钢材淬透性的测定方法优化

淬透性的测定大体上可以分为计算法和实验法两大类别。计算法是根据钢材的主要化学成分和奥氏体晶粒度，来计算钢的淬透性。实验法则是通过测定在标准试样上的淬透直径或深度，或是标准试样在顶端淬火试验后半马氏体硬度区与淬火顶端间的距离大小来评价钢的淬透性。目前，国际上和我国通常采用的淬透性试验方法主要有以下几种。

1.断口检验法

这种方法是根据试样断口呈现的状态来评定钢的淬透性。由于硬脆的淬硬层主要为马氏体，其晶粒细致，呈绢状断口，而软韧的未淬硬层为珠光体或贝氏体，呈粗粒状断口，两者在断口上有明显的区别，易于将淬硬层深度测出，故可根据断口来评定钢的淬透性。根据GB227—63《碳素工具钢淬透性试验法》，该方法的具体做法是，在退火钢棒截面中部截取2～3个试样（方形试样的截面尺寸为20mm×20mm，圆形截面为φ22～23mm，长度为100±5mm），试样中间一侧开一个深度为3～5mm的V形槽（以利于淬火后打断观察断口），试样分别在760℃、800℃、840℃温度下加热15～20min，然后淬入10～30℃的水中，通过观察断口上淬硬表层的深度h，对照相应的评级标准图来评定淬透性等级。该方法主要适用于碳素工具钢，但低合金工具钢也可以参照使用。

2.U曲线法

此法是采用一组直径不同的圆柱形试样，其长度为直径4～6倍，经奥氏体化后在一种淬火介质（水、盐水、油等均可）中冷却，然后沿试样中部剖开，经磨平后自试样表面向内每隔1～2mm的距离测定一处硬度值，并将所测结果绘成硬度分布曲线。淬透性的高低可采用淬硬层的深度h或DH/D（D为试样直径，DH为未淬硬区直径来表示），如图7-20所示。U曲线法大多用于结构钢。它的最大优点是直观、准确，与实际淬火情况比较接近。但此法需要花费很多试样，测定工作量比较繁重，对大批量的生产检验来说，不太适用。

图7-20　U曲线法示意图

3.临界直径法

将某种钢做成各种不同直径的一组圆柱试样，按规定的条件淬火后，可找出其中截面中心恰好是含50%马氏体组织的一根试样，该试样的直径就被称为临界淬透直径，以D0表示。这表明，小于该直径时均可被淬透，而大于该直径时则不能被淬透。显然，在给定的淬火条件下，临界淬火直径越大，说明完全淬透的试样的直径越大，因而钢的淬透性越好。但是，对于成分一定的钢材，采用不同的淬火介质，D0也就不同，因此用临界淬火直径比较钢的淬透性必须采用相同的冷却介质。

钢的临界淬火直径对于钢种的选择、淬火工艺的制定和判断淬火后淬硬层深度有重要参考价值。例如，若要使零件在淬火时完全淬透，则必须选用D0＞D零件的钢。如给定工件所用材料和淬火后的硬度要求，则应选择适当淬火介质满足上述要求。表7-11为常用钢材的临界淬火直径，可供参考。

表7-11　常用钢材的临界淬火直径(www.xing528.com)

4.末端淬火试验法

末端淬火试验法（简称端淬法），是目前世界上应用最广泛的淬透性试验法。图7-21为末端淬火试验法测定钢的淬透性的示意图。试验时将φ25×100mm的标准试样加热至规定温度奥氏体化后，迅速放入试验装置[见图7-21（a）]中喷水冷却。显然，试样的末端由于喷水其冷却速度最大，随着距末端距离的增加，冷却速度逐渐减小，其组织和硬度也发生相应的变化。试样末端距喷水口的距离为12.5mm，喷水口的内径为12.5mm，水温为20～30℃，水柱自由高度为65±5mm，以保证不同钢种试验时获得统一的冷却条件。试样冷却后沿轴线方向相对两侧各磨去0.2～0.5mm，然后从试样末端起每隔1.5mm测量一次硬度，即可得到硬度与至末端距离的关系曲线[见图7-21（b）]，这就是钢的淬透性曲线。

图7-21　末端淬火试验法示意图

（a）淬火装置；（b）淬透性曲线

由于对于同一种类型的钢，其化学成分允许在一定范围内波动，因此每一种钢的淬透性曲线通常是一条淬透性带。如图7-22为45钢的淬透性曲线。根据淬透性曲线，钢的淬透性可用来表示。例如，表示在淬透性带上距末端5mm处的硬度为HRC45。显然要比的淬透性要好。可见，根据钢的淬透性曲线可以方便地比较钢的淬透性的高低。

图7-22　45钢的端淬曲线

除上述确定钢的淬透性方法外，还可采用计算法来计算钢的淬透性。主要有两种方法，一种是根据钢的化学成分计算理想临界直径，另一种是根据化学成分计算淬透性曲线。前一种方法主要是根据钢中含有的各元素对淬透性贡献的大小采用连乘累积的方法算出钢的理想临界直径。后一种方法是根据钢的化学成分直接计算在末端淬火试样上距离末端不同距离处的硬度值并建立淬透性曲线。

随着现代数学冶金学的发展，材料科学工作者为建立材料成分和性能之间关系的数学模型进行了大量的研究。随着电子计算机的日益发展，淬透性的计算日益接近实测结果，计算法可以预测新钢种的淬透性，为新钢种的成分设计提供参考，也可用来计算一些目前尚没有淬透性曲线的钢种的淬透性。