在机械设计中如何考虑钢的淬透性

邹桂贤

（山东省泰安市高级技工学校，山东 泰安 271600）

在机械设计中如何考虑钢的淬透性

邹桂贤

（山东省泰安市高级技工学校，山东 泰安 271600）

分析了钢的淬透性，在机械设计中需充分考虑，是钢力学性能的重要影响因素之一，是正确制定热处理工艺的依据。

机械设计；钢的淬透性；合理选材；热处理工艺

1 充分认识钢的淬透性

淬透性是指在规定的条件下，钢在淬火后获得淬硬层深度的能力（又叫可淬性）。它与钢的临界冷却速度有密切关系，临界冷却速度越低，淬透性越好。因此，一切增加过冷奥氏体稳定性、降低临界冷却速度的因素（主要是钢的化学成分）都可以提高钢的淬透性。例如，合金钢的淬透性好于碳钢。

获得的淬硬层越深，说明钢的淬透性越好。如果淬硬层深度达到心部，则说明该钢全部淬透。一般规定：钢在淬火后由钢的表面至内部马氏体组织占50%处的距离为淬硬层深度（又叫淬透层的深度），最近也有新观点认为，在淬火钢中存在50%不同的非马氏体组织时钢的机械性能会有很大差异，因而建议用90%马氏体作为淬透性的判据。

不能把钢的淬透性和具体条件下具体零件的淬透层深度混为一谈。在同样奥氏体化条件下，同一种钢的淬透性是相同的，但不能说同一种钢水淬与油淬时的有效淬透深度相同。同一种钢材制的零件，如果尺寸、形状等不同，可能有效淬透深度在油中的反而比在水中的为大。因此，谈具体有效淬透层深度时，必须考虑零件的形状、尺寸和冷却介质等的影响。

2 淬透性对钢力学性能的影响

淬透性对钢的机械性能影响很大。一个零件如果淬透了，不论是淬火后还是淬火+回火后，整个截面各处性能是均匀一致的。但是如果未淬透，则截面各处的组织和性能不均匀，未淬透部分的力学性能，尤其是σs和αk值明显下降。淬火不完全程度愈大时，淬火钢的屈强比愈小。对于不允许出现塑性变形的零件，一般都希望屈强比高些，以尽量提高材料强度的利用率，要求这类零件淬透程度要大。钢的淬透性越小，零件的淬硬层越浅，未淬透部分的比例越大，零件承受载荷的能力大大下降。

淬火钢中马氏体量愈多时，回火后钢的疲劳极限愈高。

3 钢的淬透性评定

准确评定钢的淬透性，为合理选材和制定热处理工艺提供依据。

1）按材料C（或CCT）曲线位置判定。钢材的C曲线的形状和位置，不仅对过冷奥氏体的转变速度和转变产物具有大的意义，而且在考虑钢的淬透性时也有指导作用。C曲线的位置越右移，该钢的淬透性越大。

2）借临界淬透直径评定。临界淬透直径符号D0表示，是一种很直观判断淬透性的方法。它是指钢在某种淬火介质中冷却时，其心部能淬透的最大直径。显然，在冷却能力大的介质中比冷却能力小的介质中所淬透的直径要大；在同一冷却介质中钢的临界淬透直径越大，其淬透性越好。

3）用末端淬火法评定。简称端淬法。通常用于测定优质碳素结构钢、合金结构钢的淬透性，也可用于测定弹簧钢、轴承钢、工具钢的淬透性。实验方法为：将试样加热到规定的淬火温度后，从试样末端喷水冷却，从喷水冷却的末端起，每隔一定距离测一硬度点，绘成该钢种的淬透性曲线。由于钢材成分的波动，材料或热处理手册上所登载某些钢种的淬透性曲线往往是一个范围，称为淬透带。用此法测定钢的淬透值可用J表示，其中J表示末端淬透性，d表示至末端的距离，该距离越大，钢的淬透性越大，HRC为该处测得的硬度值。

4 设计中如何考虑钢的淬透性

淬透性作为钢的热处理性能之一，对钢的机械性能影响很大。设计人员必须充分考虑钢的淬透性，根据工件的工作环境和性能需求进行合理选材，正确制定热处理工艺。

利用淬透性曲线合理选用钢材。例如选用Ø60mm汽车零件转向节的钢材，根据所提出的技术要求：淬火后表面硬度≥HRC50，距离表面1/4R处硬度≥HRC45，经查几种钢材的淬透性曲线，发现40CrMn钢淬透性曲线能满足要求。因此，选用40CrMn钢作为该零件材料较为合理。

淬透性好不仅有利于大截面零件获得均匀一致的组织和性能，而且在淬火时可采用比较缓和的淬火介质，减少工件的变形及开裂倾向。因此，截面尺寸大、形状复杂的零件，以及在动载荷下工作的零件如螺栓、拉杆、锻模、锤杆等，要求零件的表面和心部机械性能一致，都应选用淬透性高的材料制作。

当某些工件的心部机械性能对于使用条件没有什么影响的情况下，则可考虑选用淬透性较低的、淬硬层较浅（如淬硬层深度为工件半径或厚度的1/2，甚至1/4）的钢。

有些工件不可选用淬透性高的钢，例如焊接工件，如选用淬透性高的钢，就容易在焊缝热影响区内出现淬火现象，造成焊件变形和裂纹；又如承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模，其工作部分常因全部淬硬而脆断。

另外，还应注意以下几点：

1）大尺寸工件设计中的强度计算，不能仅仅根据从设计手册里查到的小尺寸试样的性能数据。

2）淬透性低的大尺寸工件，淬硬层很浅，应考虑在淬火之前进行切削加工。

3）由于碳钢的淬透性很低，有时在设计大尺寸工件时，建议应用碳钢正火调质处理更经济些。例如设计尺寸为Ø100mm时，用45钢调质能达到σb=610Mpa，若用45钢正火也能达到σb=600Mpa。

邹桂贤（1966—），女，毕业于山东科技大学，现就职于山东省泰安市高级技工学校，从事材料与热处理教学工作。