钢的淬透性

许多类型的钢对称为淬火的热处理方法有有益的反应。工件材料选择过程中最重要的标准之一是淬透性。淬透性描述了金属在高温淬火后可以硬化的深度，也可以称为硬化深度。

钢的微观尺度：

钢在微观层面上的第一级分类是它们的晶体结构，即原子在空间中排列的方式。体心立方 (BCC) 和面心立方 (FCC) 配置是金属晶体结构的示例。 BCC 和 FCC 晶体结构的示例如下图 1 所示。请记住，图 1 中的图像旨在显示原子位置，并且原子之间的距离被夸大了。

下一级分类是一个阶段。一个阶段 是具有相同物理和化学性质的材料的均匀部分。钢有 3 个不同的阶段：

1. 奥氏体：面心立方铁；具有 FCC 晶体结构的铁和钢合金。
2. 铁素体：具有 BCC 晶体结构的体心立方铁和钢合金。
3. 渗碳体：碳化铁 (Fe3C)

本文讨论的最后一级分类是微观结构。上面看到的三个阶段可以结合形成钢的不同微观结构。这些微观结构的例子和它们的一般力学性能如下所示：

• 马氏体：最硬、最强的微观结构，但最脆
• 珍珠岩：坚硬、坚固且有延展性，但不是特别坚韧
• 贝氏体：具有理想的强度-延展性组合，比珠光体硬，但不如马氏体硬

在微观尺度上硬化：

钢的淬透性是材料中碳含量、其他合金元素和奥氏体晶粒尺寸的函数。奥氏体是一种γ相铁，在高温下其原子结构会从BCC构型转变为FCC构型。

高淬透性是指合金在淬火时在整个材料体中产生高马氏体百分比的能力。硬化钢是通过将材料从高温快速淬火制成的。这涉及从 100% 奥氏体状态到高比例马氏体状态的快速转变。如果钢的碳含量超过 0.15%，马氏体变成高度应变的体心立方形式，并被碳过饱和。碳有效地关闭了微观结构内的大多数滑移面，形成了一种非常坚硬和易碎的材料。如果淬火速度不够快，碳会从奥氏体相中扩散出来。然后钢变成珠光体、贝氏体，或者如果保持足够热的时间，变成铁素体。刚刚提到的显微组织在回火后都没有与马氏体相同的强度，通常被认为不适合大多数应用。

钢的成功热处理取决于三个因素：

1. 标本的大小和形状
2. 钢材的成分
3. 淬火方法

1.标本的大小和形状

在淬火过程中，热量必须先传递到试样表面，然后才能散发到淬火介质中。因此，试样内部冷却的速率取决于其表面积与体积的比值。比率越大，试样冷却越快，因此硬化效果越深。例如，直径为 1 英寸的 3 英寸圆柱棒比直径为 1.5 英寸的 3 英寸棒具有更高的淬透性。由于这种影响，具有更多角和边缘的零件比规则和圆形形状更容易通过淬火硬化。图 2 是油淬 95 mm 棒材冷却曲线的样品时间-温度转变 (TTT) 图。表面将转变为 100% 马氏体，而核心将包含一些贝氏体，因此硬度较低。

2.钢的成分

重要的是要记住，不同的钢合金含有不同的元素成分。这些元素相对于钢中铁含量的比例产生了各种各样的机械性能。增加碳含量会使钢变得更硬、更坚固，但没有延展性。铬是不锈钢的主要合金元素，使金属具有很强的耐腐蚀性。由于人类千百年来一直在修补钢的成分，因此组合的数量是无穷无尽的。

因为有如此多的组合会产生如此多不同的机械性能，所以使用标准化测试来帮助对不同类型的钢进行分类。一种常见的淬透性测试是 Jominy 测试，如下图 3 所示。在这个测试中，一块标准材料被加热到 100% 奥氏体。然后将块快速移动到水淬的设备中。表面或与水接触的区域会立即冷却，冷却速度会随着与表面的距离而下降。然后沿着样品的长度将平面磨到块上。沿该平面测量各个点的硬度。然后将该数据绘制在以硬度为 y 轴、距离为 x 轴的淬透性图表中。

淬透性曲线是根据 Jominy 测试的结果构建的。图 4 显示了一些钢合金曲线的示例。随着冷却速度的降低（硬度在短距离内急剧下降），碳扩散和形成更大比例的较软珠光体的时间更长。这意味着较少的马氏体和较低的淬透性。在相对较长的距离内保持较高硬度值的材料被认为是高度可硬化的。另外，两端的硬度差越大，淬透性越低。淬透性曲线的典型特征是随着距淬火端的距离增加，冷却速度降低。 1040 钢最初具有与 4140 和 4340 相同的硬度，但在整个样品长度上冷却得非常快。 4140 和 4340 钢以更平缓的速度冷却，因此具有更高的淬透性。与 4140 相比，4340 的冷却率较低，因此在三重奏中具有最高的淬透性。

淬透性曲线取决于碳含量。钢中存在的较大百分比的碳会增加其硬度。应该注意的是，图 4 中的所有三种合金都含有相同数量的碳（0.40% C）。碳不是唯一可以影响淬透性的合金元素。这三种钢的淬透性差异可以用它们的合金元素来解释。下面的表1显示了每种钢中合金含量的比较。 1040 是一种普通碳钢，因此具有最低的淬透性，因为除了铁之外没有其他元素可以阻止碳原子逸出基体。与 4140 相比，添加到 4340 中的镍可以形成稍多的马氏体，使其具有这三种合金中最高的淬透性。大多数金属合金元素会减缓珠光体、铁素体和贝氏体的形成，从而提高钢的淬透性。

表 1：显示 4340、4140 和 1040steel 的合金含量

同一材料组内的淬透性可能会有所不同。在钢的工业生产过程中，不同批次的元素组成和平均晶粒度总是存在不可避免的细微变化。大多数情况下，材料的淬透性由设置为极限的最大和最小曲线表示。

淬透性也随着奥氏体晶粒尺寸的增加而增加。晶粒是多晶金属中的单个晶体。想象一个彩色玻璃窗（如下图所示），彩色玻璃将是晶粒，而将其完全固定的焊接材料将是晶粒边界。奥氏体、铁素体和渗碳体都是不同类型的晶粒，它们构成了钢的不同微观结构。珠光体和贝氏体将在晶界处形成。这对硬化过程有害，因为马氏体是所需的微观结构，其他类型会阻碍其生长。马氏体是由奥氏体晶粒快速冷却形成的，其转变过程仍不清楚。随着晶粒尺寸的增大，奥氏体晶粒增多，晶界变少。因此，珠光体、贝氏体等显微组织形成的机会较少，而马氏体形成的机会较多。

3.淬火方法

如前所述，淬火类型会影响冷却速度。使用油、水、水性聚合物淬火剂或空气会在工件内部产生不同的硬度。这也改变了淬透性曲线。水产生最严重的骤冷，其次是油，然后是空气。水性聚合物淬火剂提供介于水和油之间的淬火速率，并且可以通过改变聚合物浓度和温度来适应特定应用。搅拌的程度也影响热量的去除速度。淬火介质在试样上移动的速度越快，淬火效果就越大。当水淬对于某种钢而言可能过于严重时，通常使用油淬，因为它可能在处理时开裂或翘曲。

加工硬化钢

为加工硬化后加工工件而选择的加工工具应选择的刀具类型取决于几个不同的变量。不计算特定于应用的几何要求，两个最重要的变量是材料硬度及其淬透性。一些相对高应力的应用要求在整个工件内部产生至少 80% 的马氏体。通常，中等应力零件在整个工件中只需要大约 50% 的马氏体。当加工淬透性非常低的淬火金属时，标准涂层整体硬质合金刀具可能没有问题。这是因为工件最硬的部分仅限于其表面。在加工具有高淬透性的钢时，建议您使用具有专门用于该特定应用的几何形状的刀具。高淬透性将导致工件在其整个体积中都很硬。 Harvey Tool 在整个目录中提供多种用于淬硬钢的不同刀具，包括钻头、立铣刀、键槽刀具和雕刻机。

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硬化钢，总结

淬透性是铁合金通过在其整个体积（从表面到核心）中形成马氏体而硬化的深度的量度。在为特定应用选择钢材和切削工具时，这是您必须考虑的重要材料特性。任何钢的硬化取决于零件的尺寸和形状、钢的分子组成以及所使用的淬火方法的类型。