性规范和淬火试验曲线的处理至关重要。从积极的一面来看，热处理人员应该意识到奥氏体化温度的微小变化所提供的灵活性。

11.钢的淬透性计算

钢的淬硬性主要受化学成分（碳、合金元素和冶金残留物）和淬火时奥氏体晶粒尺寸的影响。如果可以定量地确定它们之间的关系，则可以根据化学成分和晶粒尺寸计算出钢的淬硬性。格罗斯曼于 1942 年发表了这种方法，基于他的观察，即淬硬性可以表示为一系列与化学成分有关的淬硬性系数的乘积。这种计算的结果是格罗斯曼理想直径 (DI) 的估计值，该直径衡量钢的固有淬硬性。这些方程最常用的形式是基于淬硬性系数。

一些格罗斯曼系数多年来一直列在《金属进展》六月刊上，现在已收录在 ASTM A255-89 和 SAE J406 的附录中。其他方法则基于回归方程和基于热力学和动力学第一原理的计算。迄今为止，没有一种预测方法被证明可以普遍适用于所有类型的钢；也就是说，对于相应的合金系统、碳含量和淬硬性水平，使用不同的预测方法。此外，通常需要根据钢铁生产商的特点（冶金残余物、熔融金属工艺等）对预测进行微调。

Grossman法中，利用钢的化学成分和晶粒尺寸（试件心部为50%马氏体，H=∞）计算理想临界直径，其计算公式为：

DI=DIbasefMnfSifCrfMofVfCu （1）

其中，fx（x代表合金元素）为部分合金元素的渗透系数，表7列出了部分合金元素的DI和淬硬性系数，这些合金元素的淬硬性系数是在淬硬性中等的中碳钢中测得的。根据化学成分计算钢的淬硬性通常包括以下步骤：

1) 确定ASTM标准晶粒尺寸。

2）获取化学成分。

3）根据碳含量和晶粒大小确定DIbase（表7）。

4)确定合金元素的淬硬系数(表7)。

5)按公式（1）计算理想临界直径。

在公式 (1) 中，基本 DI (DIbase)（基本淬硬性）是碳含量和晶粒尺寸的函数，而淬硬性系数 (f) 则相互独立（并非总是纯的）。Kramer 等人随后确定了碳的淬硬性系数，该系数比 Grossman 的数据大三倍，而锰的淬硬性系数则降低了大约相同的量。

部分。

造成这种差异的原因是，为了重现性地测量基本淬硬性，Grossman 必须使用含有一定量锰的碳钢作为端淬测试棒的材料。因此，在他的分析中，他必须将化学成分中的碳和锰的影响分开，这是不准确的。由于 Kramer 和他的团队使用纯铁碳合金作为基本化学成分，他们能够通过淬火一系列小圆棒非常准确地测量低淬硬性。

▼表7 钢的淬硬系数与碳含量及合金元素的关系

有趣的是，Grossman 方法计算出的 50% 马氏体的理想临界直径与 Cramer 等人针对大多数实际化学成分确定的这些系数非常吻合。对于碳和合金元素可以完全溶解的低碳钢和中碳钢，可以轻松计算出淬硬性并推荐 Cramer 系数，如图 43 和 44 所示。

▲图43 碳和粒度分数与图44一起使用

计算铝镇静低碳钢和中碳钢的克莱默系数

▲图44 适用于图43的合金元素的淬硬系数

对于 DI 大于 114 毫米 (4.5 英寸) 的钢材，克莱姆系数和其他系数并不准确，原因有以下三个：

1）高淬硬性钢主要为贝氏体组织，当贝氏体为第一种转变产物时，某些元素（如钼）对淬硬性的影响有很大不同。

2）当一些可溶性碳化物形成元素（如镍和铝）一起使用时，它们对彼此的淬硬性将产生相互加强的作用；也就是说，各合金元素在化学成分中的作用都比其单独存在时更大。

3）高淬硬性钢中通常含有大量强碳化物形成元素，这些元素往往不能完全分解。

有几种淬硬性计算方法都是基于淬硬性系数原理，早期的例子是 1970 年代的美国钢铁淬硬性计算器。Climax Molybdenum 的计算器对低碳钢和中碳钢的淬硬性做出了更准确的预测。使用一种根据合金的化学成分和晶粒尺寸确定理想临界直径的方法，已经比较了大量钢的淬硬性。

如果使用得当，淬硬性计算也可以成为一种有价值的工具，用于设计更具成本效益的替代钢材等级、确定轧制前的轧机加热计划，甚至可能取代昂贵且耗时的淬硬性测量。

11.1 高碳钢

高碳（过共析）钢按常规加热参数淬火时，往往含有大量未分解的碳化物。如果不仔细控制这种情况，就不可能获得合金元素对淬硬性的单一影响，因为合金元素和溶解的碳的量会有所不同。因此，给定量的合金元素对淬硬性的影响将受到先前的组织、先前碳化物的尺寸、形状和分布以及奥氏体化时间和温度的影响。当存在过量碳化物时，晶粒尺寸会对淬硬性产生影响，但影响并不显著，因为 ASTM 6-8 晶粒尺寸变化不大。

在高碳钢中，正火钢的原始组织范围从100%马氏体到100%片状碳化物，这两种组织在重新加热时都很容易转变为奥氏体。但退火材料的组织通常含有大量球状碳化物，这些碳化物在钢重新加热淬火时很难溶解。如果严格控制原始组织、晶粒尺寸、奥氏体化温度和时间，那么给定量的合金元素对淬硬性的特定影响将得到充分再现，从而可以获得高碳水平下许多元素的淬硬性系数。

11.2 终点淬火曲线的计算

已经对将硬度数据集与选定的端部硬化深度相关联的线性回归公式进行了广泛的研究。这对于单一钢种非常有用，可提供密集覆盖化学成分极限和硬度带的数据集。但是，这些公式不能在该单一钢种之外使用，因此基于此程序的综合信息或专家系统本质上是不灵活和夸张的。但是，有限数量的铜等级的生产商或用户可能会发现此程序适合作为等级-Grossmann系数的替代方案。

如果要求比较粗略，那么贾斯特（Just）给出了端淬圆棒上HRC分布的完整体系。他建立了通用的端淬曲线形状，以1/16英寸的端淬距离“E”为单位表示，并使用除碳外所有成分的质量分数作为线性回归系数。“卡特彼勒淬硬性计算器（IE0024）”就是其应用的一个例子。

12.根据淬硬性选择钢材类型

为了选择合适的钢材，应首先检查不同钢种所能达到的最大硬度，即表1中95%或99.9%马氏体含量一栏中表面硬度所对应的碳的质量分数。一般回火后可接受的表面硬度降低量为5HRC和40HBW（采用布氏硬度时，对应的压痕直径增量为0.05mm（0.002in））

可达到的最大表面硬度（硬化后）取决于钢的碳含量和淬硬性。可在油中硬化至最大表面硬度的最大横截面尺寸如表 8 所示。

▼表8 可在油中硬化至最大表面硬度的最大横截面尺寸

利用图18所示的端部淬火当量图和钢的淬硬性带（如图45所示的4140H钢的淬硬性带），可以确定预期的心部硬度范围。端部淬火当量图显示，φ50mm（φ2in）圆棒经高速油淬后，将产生与端部淬火试棒J4（4/16in）相当的表面冷却速度；心部等效冷却速度是相对于端部淬火距离J8.5而言的。对于4140H钢，淬硬性曲线（图45）对应的表面硬度范围为51~59HRC，心部硬度为46~57HRC。

▲图451040H钢淬硬区

注：正火温度870℃，淬​​火温度845℃

某一炉钢的实际硬度严格取决于该炉钢规定的淬硬性。为了减少淬硬特性的变化，从而缩小热处理后表面和芯部之间的硬度值范围，应使用 H 型钢或采用淬硬性规格有限的 H 型钢，以缩小所选钢的淬硬性。

大多数可淬火的 1xxx 系列碳钢含有 0.60% 至 0.90% 的质量锰。锰对淬硬性有显著影响。即使锰的质量差异仅为 0.25%，也会导致碳的质量差异达到 0.60% 至 0.90%。

0.50%碳钢的淬硬性差别很大（图46）。

▲图46 碳、锰对1050钢端部淬火后淬硬性的影响

考虑到碳钢中可用的锰含量范围，可以得出淬硬性可能存在很大范围（图 47）。例如，1541H 钢经常表现出大于 1340H 钢淬硬性带最小值的最终淬硬性值（图 48）。因此，从碳钢等级到合金钢等级，淬硬性存在逐渐过渡。由于许多碳钢是由回收废料生产的，因此标准等级中的残留元素可能会有所不同。

▲图47 临界直径（D0，

心部为50%马氏体）随Mn含量变化（变化

带宽取决于残余元素和奥氏体晶粒尺寸）

▲图48 1340H钢与1541H钢淬硬性带对比

在许多情况下，需要最小而不是最大的淬硬性，例如低锰钢等级的情况。例如，通常希望在轴颈或凸轮轮廓上产生一层薄薄的最大硬度层，这可以通过感应淬火或火焰淬火来实现。但是，如果淬硬区太深，就会形成不利的残余应力模式，这可能导致淬火开裂或早期使用故障。另一个例子是，一些由标准 1050 钢（质量锰含量为 0.60% 至 0.90%）制成的凸轮进行感应淬火，淬火深度约为 60HRC。

1.6mm(1/16in)。 如果淬硬区深度变为3.2mm(1/8in)，将出现相当数量的开裂部位。 使用改良的1050钢(锰质量分数为0.30%-0.60%Mn)可以消除裂纹，并且感应淬火后淬硬区会变薄。

12.1 合金钢

由于被加工的横截面通常很大，而合金元素通常会将马氏体的形成温度范围移至更低水平，因此合金钢零件在淬火过程中往往会比横截面较小的普通碳钢零件承受更大的热应力和转变应力。一般而言，更大的应力会导致变形和开裂的风险。然而，合金元素可以通过两种方式抵消这一缺点。首先，对于特定用途，允许使用较低的碳含量。随着碳含量的降低，淬硬性会降低，但这可以通过添加的合金元素对淬硬性的影响轻松抵消。此外，碳含量较低的钢具有较低的淬火开裂敏感性。这种较低的敏感性基于低碳马氏体的塑性较大，以及马氏体通常会在低碳钢中的较高温度范围形成的事实。 碳质量分数等于或小于0.25%的钢很少产生淬火开裂（PS，此类钢可进行强化淬火，能获得与中碳钢和中碳合金钢相当的性能），随碳含量的增加，开裂敏感性逐渐增大。

合金元素在淬火过程中的另一个作用是，它们允许给定横截面的冷却速度较低，因为合金元素提高了淬硬性，因此温度梯度通常会降低，冷却应力也会相应降低。但应注意，这并不完全有利，因为淬火后存在的应力的方向和大小对开裂有重要影响。为了防止裂纹扩展，淬火后的表面应力应为压应力，或相对较低的拉应力。通常，对于这些钢的淬硬性，应采用温和的淬火以减少变形，这样可以在很大程度上避免开裂。

此外，这些合金的淬硬性得到改善，因此可以进行奥氏体回火和分步淬火热处理，这样回火前的有害残余应力水平应保持在最低水平。在奥氏体回火中，工件被快速冷却到较低的贝氏体温度，并保持在此温度下，直到部分贝氏体转变完成。由于转变发生在相对较高的温度下，并且进展非常缓慢，因此转变后的应力水平相当低，变形最小。

在分步淬火中，工件被快速冷却至 Ms 温度以上并保持直至整个工件的温度均匀，然后在马氏体转变区缓慢冷却（通常在空气中）。该过程导致整个横截面几乎同时形成马氏体，因此转变应力保持在可最大限度减少变形和开裂风险的水平。

12.1 示例

使用淬硬性图表确定 4140H 钢是否能满足 φ44.45mm (φ1.75in) 轴的硬度要求。（某机器需要一根 φ44.45mm (φ1.75in) 轴，长度为 1.1m (31/2ft)。工程分析表明，扭转强度接近 170MPa (25ksi)，弯曲强度为 550MPa (80ksi)。同一工厂生产的其他几个零件也是由 4140H 钢制成的。现在我想知道 4140H 钢是否具有足够的淬硬性来制造这根轴。

由于扭转时的剪切应力约为弯曲时的一半，因此首先考虑弯曲情况。在弯曲过程中，芯部的应力接近于零，因此钢的芯部不需要完全硬化。这是有帮助的，因为淬火应力的分布将降低淬火裂纹的风险，而回火后，轴的外部可以存在压应力。

为了承受弯曲时 550MPa (80ksi) 的疲劳载荷，所需的最小硬度为 35HRC。对于此示例，假设淬火状态组织至少含有 80% 的马氏体，则应通过对淬火状态进行回火来达到 35HRC。根据类似零件的经验，可知在轴的 3/4 半径处应出现 80% 的马氏体。

由于4140H钢中碳的最小质量分数为0.37%，因此在图49中的80%马氏体组织上首先找到0.37%C对应的淬火状态的硬度。如图49上图所示（与图1d同），该淬火状态的硬度为45HRC。

▲图49 在钢材横截面上使用淬硬性数据的示例

重新表述上一个问题（4140H 钢适合这个部件吗？）：

在φ44.45mm（φ1.75in）轴的3/4半径处，淬火后的4140H钢能否提供45HRC的最低要求硬度？要回答这个问题，请转到图49中间的图表，在φ44.45mm（φ1.75in）处画一条水平线，与3/4半径对应的曲线相交于一点。此交点位于试件端部6.5/16in的淬火距离处。最后，画一条垂直线到下面的图表，与4140H钢的最小淬透性曲线相交于一点。此交点处的硬度为49HRC。由于49HRC＞45HRC，因此4140H钢具有足够的淬透性来制造此零件。

13.淬硬性极限与H钢

淬硬性带是线端淬硬曲线（根据大量历史数据绘制），用于描述多种等级的碳钢和合金钢的淬硬性范围。淬硬性带也可用于 H 型钢的规范，H 型钢是具有指定淬硬性带的钢。这些钢在化学成分符号后或统一编号系统 (UNS) 名称前用字母 H 表示。

H型钢在规定的化学成分范围内，由供应商保证满足淬硬性要求。图50比较了四种钢的淬硬性带。H型钢的淬硬性带相对较紧。化学成分相近的钢的淬硬性带相对较宽。H型钢端部淬硬性带列于表9。

▲50H钢与类似化学成分钢的淬硬性带对比

▼表9 H钢端部淬硬带数据

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当指定 H 钢时，钢制造商应在交货单或其他方式上提供淬硬性特性，包括钢的炉号。该炉的淬硬性通过端淬试件上指定参考点或指定端淬距离处的硬度来表示。低于 20 HRC 的读数不记录。热淬硬性是在铸造或锻造端淬圆棒上确定的。

图 51 显示了六个 H 钢系列的最小淬硬性曲线之间的差异。在每个 H 钢系列中，合金含量基本保持不变，可以观察到碳的质量分数对淬硬性的影响在 0.15% 至 0.60% 的范围内。在端部淬火试样上任何曲线的垂直位置之间，即对于任何冷却速度，都可以看到碳对硬度的影响。这种影响差异很大，取决于合金元素的类型和数量。例如，在图 51 d 至 f 中，三个钢系列中的碳质量分数从 0.35% 增加到

0.50%，导致四个不同的端部淬火位置处的硬度增加（使用洛氏 C 硬度标度），见表 10。

▼表10 增加碳含量对硬度的影响

▲图51 六个H钢系列的碳含量

最小端部淬硬区的影响

（每行的数字代表钢的碳含量）

在图51横坐标线上可以看到碳含量对淬硬性的影响。如果用曲线拐点来估计50%马氏体转变的位置，碳含量对8650、8630钢淬硬性的影响可以表示为+4/16in，也就是拐点由5/16in转移到9/16in。同样，公称碳质量分数为0.35%~0.50%时，碳淬硬性的影响在51xx系列钢（2/16in）中较小，在41xx系列钢（6/16in）中较大。

就淬火速度而言，考虑到淬火和淬透性的综合作用，达到45HRC所需的冷却速度（或淬火速度）受C与质量分数为0.15%的合金元素组合影响，而非其他组合。例如，在w（Cr）=0.75%、w（Mo）=0.15%的钢中（以41xxH系列钢为例），w（C）每增加0.15%，淬火速度要求就会降低，或者获得45HRC的临界冷却速度可以从25℃/s降低到4.6℃/s（45°F/s降低到8.3°F/s）。 类似地，在w（Cr）= 0.75％且不含钼的钢​​（51xxH系列钢）中增加相同质量分数的碳，冷却速度可以从47℃/s降低到21℃/s（85°F/s降低到37°F/s）。

碳和合金元素含量对冷却速度影响的实际意义值得考虑。一根φ50mm（φ2in）的4150H钢圆棒采用无搅拌油淬，在1/2半径处可获得45 HRC的硬度。在相同直径的4135钢圆棒中，要获得相同的1/2半径处硬度，需要进行强搅拌的水淬。比较φ32mm（φ11/4in）的5135钢和5150钢，在135钢圆棒中，需要进行搅拌水淬才能获得1/2半径处45 HRC的硬度；在5150钢圆棒中，采用油淬、中温淬火可获得同样的要求

因此，在要求的淬火强度和截面尺寸下，增加或减少碳含量或添加一定的合金元素，如添加0.15%质量分数的Mo，就能达到预期的效果。

图 52 显示了如何根据理想临界直径评估钢材：假设横截面的核心在理想淬火条件下硬化为 50% 马氏体，评估碳和合金元素含量对此过程的影响。理想淬火意味着热量从钢表面释放的速度与从内部传递到表面的速度相同。一般来说，硬度和碳含量之间的关系在实际应用中很重要，但对于这种评估方法来说，它很模糊，因为假设钢具有恒定的微观结构。

随着碳含量的降低，硬度不断降低。

▲图52 各等级碳含量最低

临界直径对化学成分计算的影响

14.H型钢按端部淬火试验位置分类

从表 11 可以看出，在 H 钢端部淬火试样的硬度带下限，规定了六个不同的硬度等级作为淬火状态的硬度：55HRC、50HRC、45HRC、40HRC、35HRC 和 30HRC。后两个硬度等级主要用于渗碳部件的芯部硬度。该表包含了已建立硬度带的大多数钢种，并已绘制在图 33 和 34 中。这减少了过去选择钢种时需要查阅的图表数量。以下示例描述了图 33 和表 11 的使用。

▼表11 H钢按不同端部淬火距离最小硬度分类

（保存图片并放大查看）

示例：选择在 Φ38mm (Φ11/2in) 横截面的 1/2 半径处等效硬度为 45HRC 的钢材。分析：需要选择在由该钢材制成的零件的 1/2 半径处硬化到 45HRC 的钢材。该零件具有相当于 Φ38mm (Φ11/2in) 圆棒的重要横截面。

1) 为防止变形，假设在油中淬火，搅拌速度为 60m/min (200ft/min) (H=0.5)，并在非氧化气氛中加热到奥氏体化温度。因此，图 33)c 所示的 1/2 半径图适用。

2）选择钢种。首先在纵轴上找到38mm处画一条水平线，与搅拌速度为60m/min（200ft/min）的油淬曲线（曲线5）相交于一点。通过交点画一条垂直于横轴的线，确定在端部淬火圆棒上冷却速度与φ38mm圆棒1/2半径相同的位置。此位置位于与圆棒淬火端部等同距离6.5/16in处。然后，在表21中找到各种H钢端部淬火圆棒上45HRC的位置，发现8640、8740、5150、94B30钢的端部淬火距离在6.5/16in处都会达到45HRC。 如果其他钢种的淬硬性不能满足要求，那么在7/16in时达到45HRC的钢种有4137、8642、6145、50B40钢等。9261钢也

该钢属于这一类别，但不能选择它作为弹簧钢，其硬度必须高达50〜55hrc，因此有八种类型的钢，可以根据这些材料来满足这些材料的要求。

结尾