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结构钢的淬透性曲线测定（3学时）一、实验目的1、学会用末端淬火法测定钢的淬透性曲线。
2、学会确定钢的“临界淬透直径”的方法。
二、实验内容：1、概述：钢的淬透性是指钢在淬火时所能得到的淬硬层深度大小的能力，淬硬层是指有钢的表面至半马氏体区的深度。
它决定了钢淬火后，从表面到心部硬度的分布情况。
它是钢的一种热处理工艺性能，它已成为机械设计时合理的选择钢材和生产上正确制定热处理工艺的主要依据之一。
半马氏体区的深度取决于钢的含碳量，图5—1为不同含碳量的碳钢的半马氏体的硬度。
由图可知半马氏体区的深度随含碳量的增加而有规律性的提高。
按国家标准规定淬透性的测定方法有以下两种：1）、碳素工具钢淬透性试验法（GB227—63）；按断口状态评定淬透性的一种方法2）、结构钢末端淬透性试验法（GB225—63）。
适用于碳素及一般合金结构钢。
本实验为结构钢末端淬透性试验。
图5—1 图5—2 图5—3（1）、碳素工具钢淬透性试验法（GB227—63）；按断口状态评定淬透性的一种方法，（2）、结构钢末端淬透性试验法（GB225—63）。
适用于碳素及一般合金结构钢。
本实验为结构钢末端淬透性试验。
2、末端淬透性实验法：末端淬透性试验通常用于测定碳素结构钢及一般合金结构钢的淬透性供实验用的试样，在标准中已作了规定，其尺寸与加工精度如图5—2所示：试样放在控温准确的电炉中加热，淬火加热温度应与该钢种标准技术条件中规定的淬火温度为准，保温时间为30分钟。
加热试样自炉内取出至水淬开始时间不得超过5秒钟淬火时试样应放在特殊支架上冷却，如图5—3所示。
试样支架必须保证在淬火过程水柱垂直向上喷射在试样末中心部位，试样顶端至喷水口距离为12.5毫米，喷水口直径为12.5毫米，在淬火过程中注意不能让水溅到试样侧面。
为了保证冷却条件一致，必须事先调整好水柱的自由高度65±10毫米，支架上有水应事先擦干，淬火过程中水压要稳定，水淬时间不得少于10分钟。
实验钢的淬透性测定一:定义：钢的淬透性——指钢材被淬透的能力，或者说钢的淬透性是指表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。
应该注意，钢的淬透性与可硬性两个概念的区别。
淬透性系指淬火时获得马氏体难易程度。
它主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关，或者说与钢的临界淬火冷却速度有关，可硬性指淬成马氏体可能得到的硬度，因此它主要和钢中含碳量有关。
二：淬透性影响因素1：钢的化学成分：a）：当加热温度低于Acm点时，含C量低于1％以下，随含碳量增加，临界冷却速度下降，淬透性提高，含C量高于1％时，则相反，当加热温度高于Ac3或Acm时，则随含碳量增加，临界冷却速度下降。
b）：合金元素除Ti，Zr，和Co外所有元素提高淬透性。
2：奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。
3：奥氏体化温度：提高奥氏体化温度，不仅使奥氏体晶粒粗大，促使碳化物及其它非金属夹杂物流入，并使奥氏体成分均匀化，提高过冷奥氏体稳定性，从而提高淬透性。
4：第二相及其分布:奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。
三：淬透性的实验测定方法有两种方法，一种是临界直径法，另一种是端淬法。
1．临界直径法一组由被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定淬火条件(加热温度，冷却介质)进行淬火，然后在中间部位垂直于轴线截断，经磨光，制成粗晶试样后，沿着直径方向瞄定自表面至心部的硬度分布曲线。
发现随着试样直径增加，心的出现暗色易腐蚀区，表面为亮圈，且随着直径的继续增大，暗区愈来愈大，亮圈愈来凶小。
若与硬度分布曲线对应地观察，则该二区的分界线正好是硬度变化最大部位；若观察金相组织，则正好是50％马氏体和非马氏体的混合组织区，愈向外靠近表面，马氏体愈多，向里则马氏体急剧减少。
分界线上的硬度代表马氏体区的硬度，格罗斯曼(Gmssmann)将此硬度称为临界硬度或半马氏体硬度。
亮区就是淬硬层，暗区就是未淬硬层，把未出现暗区的最大试样直径称为淬火临界直径，则其含义为该种钢在该种淬火介质中能够完全淬透的最大直径。
(3)钢的淬透性淬透性是钢的主要热处理工艺性能，它对合理选用材料及正确制定热处理工艺，具有十分重要的意义。
1)淬透性的概念淬透性，从组织上讲，是指钢淬火时全部或部分地获得马氏体组织的难易程度;从硬度上讲，是指钢淬火时获得较深淬硬层或中心被淬硬(淬透)的能力。
淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。
从理论上讲，淬硬层深度应是工件整个截面上全部淬成马氏体的深度。
但实际上，一般规定从工件表面向里至半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半处)的垂直距离作为有效淬硬层深度。
用半马氏体处作淬硬层界限，只要测出截面上半马氏体硬度值的位置，即可确定出淬硬层深图 3-22 工件淬透层深度与冷却速度的关系示意图度。
零件淬火所能获得的淬硬层深度是变化的，随钢的淬透性、零件尺寸和形状以及工艺规范的不同而变化。
实际淬火工作中，如果整个截面都得到马氏体，即表明工件已淬透。
但大的工件经常是表面淬成了马氏体，而心部未得到马氏体，这是因为淬火时，表层冷却速度大于临界冷却速度V而K心部小于V的缘故，如图3-22所示。
K2)注意区分两对易混淆的概念?淬透性与淬硬性的区别淬透性:表明钢淬火时获得马氏体的能力。
过过冷奥氏体越稳定，C曲线越向右移，马氏体临界冷却速度V越小，钢的淬透性越好(越高)。
它主要取决于奥氏体合金含量。
k淬硬性:表示钢淬火后能达到最高硬度的能力。
淬火后硬度越高，淬硬性越好(越高)。
它主要取决于马氏体碳的质量分数，合金元素含量对淬硬性没有显著影响。
所以说，淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。
例题1:比较T10 、20CrMnTi 、40Cr 三种钢的淬透性和淬硬性的高低。
请选择: 最高较高最低T10 20CrMnTi 40Cr最低最高较高淬透性最高最低较高淬硬性?淬透性和具体条件下具体零件的淬透层深度的区别在同样奥氏体条件下，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层深度相同。
钢的淬透层深度与钢的临界冷却速度、工件的截面尺寸和介质的冷却能力有关。
端淬试验机测定钢淬透性的方法
一、试验要求
1.了解测定淬透性的一般方法；
2.熟悉并利用端淬试验法测定钢的淬透性；
3.建立淬透性的概念及对热处理工艺的作用。
二、试验原理
钢的淬透性是表示钢获得马氏体的能力，是钢本身所固有的属性。
淬透性与淬硬性是两个概念，淬硬性是钢的表面由于马氏体转变所能得到最大硬度，它与钢的含碳量有关。
在生产实践中人们通常把工件表面到半马氏体组织区域的深度作为淬透层深度。
钢的淬透性与淬火临界冷却速度有着密切的关系，而淬火临界冷却速度的大小又取决于钢的过冷奥氏体的稳定性，因此，凡是影响过冷奥氏体稳定性的诸因素，都会影响钢的淬透性。
淬透性的大小对钢材热处理的机械性能有很大的影响。
如果工件被淬透了，则表里的组织和性能均匀一致，能充分发挥钢的机械性能的潜力，如工件未淬透，则表面的组织和性能存在差异，经回火后的屈服强度和冲击韧性较低。
造成这种差别的重要原因在于：在淬火时，中心未淬透部分形成了非马氏体组织，回火后仍保持其片状组织特性；而在表面获得马氏体的部分，经回火后为粒状碳化物分布在铁素体基体上的混合组织，综合性能较好。
由上所述，淬透性的大小对钢材的合理选用及热处理工艺的正确制定都是十分重要的。
目前，测定钢的淬透性方法很多，常用的方法有两种：
三、淬透性的测定
1.断口法：
从淬透层和未淬透层的宏观断口观察，可以较明显的分成两部分，淬透层呈暗黑色。
从硬度分布来看，因为碳钢的半马氏体区的硬度与碳含量有关（合金钢的半马氏体硬度一般比碳钢略高一些）见表1
不同含碳量半马氏体区硬度表一
含碳量％半马氏体区硬度HRC 含碳量％半马氏体区硬度HRC
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 —
32
35
39
44
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
47
51
53
54
—
在同样尺寸同样冷却条件下，通过硬度测定，可以测出不同钢由表层至至中心的硬度分布情况，比较它们截面上硬度分布曲线，就可以知道它们淬透层的深度及淬透性的好坏，图1为φ50毫米的40Cr钢与40＃钢水淬后的截面硬度分布曲线。
图1φ50毫米的40Cr钢与40钢水淬后截面硬度分布曲线
2、端淬试验
将欲测定淬透性的钢做成标准尺寸（φ25×100）的试样，将其加热到奥氏体化后，迅速放到端淬试验的设备上，如图2，以水喷射试样的下端，试样逐渐冷却。
采用端淬试验法测定钢的淬透性，通常适用于碳素钢及一般合金钢，并已标准化。
图2 端淬试验示意图
试样用料坯在车取试样前，应先经正火处理，要用时，试样截取制备根据GB225-2006规定进行。
试验方法：试样应在温度准确的箱式电炉中加热，加热炉内应有保护气氛或将试样放入钢管与钢板焊成的圆筒内加热，如图3所示。
图3 试样装入钢筒内的剖面图
试验时圆筒部铺以少量石墨粉和生铁屑，亦可以将试样垂直放入铺有石墨板（粉）或生铁屑有盖的铁盒内，以防止试样表面氧化脱碳。
试样加热至钢的端淬温度后，保温30分钟后，取出进行末端淬火。
试样自炉内取出至水淬开始时间不得超过5秒钟。
水淬试样应处于静止的空气中，水淬时间应大于10分钟。
端淬温度应从该钢种标准技术条件中对该钢号所规定的淬火温度为准。
淬火用的试样支架应保证在淬火过程中，试样的轴线对准喷水口的中心线。
试样末端至喷水口的距离为12.5毫米，喷水口的直径为12.5毫米。
试验前调节水门，使水柱由喷水口向上冒出的自由高度为65±5毫米。
调节完毕后试样支架有水应擦干，淬火时水压应固定，使喷出的水柱高度稳定不变。
试样淬火后圆柱表面在相对180。
的两边磨去0.2～0.5毫米的深度，以获得两相互平行的平面。
磨制的过程中试样不应发生回火现象。
然后每隔1.5毫米测一次硬度HRC。
当硬度底于半马氏体硬度，硬度下降趋于平衡时，可每隔3毫米测量一次，直至离末端需要的位置为止。
以硬度值（HRC）作纵坐标，以距末端淬火的距离（毫米）作横坐标，按互相平行的平面上各点所测得的硬度平均值和其相对应的距淬火末端距离绘制淬透性曲线。
见下面淬透性
记录图4。
端淬法测定淬透性通常不以临界直径表示，而以半马氏体区至末端距离表示。
图4 淬透性记录图表40Cr
钢材的淬透性值以J（HRC/d）表示，d——表示距淬火末端距离HRC为该处测得的硬度值。
必要时可采用较小尺寸或其它形状试样作淬透性试验，表2所列为国家标准尺寸推荐采用的试样。
应该指出端淬试样法对高淬透性钢和低淬透性钢均不适用，对高淬透性钢和低淬透性钢另有专门的测定方法。
此外碳素工具钢淬透性的试验方法另有国家标准GB227-63。
表二推荐采用的小尺寸试样
试样
保温时间
（分）喷水口直径（mm）
自由水柱高度
（mm）
喷水口至试样
端面间的距离
（mm）
直径（mm）头部直径
（mm）
长度
（mm）
20 25 100 30 12.5 65±5 12.5
12 17 100 15 6 100±5 10
四、试验用材料
1、45#钢和40Cr钢φ25×100毫米端淬试样
2、电阻箱式电炉
3、端淬试验机
4、钢筒、石墨粉或生铁屑
5、洛氏硬度计
五、试验报告要求：
1、试验数据整理，将实验结果列表
2、按试验数据作出：45#，40Cr钢端淬曲线图
3、比较45#钢和40Cr钢淬透性，并讨论合金元素的影响
4、在试验中遇到什么问题，怎样解决的？
碳钢及合金钢的M和半M组织的硬度与含G的关系
含G% M硬度HRC 碳钢半M硬度HRC 合金钢半M硬度
0.1 20—30 ——
0.2 39—46 32 32—37
0.3 49—55 35 35—40
0.4 54—60 39 39—44
0.5 58—62 44 44—49
0.6 61—64 47 47—52
0.7 62—66 51 51—56
0.8 63—67 53 53—58
0.9 64—67 54 54—59
1.0 65—67 ——。
