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材料在热处理中的特性 |
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特性 |
含 义 及 影 响 |
设 计 中 如 何 考 虑 |
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淬透性(可淬性) |
指钢接受淬火的能力 不同的钢种，接受淬火的能力不同，因而淬成马氏体(指结构钢和工具钢)组织的深度(淬透层深度)也不同，钢的淬透层深度愈大，表明该钢种的淬透性愈好 淬透性不同的钢，淬火后得到的淬透层深度、金相组织以及沿截面分布的力学性能都不同。以回火至同一硬度水平来比较，淬透性大的钢，其力学性能沿截面是均匀分布的；而淬透性小的钢心部力学性能低，特别是σs、σk值显著下降。但全部淬透的工件，通常表面残留拉应力，对工件承受疲劳不利，工件热处理中也易变形开裂。未淬透工件则表面可残留压应力，反而有一定好处 淬透层深度是指由淬火表面马氏体到50%马氏体+50%珠光体层的深度 钢的淬透性通常用淬透性曲线图来表示，并用临界淬透直径Dc来比较各种钢材的淬透性大小 |
淬透性大小受钢的化学成分、奥氏体的均匀度、奥氏体化温度和奥氏体晶粒度等因素的影响而变化，但与工件尺寸大小等无关；淬透层深度则除受以上这些因素影响外，还受冷却速度、冷却剂和工件尺寸大小等因素的影响，两者有密切的关系，但其概念不同，不能混淆，例如不能笼统地认为一个淬透了的小尺寸零件的淬透性就一定比一个未淬透的大尺寸零件的淬透性大。钢的淬透性是选择材料和热处理工艺主要根据之一。必须注意： 1.要根据零件不同的工作条件合理确定对钢的淬透性要求，并不是所有场合都要求淬透，或者淬透都是有益的 2.设计大截面或形状复杂的重要构件采用多元合金钢，可保证沿整个截面具有高强度和高韧性的配合，获得综合力学性能，减少淬火变形或避免开裂 3.零件尺寸越大，内部热容量越大，淬火时零件冷却速度越慢，因此，淬透层越薄，性能越差：例如同样的40Cr钢经调质后，当直径为30mm时，σb≥900MPa，直径为120mm时，σb≥750MPa，直径为240mm时，σb≥650MPa，这种现象叫做“钢材的尺寸效应”。但是淬透性大的钢，尺寸效应不明显，如合金元素总量在3%～6%之间的多元合金，因而在大截面的条件下，仍能保证较高的综合力学性能。查阅手册注意，不能根据小尺寸试样测定的性能指标，用于大尺寸零件的强度计算 4.由于碳钢的淬透性低，有时在设计大尺寸零件时，用碳钢正火比用碳钢调质更经济，而效果相似。例如设计尺寸为f100mm，用45钢调质达到σb＝610MPa，正火也能达到σb＝600MPa 5.直径较大并具有几个台阶的传动轴，需经调质处理时，考虑到淬透性影响，应先粗车成形，然后调质。如果以棒料先调质，再车外圆，由于直径大，表面淬透层浅，阶梯轴尺寸较小的部分调质后的组织，在粗车时可能被车去，起不到调质作用 |
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部分常用钢材的淬透性值和临界淬透直径 |
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钢 号 |
淬透性值
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D0水 (20℃) |
D0油 (矿物油) |
钢 号 |
淬透性值
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D0水 (20℃) |
D0油 (矿物油) |
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20Mn2 |
J33/5 |
26(23) |
12(13.5) |
40Cr |
J43/7.5 |
36(32) |
20(21) |
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20MnTiB |
J33/8 |
38(34) |
21(22) |
40CrMn |
J43/12 |
51(47) |
36(34) |
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20MnVB |
J33/15 |
61(57) |
43(42) |
40CrV |
J43/10 |
45(40) |
27(29) |
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20Cr |
J33/5 |
26(23) |
12(13.5) |
40Mn2 |
J43/9 |
41(36) |
25(26) |
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20CrMnB |
J33/17 |
66(64) |
45(47) |
35SiMn |
J40/9 |
41(36) |
25(26) |
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20CrMoB |
J33/12 |
51(47) |
36(34) |
30CrMnSi |
J40/15 |
61(57) |
43(42) |
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20CrNi |
J33/9 |
41(36) |
25(26) |
30CrMnTi |
J40/12 |
51(47) |
36(34) |
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20CrMnMoVB |
J33/18 |
68(66) |
48(50) |
20CrMnTi |
J33/9 |
41(36) |
25(26) |
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20SiMnVB |
J33/20 |
75(71) |
54(56) |
30CrMo |
J40/10 |
45(40) |
27(29) |
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12CrNi3 |
J30/30 |
— |
78(84) |
40Cr2MoV |
J43/15 |
61(57) |
43(42) |
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12Cr2Ni4 |
J30/33 |
— |
84(96) |
40MnB |
J43/15 |
61(57) |
43(42) |
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45 |
J43/3 |
16(15) |
8(8.5) |
40MnVB |
J43/18 |
71(66) |
51(50) |
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40CrMnB |
J43/22 |
84(77) |
60(62) |
GCr15 |
J55/9 |
41(360 |
25(26) |
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40CrMnMoVB |
J43/39 |
— |
94(115) |
GCr15SiMn |
J55/18 |
71(66) |
51(50) |
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40CrNi |
J43/21 |
80(76) |
58(60) |
9Mn2V |
J55/13.5 |
57(52) |
38(37) |
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40CrNiMo |
J43/23 |
87(78) |
66(63) |
5SiMnMoV |
J45/6 |
31(28) |
15(17) |
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65 |
J20/9.5 |
43(39) |
26(28) |
5Si2MnMoV |
J45/21 |
81(76) |
59(60) |
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65Mn |
J50/10 |
45(40) |
27(29) |
9SiCr |
J55/12 |
51(47) |
36(34) |
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55Si2Mn |
J50/6.5 |
32(29) |
16(18) |
Cr2 |
J55/12 |
51(47) |
36(34) |
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50CrV |
J45/15 |
61(57) |
43(42) |
CrMn |
J55/6 |
31(28) |
15(17) |
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50CrMn |
J45/17 |
66(64) |
45(47) |
CrW |
J55/5.5 |
28(25) |
17(15) |
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50CrMnV |
J45/33 |
— |
84(96) |
9CrV |
J55/7 |
35(31) |
18(19) |
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T9 |
J55/5 |
26(23) |
12(13.5) |
9CrWMn |
J55/32 |
— |
80(90) |
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GCr9 |
J55/7.5 |
32(33) |
20(21) |
CrWMn |
J55/13.5 |
57(52) |
38(37) |
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GCrSiMn |
J55/14 |
58(55) |
39(40) |
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淬硬性 |
指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度，又叫淬硬性 |
淬硬性不同于淬透性，它主要与含碳量有关，含碳量愈高，淬火后硬度愈高，而与合金元素无显著影响。所以，淬火硬度高的钢不一定淬透性就高，而硬度低的钢也可能具有高的淬透性 |
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过热敏感性 |
指钢在淬火加热时，促进奥氏体晶粒长大，发生过热疵病的敏感性 |
奥氏体晶粒长大往往使钢在冷却后的力学性能降低，特别是冲击韧性变坏，甚至在淬火时会形成裂纹。本质粗晶粒钢的过热敏感性大，本质细晶粒钢，只有在加热到930～950℃以上才显著长大 |
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回火稳定性 |
指回火时减慢钢的组织和性能的变化，使淬火钢在较高温度回火后仍能保持较高硬度 |
回火稳定性好的钢，可在较高的温度回火，使韧性增加，内应力消除更完善。合金钢的回火稳定性比碳钢好。因此，在达到同一回火硬度时，合金钢的回火温度可以比碳钢高，回火时间比碳钢长，故回火后，合金钢的内应力比碳钢小，韧性比碳钢好。对于要求内应力尽量消除完全(因而回火温度要高一些)，但强度指标又要损失小一些的零件(如弹簧等)，就应采用回火稳定性较好的材料 |
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变形开裂倾向 |
指钢在加热和冷却过程，产生热应力和组织应力，其综合作用引起超过钢的σs或σb而产生变形开裂的倾向 |
加热或冷却速度太快，加热和冷却不均匀，以及奥氏体向马氏体转变过程中体积的变化，都会造成零件的热应力和组织应力，因此：①零件设计应尽量避免尖角和厚薄断面的突然变化；②采用分级淬火、等温淬火或双液淬火等方法，可降低应力，减少变形，试验表明，如GCr15Q钢套管分级淬火时，比油淬时的外径变形可减少一半 |
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尺寸稳定性 |
指零件在长期存放或使用中不变形的性能。这对于精密零件等是极为重要的 |
引起尺寸变化的主要原因是内应力的存在，以及残余奥氏体的分解，因此，设计精密度高的零件和量具时，必须进行稳定化处理，如淬火后进行冷处理以减少残余奥氏体的含量，或低温时效，使马氏体趋向稳定并减少内应力，以稳定尺寸(适量的奥氏体存在，可减少组织应力，从而也可减少淬火变形) |
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回火脆性 |
指钢在某个温度范围回火时，发生冲击韧性降低的现象 产生回火韧性的钢，不仅室温下的冲击韧性较正常钢为低，而且使钢的冷脆温度大大提高 |
当回火温度在250～400℃时，会引起钢的脆性，称为第一类回火脆性，它一产生就不易消除，故又称不可逆回火脆性。因此在热处理时很少采用250～400℃温度回火。一般认为碳钢的第一类回火脆性影响不大，但弹簧一般多在350～500℃回火，则只有根据需要与可能，首先保证弹簧要求性能的主要方面 某些合金钢(Cr钢、Cr-Ni钢、Cr-Mn钢)在450～575℃或更高温度回火后，缓冷，还会出现第二类回火脆性，又称可逆回火脆性，即可以再次回火后，快冷消除。对于难于快冷的大截面零件可加入Mo0.3%～0.4%或W0.8%～1.2%，来防止回火脆性 |
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氧化脱碳敏感性 |
氧化是工件在氧化性气氛和未脱碳的盐浴中加热时，气氛中的O2与Fe发生化学反应形成FeO、Fe2O3、Fe3O4等氧化物，俗称氧化皮。脱碳是钢中的碳(溶于奥氏体中的碳和形成碳化物的碳)被氧化烧损的现象。脱碳除了氧的作用外，水蒸气和二氧化碳也引起脱碳。在含有0.05%水汽还原性气氛中，也会脱碳 氧化使工件表面粗糙，淬火时阻碍冷却介质与工件的热交换，降低冷却速度，形成软点、硬度不足等缺陷。脱碳改变了表层的化学成分，使工件淬火后硬度下降，形变量增加，对工件淬火回火后的力学性能尤其是疲劳性能也有极坏的负面影响。对于渗氮工件，表面脱碳使渗氮层脆性增加。脱碳也是引起裂纹的主要原因，因为脱碳层相变延迟可产生巨大的拉应力 为此，现代热处理已大都采用可控气氛炉、真空炉、脱氧干净的盐浴炉或流态床等先进热处理设备 Si对钢的氧化脱碳敏感性影响较大，故含Si钢如9SiCr、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV等氧化脱碳敏感性大，热处理时应注意 |
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注：括号内数值是根据淬透性曲线图和淬透性标准图查得的数据。 |
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