实验六  钢的淬透性测定

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实验六  钢的淬透性测定

一、概述：

了解和测定钢的淬透性有很大的实际意义。在合理选择与使用钢种及制定合理的热处理工艺时，它都是不可缺少的重要依据。

（一） 两个概念：

（1）淬透性：也称可透性，是钢材本身所固有的属性，它是指钢在淬火时得到马氏体组织的能力，淬火后所得马氏体组织的深度越深，则表明钢的淬透性越高。

（2）淬硬性：也称可硬性，是指钢在正常奥氏体化条件下，以大于临界冷速淬火所得组织的最高硬度。淬硬性决定于固溶在奥氏体中的含碳量。淬火硬度与碳含量的关系如图（五）所示。此外，它与冷却速度，工件尺寸，晶粒大小等也有一定的关系。但钢中的合金元素含量对淬硬性无显著的影响。

图（五）  50%马氏体的硬度与碳含量的关系（没找到更好的单独的数字版图片）

（二） 影响淬透性的因素：

奥氏体化学成分的影响：钢中的含碳量和合金元素对淬透性有显著的影响。

当钢中含碳量增加时（含碳量由低碳增加到1.0%左右）淬透性明显增加；而当含碳量进一步增加（通常＞1.0%时）往往由于淬火加热温度不足以使碳化物完全溶解于奥氏体中，而使淬透性又明显地下降。

合金元素Co除以外，一般都增加淬透性。

奥氏体的均匀度：钢中存在有合金元素和杂质的偏析。及奥氏体中的成分不均匀将使钢的淬透性下降。

奥氏体化的温度：奥氏体化温度对淬透性有明显影响，通常随奥氏体化温度升高，淬透性增加。

奥氏体晶粒度：一般规律是：晶粒尺寸增大，则钢的淬透性将增加。但实际工作中，避免用增大晶粒尺寸的方法来提高淬透性，因为这将增加钢的脆性。

钢中未溶底二项的影响：钢中未熔非金属夹杂物如硫化物，碳化物及氧化物质点的存在，及高温下稳定的碳化物质点的存在将使钢的淬透性明显地下降。

钢的原始组织的影响：钢的原始组织的弥散度越大。其相应的淬透性也随着增高。

以上各个影响因素就其本质而言是对钢材的临界冷却速度的影响和对过冷奥氏体稳定性的影响。所以凡是促使钢的“C-曲线”右移的诸因素都将使钢的淬透性增加。

淬透性的判定标准：从理论上讲，作为判定标准应该是采用全部马氏体组织，或带有很少量残留奥氏的马氏体组织。但实际上，即使是载面较小的工件进行淬火时，这种全部为马氏体的组织也往往是很薄的一层。况且组织中即使含有5~10%左右的非马氏体组织也难以辨认出来，用硬度法也不易测出。淬透性判定标准一般规定由试样表层至半马氏体组织（此处组织为50%马氏体+50%非马氏体）处的距离作为淬透层深度，其所以这样规定，是因为半马氏体区不但容易在显微镜下加以识别，而且也易于用硬度值加以判定，当组织中非马氏体量不多时，其硬度和全为马氏体的硬度相差并不明显，但当非马氏体组织量增至50%左右时，硬度值便突然徒降。与硬度值徒降相对应的位置（指其离表面的距离）即是判定钢的淬透性的依据。

应该说明，采用半马氏体作为淬透性的评定标准，仅是由于测量上的方便，就工件淬火后获得的机械能来讲，淬硬层中混有少量的非马氏体组织，将使工件的性能下降，故近年来有人提出用含有90%以上的马氏体组织区域作为淬透性的判定依据，不同含碳量的钢淬火后的马氏体量可以通过测量硬度来间接测定，如图（六）所示。

马氏体含量不同时碳含量对淬火硬度的影响

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图（六） 含碳量和马氏体量与淬火硬度的关系

淬透性的测定方法：测定钢的淬透性有许多方法，归纳起来可分为计算法和实验法两类。

计算法：计算法有其优点；能够在没有试样和不具备试验设备的条件下对钢的淬透性进行估算，所以它常用来作为设计新钢种成分的依据，但是用计算法所得的数据，往往还需经实验法来最终确定

实验法：又可分为断口法，临界直径法，顶端淬火法，本次实验中只采用顶端淬火法，对此法作详尽介绍。

顶端淬火法：（又称末端淬火法）。关于此法我国的国家标准GB225-63《结构钢末端淬透性试验法》（现在是2006版）有专门规定。它是目前测定钢的淬透性的常用方法之一。常用于优质碳素钢，合金结构钢，弹簧钢，轴承钢及合金工具钢等钢种的淬透性测定。

⒈ 顶端淬火法的实验原理：此法是将一圆柱试样加热至奥氏体化的某一温度，随后使试样从一个端面进行喷水冷却，由于试样仅在其一个端面进行水冷。所以沿圆柱试样的轴线方向上各处的冷却速不同由水冷面向上，冷速逐渐减慢。冷却后沿试样轴线方向上的各处所获得的组织及硬度也就不同，从水冷面开始，逐点向上其硬度值的变化规律是：硬度值越来越低，其相应的组织的变化规律是：全部马氏体组织→马氏体+少量非马氏体组织→50%马氏体组织+50%非马氏体组织→少量马氏体组织+珠光体类型组织……，由试验钢种的半马氏体硬度值对照试验后获得的硬度曲线。或测量试验后获得50%马氏体组织处水离冷面的距离。即可得到该钢种的淬透性数据。

⒉ 试样要求：标准试样如图（七）所示。

图（七） 顶端淬火标准试样尺寸图[3]

取样和制备试样的注意事项：

⑴ 取样：钢材直径小于或等于60mm时，料坯应沿钢材中心线截取，若直径大于60mm时，应沿钢材半径1/2处截取料坯。

⑵ 在制作试样前，料坯需进行正火处理。正火温度为Ac3+50。如正火后的料坯太硬难以加工时。可于Ac1-（20-50）℃温度下短时间回火。以改善切削加工性能。

⑶ 试样表面不允许有脱碳痕迹，试样表面的光洁度要求如图（七）所示（原来的图中有，现在没有，标准中有关表述是：试样的圆柱形表面应用精车加工；试样的淬火端面应进行适当的精细加工，最好用精细研磨的方法，并应去除毛刺）。

加热：试样在温度准确的箱式电炉中加热。淬火温度最好按该钢种实际热处理温度来确定。可据Ac3+30℃来加以确定或参考下表所推荐的加热温度。

⒊ 加热时，必须避免试样末端发生氧化或脱碳，如果在无保护气氛的炉内加热，试样应放在罐底铺有石墨粉，铸铁屑的保护罐中。到达预定的温度后。保温30分钟即可进行端淬。

⒋ 淬火试验；淬火试验在末端淬火设备上进行。端淬设备由储水箱；试样支架和喷水嘴等主要部分组成，（喷水嘴，试样支架如图（八）所示。

顶端淬火试验示意图（注明：不是原来报告中的图）

图（八）[2]

表（四）淬透性试验时供参考的加热温度

钢种

碳含量%

加热温度

碳钢，锰钢，铬钢，钼钢，铬钼钢铬镍钢（Cr≤1.25%，Ni≤2%）

＜0.25

0.26~0.36

0.37~0.55

900*

870

840

硅钢，硅锰钢，铬锰钢，铬钒钢，铬猛钒钢，铬钼钒钢

0.15~0.24

0.25~0.44

0.45~0.65

900

880

870

铬猛钛钢，铬猛钼钢

＜0.25

900*

镍钢，铬镍钢（Cr＞1.25%，Ni＞2%）铬镍钼钢

＜0.25

840

 * 900℃的温度推荐用于由渗碳钢制成的，经气体渗碳后而直接淬火或冷却至850℃以上温度而淬火的零件。对于固体渗碳零件的温度，应随这种钢零件所采取的淬火温度的不同来决定。

淬火试验前应先将试样支架调整好。主要调整的内容是：喷水嘴距端淬试样的距离应为125mm。自由水柱（指不装试样时，水柱从喷水嘴喷出的自由高度）高度应调到65mm左右。水柱调整好后可用一重物压住喷口。（重物厚度应小于12.5mm）随后将在支架上的水擦净。即可进行试验。

在预定的温度下达到保温时间后，将试样迅速出炉，出罐，放进悬挂试样的支架上，且要放正；快速除去喷水嘴上的压块，进行端面水冷。

注意事项：

⒈ 调整自由水柱时，需待除水箱中的水位与溢留口平时，才能调整65mm的自由高度，以后整个淬火过程中随时应注意使储水箱的液面与溢留口保持水平。控制方法是调整水箱的进水量。

⒉ 规定要求水温应控制在10~30℃之间。

⒊ 冷却时间；通常应大于10分钟。（即待整个试样变成黑色：此时试样温度已都处于600℃以下）至此程度时可使整个试样全部放在水中加速冷却。

⒋ 由以往经验可知：自由水柱，喷水柱直径，水温等都可在适当范围内有所波动。而对试验数据无明显影响，但为了便于各个数据的相互间比较及保证试验的准确性和可靠性，在试验中应严格按照国家标准的要求去进行试验。

⒌ 硬度测定及淬透性的表示方法：将淬火后的圆柱试样，平行其轴线磨去0.2~0.5mm，磨出一狭长的矩行平面。磨制过程中要使试样不断进行冷却，以放其回火而影响其试验数据。

磨好的试样，从试样的端面起每隔1.5mm取一点，用洛氏硬度计测取其硬度值HRC（HRC：是指用150Kg载荷及金刚石锥形压头测得的硬度值）。测定硬度时，选用“v”型载物台。将试样放上面，使狭长矩形磨面垂直于锥形压头的轴线。开始使每隔1.5mm测取一个硬度值，当硬度下降趋于平缓时，可每隔3mm测一值，通常测至距水冷端10mm左右处即可（这些具体的数据，还时参考最新的标准为好。）。

将所得数据以硬度值（HRC）作为纵坐标。以测量点距水冷端的距离（mm）作为横坐标，即可做出淬透性曲线。

钢的淬透性值以符号来JHRC/d表示，其中d为至水冷端的距离（mm）。HRC：为对应点处的硬度值。

如：

J45/6表示距水冷端6mm的硬度值为45（HRC）。

通常手册中表示某一钢种淬透性用的是淬透性带。它是由于某一钢化学成分的波动，晶粒度及组织上的差异而造成的。所以引用时应据实际情况去考虑。

二、实验目的：

⒈ 掌握用端淬法测定钢的淬透性曲线的方法；

⒉ 了解影响钢的淬透性的一些因素；

⒊ 观察端淬试样由水冷端至另一端组织的变化过程。

三、实验内容：

⒈ 用一端淬火法测定40钢，50钢40Cr在同一加热温度（850℃后的淬透性曲线，观测成分对钢的淬透性及淬硬性的影响；

⒉ 以同一成分的钢（分别用40钢50钢，40Cr），用不同的加热温度（850℃及1000℃）加热，并分别测定它们的淬透性曲线。观测温度对淬透性的影响；

⒊ 观察端淬试样一端至另一端的金相 组织的变化过程（对于先做好的标准试样进行观察）。

四、实验步骤：

1、实验的同学分成两组，一组对40钢，50钢，40Cr三个钢种在850℃加热后其淬透性曲线进行测定；二组对40钢，50钢，40Cr三个钢种在1000℃加热后其淬透性曲线进行测定。各组提供本组的实验数据，并收集其他小组的实验数据。

2、硬度值的测定。端淬试样金相组织的观察。轮流执行。

五、实验所需用的设备、材料：

⒈ 中高温加热的电炉；

⒉ 端测试验设备；

⒊ 40钢，50钢，40Cr端淬试样各两块，及保护罐；

⒋ 硬度计；

⒌ 端淬后的金相试样一套。

六、实验报告要求：

⒈ 由实验中所得的数据分别绘制40钢，50钢，40Cr钢于850℃及1000℃加热后的淬透性曲线。

⒉ 结合由实验所得的淬透性曲线，总结出本次实验中影响淬透性及淬硬性的因素是什么？

⒊ 对本次实验的意见及改进意见。

参考资料：

[1]  http://baike.mysteel.com/doc/view/30324.html  淬火

[2]  http://blog.sina.com.cn/s/blog_674374ae0100yfdq.html  末端淬火试验的有关示意图

[3]  ISO 642-1999 Steel — Hardenability test by end quenching（Jominy test）

[4]  GB 225-2006 钢 淬透性的末端淬火试验方法（Jominy试验）