淬火的定義與目的

將鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac₃（亞共析鋼）或Ac₁（過(guò)共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時(shí)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(guò)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(guò)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(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通過(guò)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(shí)，其冷卻過(guò)出一般分為以下三個(gè)階段：?蒸汽膜階段、沸騰階段、對(duì)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(xiàng)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(shuō)是淬火加熱時(shí)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(duì)淬硬性的影響不大，但對(duì)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(shí)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(shí)際上反映了鋼在淬火時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的容易程度。它主要和鋼的過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性有關(guān)，或者說(shuō)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(kāi)來(lái)。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(shuō)水淬比油淬的淬透性髙。也不能說(shuō)小件比大件的淬透性高?？梢?jiàn)評(píng)價(jià)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(gè)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(guò)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(cè)定方法

鋼的淬透性的測(cè)定方法很多，常用的有臨界直徑測(cè)定法和端淬試驗(yàn)法。

(1)臨界直徑測(cè)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(shí)的最大直徑稱為臨界直徑，以Dc表示。臨界直徑測(cè)定法就是制作一系列直徑不同的圓棒，淬火后分別測(cè)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(yàn)法

端淬試驗(yàn)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(duì)其一端面噴水冷卻，冷卻后沿軸線方向測(cè)出硬度-距水冷端距離的關(guān)系曲線的試驗(yàn)方法。 端淬試驗(yàn)法是猁定鋼的淬透性的方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，適用范圍廣。

4.淬火應(yīng)力、變形及開(kāi)裂

（1）淬火時(shí)工件的內(nèi)應(yīng)力

工件在淬火介質(zhì)中迅速冷卻時(shí)，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(guò)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(guò)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(zhǎng)度將收縮；另一個(gè)是當(dāng)溫度下降到馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)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(guò)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(diǎn)，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積脹大，而溫度髙的部位尚高于點(diǎn)，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(guò)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(shí)間特性還可分為瞬時(shí)應(yīng)力和殘余應(yīng)力。工件在冷卻過(guò)程中某一時(shí)刻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫瞬時(shí)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(shí)，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(shí)心圓柱體為例，說(shuō)明其冷卻過(guò)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(kāi)始時(shí)，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(guò)該溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，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(shí)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(shí)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(lái)越低，收縮量也越來(lái)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(jiàn)，冷卻過(guò)程中的熱應(yīng)力開(kāi)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(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力是由于冷卻過(guò)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(shí)冷卻不均 勻，將會(huì)發(fā)生扭曲變形。工件若在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)拉應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生淬火裂紋。

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

淬火快冷時(shí)，當(dāng)表層冷至Ms點(diǎn)，即產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，并引起體積膨脹。但由于受到還 沒(méi)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(shí)，即會(huì)引起變形。當(dāng)心部冷至Ms點(diǎn)時(shí)，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(qiáng)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(jiàn)，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(shí)變形困難，所以相變應(yīng)力更易于導(dǎo)致工件的開(kāi)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(diǎn)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(shí)工件的變形

淬火時(shí)，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(shí)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(shí)工件在爐內(nèi)放置不當(dāng)，或者淬火前經(jīng)變形校正后沒(méi)有定型處理，或者是由于工件冷卻時(shí)工件各部位冷卻不均勻所造成的。這種變形可以針對(duì)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(shí)可以通過(guò)控制馬氏體和殘余輿氏體的相對(duì)含量來(lái)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(qiáng)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(shí)瞬時(shí)熱應(yīng)力為表面張應(yīng)力和心部壓應(yīng)力， 由于這時(shí)心部溫度高，屈服強(qiáng)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(zhǎng)圓柱體長(zhǎng)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(shí)刻。此時(shí)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(qiáng)度較低。瞬時(shí)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(zhǎng)，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(zhǎng)，而尺寸較小的一方縮短。例如長(zhǎng)圓柱體組織應(yīng)力引起的變形是長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，直徑縮小。