理解钢材淬透性：淬硬深度与热处理效应

许多钢材对淬火热处理有良好响应。工件材料选择最重要标准之一是淬透性。淬透性描述金属从高温淬火后能淬硬多深，也称淬硬深度。

微观尺度下的钢材：

钢材微观分类首层是晶体结构——原子空间排列方式。体心立方（BCC）和面心立方（FCC）是金属晶体结构典例。图 1 展示 BCC 和 FCC 晶体结构示例。注意图 1 图像旨在显示原子位置，原子间距离被夸大。

次层分类是相。相是具有相同物理化学性质的材料均匀部分。钢有 3 种不同相：

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

本文讨论的最后分类层级是显微组织。上述三相可组合形成不同钢显微组织。下图展示这些组织及其大致力学性能：

• 马氏体：最硬最强却最脆
• 珠光体：硬、强、有延展性但韧性不佳
• 贝氏体：具优良强韧组合，比珠光体硬但不如马氏体硬

微观尺度下的淬硬：

钢材淬透性取决于材料碳含量、其他合金元素和奥氏体晶粒尺寸。奥氏体为 γ 相铁，高温下原子结构从 BCC 转变为 FCC。

高淬透性指合金淬火后能在材料本体产生高百分比马氏体。淬硬钢通过从高温快速淬火制得。这涉及从 100% 奥氏体向高比例马氏体的快速转变。若钢碳含量超 0.15%，马氏体成为高应变体心立方形式并过饱和碳。碳有效关闭显微组织中大多数滑移面，形成极硬脆材料。若淬火速度不够快，碳将从奥氏相扩散出去。钢随之变为珠光体、贝氏体，若保温足够久则为铁素体。上述显微组织经回火后均无马氏体同等强度，通常被视为大多数应用不利。

钢材成功热处理取决于三因素：

1. 试样尺寸和形状
2. 钢材成分
3. 淬火方法

1. 试样尺寸和形状

淬火过程中，热量必须先传递到试样表面才能散入淬火介质。因此试样内部冷却速率取决于其表面积体积比。比值越大，冷却越快，淬硬效果越深。例如，长 3 英寸、直径 1 英寸圆棒比直径 1.5 英寸圆棒淬透性更高。因此，棱角边缘多的零件比规则圆整形状更易通过淬火淬硬。图 2 为油淬 95 毫米圆棒的时间-温度-转变（TTT）图冷却曲线示例。表面转变为 100% 马氏体，芯部含贝氏体因而硬度较低。

2. 钢材成分

须记住不同钢合金含不同元素组成。这些元素相对铁含量比率产生多种力学性能。增碳使钢更硬更强但延展性降低。不锈钢主要合金元素铬赋予其强耐腐蚀性。人类摸索钢成分已超千年，组合无穷无尽。

因组合繁多产生性能迥异，标准化测试用于分类钢材。常见淬透性测试为 Jominy 端淬试验，如图 3。测试中标准试块加热至 100% 奥氏体，快速移至水淬装置。表面（接触水区）立即冷却，冷却速率随离表面距离下降。沿试样长度磨平一平面，测量平面上各点硬度，绘制淬透性曲线：硬度为纵轴，距离为横轴。

淬透性曲线由 Jominy 试验结果构建。图 4 展示几种钢合金曲线示例。冷却速率递减（硬度在短距离内陡降）允许更多碳扩散、形成更多较软珠光体，意味着马氏体减少、淬透性降低。在较长距离保持高硬度值的材料被视为高淬透性。两端硬度差越大，淬透性越低。典型淬透性曲线随离淬火端距离增加冷却速率下降。1040 钢初始硬度与 4140 和 4340 相同，但随长度极快冷却。4140 和 4340 冷却更渐进，淬透性更高。4340 冷却速率比 4140 更平缓，三者中淬透性最高。

淬透性曲线取决于碳含量。碳百分比越高，硬度越高。注意图 4 三种合金碳含量相同（0.40% C）。碳非唯一影响淬透性的合金元素。这三钢淬透性行为差异可用其合金元素解释。表 1 对比三钢合金含量。1040 为纯碳钢，除铁外无其他元素阻碍碳原子逸出基体，故淬透性最低。4340 添加的镍允许比 4140 形成稍多马氏体，使其三者中淬透性最高。大多数金属合金元素减缓珠光体、铁素体、贝氏体形成，从而提高钢淬透性。

表 1：4340、4140 和 1040 钢合金含量

同一材料组内淬透性可有变差。工业炼钢中，元素成分和平均晶粒尺寸批次间不可避免存在微小波动。通常材料淬透性用上下限曲线表示。

淬透性随奥氏体晶粒尺寸增加而提高。晶粒是多晶金属中单个晶体。想象彩绘玻璃窗（如下图），有色玻璃为晶粒，焊料为晶界。奥氏体、铁素体、渗碳体是构成钢不同显微组织的不同晶粒。珠光体和贝氏体在晶界形成，妨碍马氏体生长（马氏体为期望组织）。马氏体由奥氏体晶粒快速冷却转变形成，其转变过程仍未完全理解。晶粒尺寸增大意味着奥氏体晶粒增多、晶界减少。因此珠光体、贝氏体等组织形成机会减少，马氏体形成机会增多。

3. 淬火方法

如前所述，淬火介质类型影响冷却速率。使用油、水、水基聚合物淬火剂或风冷将产生不同工件内部硬度，也会移动淬透性曲线。水淬最剧烈，其次油淬，再风冷。水基聚合物淬火剂提供水与油之间的冷却速率，可通过调整聚合物浓度和温度针对特定应用定制。搅拌程度也影响热移除速率。淬火介质流过试样越快，淬火效果越强。油淬常用于水淬可能过于剧烈导致钢开裂变形的情况。

加工淬硬钢

加工淬火后工件的刀具选择取决于几个变量。除应用特定几何要求外，两个最重要变量是材料硬度及其淬透性。某些高应力应用要求工件内部产生最低 80% 马氏体。中等应力零件通常仅需约 50% 马氏体。加工低淬透性淬火金属时，标准涂层硬质合金刀具可能无问题，因最硬部分仅限表面。加工高淬透性钢时，建议使用专用几何形状刀具。高淬透性导致工件整个体积均硬。Harvey Tool 目录提供多种淬硬钢刀具，含钻头、铣刀、键槽铣刀、雕刻刀等。

选购 Harvey Tool 全系列现货淬硬钢铣刀

淬硬钢总结

淬透性衡量铁基合金通过马氏体在整个体积（表面至芯部）形成而能淬硬的深度。选择钢材及特定应用切削刀具时必须考虑的重要材料属性。任何钢的淬硬取决于零件尺寸形状、钢材分子成分和淬火方法类型。