淬火的定義與目的

將鋼加熱到臨界點Ac₃（亞共析鋼）或Ac₁（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。

鋼件在有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)中冷卻時，其冷卻過出一般分為以下三個階段：?蒸汽膜階段、沸騰階段、對流階段。

鋼的淬透性

淬硬性和淬透性是表征鋼材接受淬火能力大小的兩項性能指標(biāo)，它們也是選材、用材的重要依據(jù)。

1.淬硬性與淬透性的概念

淬硬性是鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化所能達(dá)到的最高硬度的能力。決定鋼淬硬性高低的主要因索是鋼的含碳量，更確切地說是淬火加熱時固溶在奧氏體中的含碳量，含碳量越離，鋼的淬硬性也就越高。而鋼中合金元素對淬硬性的影響不大，但對鋼的淬透性卻有重大影響。

淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性。即鋼淬火時得到淬硬層深度大小的能力，它是鋼材固有的一種屬性。淬透性實際上反映了鋼在淬火時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的容易程度。它主要和鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關(guān)，或者說與鋼的臨界淬火冷卻速度有關(guān)。

還應(yīng)指出：必須把鋼的淬透性和鋼件在具體淬火條件下的有效淬硬深度區(qū)分開來。鋼的淬透性是鋼材本身所固有的屬性，它只取決于其本身的內(nèi)部因素，而與外部因素?zé)o關(guān)；而鋼的有效淬硬深度除取決于鋼材的淬透性外，還與所采用的冷卻介質(zhì)、工件尺寸等外部因索有關(guān)，例如在同樣奧氏體化的條件下，同一種鋼的淬透性是相同的，但是水淬比油淬的有效淬硬深度大，小件比大件的有效淬硬深度大，這決不能說水淬比油淬的淬透性髙。也不能說小件比大件的淬透性高。可見評價鋼的淬透性，必須排除工件形狀、尺寸大小、冷卻介質(zhì)等外部因素的影響。

另外，由于淬透性和淬硬性也是兩個概念，因此淬火后硬度髙的鋼，不一定淬透性就髙；而硬度低的鋼也可能具有很髙的淬透性。

2.影響淬透性的因素

鋼的淬透性取決于奧氏體的穩(wěn)定性。凡是能提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移, 從而降低臨界冷卻速度的因素，都能提髙鋼的淬透性。奧氏體的穩(wěn)定性主要取決于它的化學(xué)成分、晶粒大小和成分均勻性，這些與鋼的化學(xué)成分和加熱條件有關(guān)。

3.淬透性的測定方法

鋼的淬透性的測定方法很多，常用的有臨界直徑測定法和端淬試驗法。

(1)臨界直徑測定法

鋼材在某種介質(zhì)中淬冷后，心部得到全部馬氏體或50％馬氏體組織時的最大直徑稱為臨界直徑，以Dc表示。臨界直徑測定法就是制作一系列直徑不同的圓棒，淬火后分別測定各試樣截面上沿直徑分布的硬度U曲線，從中找出中心恰為半馬氏體組織的畫棒，該圓棒直徑即為臨界直徑。臨界直徑越大，表明鋼的淬透性越高。

(2)端淬試驗法

端淬試驗法是用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的端淬試樣（Ф25mm×100mm)，經(jīng)奧氏體化后，在專用設(shè)備上對其一端面噴水冷卻，冷卻后沿軸線方向測出硬度-距水冷端距離的關(guān)系曲線的試驗方法。 端淬試驗法是猁定鋼的淬透性的方法之一，其優(yōu)點是操作簡便，適用范圍廣。

4.淬火應(yīng)力、變形及開裂

（1）淬火時工件的內(nèi)應(yīng)力

工件在淬火介質(zhì)中迅速冷卻時，由于工件具有一定尺寸，熱傳導(dǎo)系數(shù)也為一定值，因此在冷卻過程中工件內(nèi)沿截面將產(chǎn)生一定溫度梯度，表面溫度低，心部溫度高，表面和心部存在著溫度差。在工件冷卻過程中還伴隨著兩種物理現(xiàn)象：一是熱膨脹，隨著溫度下降，工件線長度將收縮；另一個是當(dāng)溫度下降到馬氏體轉(zhuǎn)變點時發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，這將使比體積增大。由于冷卻過程中存在著溫差，因而沿工件截面不同部位熱膨脹量將不同，工件不同部位將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；由于工件內(nèi)溫差的存在，還可能出現(xiàn)溫度下降快的部位低于點，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積脹大，而溫度髙的部位尚高于點，仍處于奧氏體狀態(tài)，這不同部 位由于比體積變化的差別，也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。因此，在淬火冷卻過程中可能產(chǎn)生兩種內(nèi)應(yīng)力：一種是熱應(yīng)力；另一種是組織應(yīng)力。

根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的存在時間特性還可分為瞬時應(yīng)力和殘余應(yīng)力。工件在冷卻過程中某一時刻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫瞬時應(yīng)力；工件冷卻終了，殘存于工件內(nèi)部的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。

熱應(yīng)力是指工件在加熱（或冷卻）時，由于不同部位的溫度差異，而導(dǎo)致熱脹（或冷縮）的不一致所引起的應(yīng)力。

現(xiàn)以一實心圓柱體為例，說明其冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力的形成及變化規(guī)律。這里僅討論其軸向應(yīng)力。冷卻剛開始時，由于表面冷卻快，溫度低，收縮多，而心部則冷卻悝，溫度髙，收縮小，表里相互牽制的結(jié)果，就在表層產(chǎn)生了拉應(yīng)力，心部則承受著壓應(yīng)力。隨著冷卻的進(jìn)行，表里溫差增大，其內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)增大，當(dāng)應(yīng)力增大到超過該溫度下的屈服強度時，便產(chǎn)生了塑性變形。由于心部的渥度髙于表層，因而總是心部先行沿軸向收縮。塑性變形的結(jié) 果，使其內(nèi)應(yīng)力不再增大。冷卻到一定時間后，表層溫度的降低將逐漸減慢，則其收縮量也逐漸減小。而此時心部則仍在不斷收縮，于是表層的拉應(yīng)力及心部壓應(yīng)力將逐漸減小，直至消失。但是隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，表層濕度越來越低，收縮量也越來越少，甚至停止收縮。而心部由于溫度尚高，還要不斷地收縮，最后在工件表層形成壓應(yīng)力，而心部則為拉應(yīng)力， 但由于溫度已低，不易產(chǎn)生塑性變形，所以這應(yīng)力將隨冷卻的進(jìn)行而不斷增大，并最后保留于工件內(nèi)部，成為殘余應(yīng)力。

由此可見，冷卻過程中的熱應(yīng)力開始是使表層受拉，心部受壓，而最后留下的殘余應(yīng)力則是表層受壓，心部受拉。

綜上所述，淬火冷卻時產(chǎn)生的熱應(yīng)力是由于冷卻過程中截面溫度差所造成的，冷卻速度越大，截面溫差越大，則產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大。在相同冷卻介質(zhì)條件下.工件加熱溫度越高、 尺寸越大、鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，工件內(nèi)溫差越大，熱應(yīng)力越大。工件若在高溫時冷卻不均 勻，將會發(fā)生扭曲變形。工件若在冷卻過程中產(chǎn)生的瞬時拉應(yīng)力大于材料的抗拉強度時，將會產(chǎn)生淬火裂紋。

相變應(yīng)力是指熱處理過程中由于工件各部位相轉(zhuǎn)變的不同時性所引起的應(yīng)力，又稱組織應(yīng)力。

淬火快冷時，當(dāng)表層冷至Ms點，即產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，并引起體積膨脹。但由于受到還 沒進(jìn)行轉(zhuǎn)變的心部的阻礙，使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，而心部則為拉應(yīng)力，應(yīng)力足夠大時，即會引起變形。當(dāng)心部冷至Ms點時，也要進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，并體積膨脹，但由于受到已經(jīng)轉(zhuǎn)變的 塑性低、強度高的表層的牽制，因此其最后的殘余應(yīng)力將呈表面受拉，心部受壓。由此可見，相變應(yīng)力的變化情況及最后狀態(tài)，恰巧與熱應(yīng)力相反。而且由于相變應(yīng)力產(chǎn)生于塑性較低的低溫下，此時變形困難，所以相變應(yīng)力更易于導(dǎo)致工件的開裂。

影響相變應(yīng)力大小的因素很多，鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍的冷卻速度越快、鋼件的尺寸越大、鋼的導(dǎo)熱性越差、馬氏體的比體積越大，其相變應(yīng)力就越大。另外，相變應(yīng)力還與鋼的成分、鋼的淬透性有關(guān)，例如，高碳髙合金鋼由于含碳量高而增大馬氏體的比體積，這本應(yīng)增加鋼的相變應(yīng)力，但隨著含碳量升高而使Ms點下降，又使淬火后存在著大量殘余奧氏體，其體積膨脹量減小，殘余應(yīng)力就低。

（2）淬火時工件的變形

淬火時，工件發(fā)生的變形主要有兩類：一類是工件幾何形狀的變化，它表現(xiàn)為尺寸及外形的變化，常稱為翹曲變形，是淬火應(yīng)力所引起的；另一類是體積變形，它表現(xiàn)為工件體積按比例脹大或縮小，是相變時的比體積變化所引起的。

翹曲變形又包括形狀變形和扭曲變形。扭曲變形主要是加熱時工件在爐內(nèi)放置不當(dāng)，或者淬火前經(jīng)變形校正后沒有定型處理，或者是由于工件冷卻時工件各部位冷卻不均勻所造成的。這種變形可以針對具體情況分析解決。下面主要討論體積變形和形狀變形。

1)淬火變形的原因及其變化規(guī)律

組織轉(zhuǎn)變引起的體積變形工件在淬火前的組織狀態(tài)一般為珠光體型，即鐵素體和滲碳體的混合組織，而淬火后為馬氏體型組織。這些組織的比體積不同，將引起淬火前后體積變化，從而產(chǎn)生變形。但這種變形只按比例使工件脹縮，因而不改變工件形狀。

另外，熱處理后組織中的馬氏體量越多，或者馬氏體中含碳量越高，則其體積膨脹就越多，而如殘余奧氏體量越多，則體積膨脹就越少。因此熱處理時可以通過控制馬氏體和殘余輿氏體的相對含量來控制其體積變化，如控制得當(dāng)，可使其體積旣不膨脹，也不縮小。

熱應(yīng)力引起的形狀變形 熱應(yīng)力引起的變形發(fā)生在鋼件屈脤強度較低、塑性較高、而表面冷卻快、工件內(nèi)外溫差最大的髙溫區(qū)。此時瞬時熱應(yīng)力為表面張應(yīng)力和心部壓應(yīng)力， 由于這時心部溫度高，屈服強度比表面低得多，因此表現(xiàn)為在多向壓應(yīng)力作用下的變形，即立方體向呈球形方向變化。其結(jié)果是尺寸較大的一方縮小，而尺寸較小的一方則脹大。例如長圓柱體長度方向縮短，直徑方向脹大。

組織應(yīng)力引起的形狀變形 組織應(yīng)力引起的變形也產(chǎn)生在早期組織應(yīng)力最大的時刻。此時截面溫差較大，心部溫度較髙，仍處于奧氏體狀態(tài)，塑性較好，屈服強度較低。瞬時組織應(yīng)力是表面壓應(yīng)力和心部拉應(yīng)力。因此變形表現(xiàn)為心部在多向拉應(yīng)力作用下的拉長，其結(jié)果是在組織應(yīng)力作用下，工件中尺寸較大的一方伸長，而尺寸較小的一方縮短。例如長圓柱體組織應(yīng)力引起的變形是長度伸長，直徑縮小。