钢淬透性

许多类型的钢必须称为淬火热处理的方法的有益的应答。一个在工件材料的选择过程中的最重要的标准是淬透性。淬透性描述了如何深的金属可以在从高温淬火硬化,也可以作为硬化深度提及。

钢在微观尺度:

钢的分类的在微观水平上的第一层是它们的晶体结构,其中原子的空间排列方式。体心立方(BCC)和面心立方(FCC)结构是金属结晶结构的实例。BCC和FCC晶体结构的实例可以在下面在图1请注意,在图1中的图像是为了显示的原子位置和该原子之间的距离是夸大了待观察。

图1:(左)FCC一BCC晶体结构的实施例和晶体结构(右)

分类的一个新的水平是一个阶段。一个是具有相同的物理和化学性质的材料的均匀部分。钢铁有3周不同的阶段:

  1. 奥氏体:面心立方铁;还具有的FCC晶体结构铁和钢合金。
  2. 铁素体:体心具有一BCC晶体结构立方铁和钢合金。
  3. 渗碳:碳化铁(铁3C)

本文所讨论的分类的最终水平的微观结构。上方看到的三个阶段可以被组合以形成钢的不同的微观结构。这些微结构和它们的普通的机械性能的实例显示如下:

  • 马氏体:最难的,实力最强的组织,但最脆
  • 珍珠岩:坚硬,结实,和球墨铸铁但不是特别强硬
  • 贝氏体:具有所需的强度 - 延展性的组合,比珠光体较硬但并不难,因为马氏体

在硬化微观尺度:

钢的淬透是材料,其他合金元素的碳含量的函数,和奥氏体的晶粒尺寸。奥氏体是γ相铁和在高温下其原子结构经历从BCC配置到FCC结构的过渡。

高的淬透是指合金的淬火时产生整个材料的主体中的高百分比的马氏体的能力。硬化钢是由从高温快速冷却材料而产生。这包括从100%的奥氏体状态到马氏体高比例的快速转变。如果钢是超过0.15%的碳,马氏体成为高应变体心立方形式,并且过饱和的碳。碳有效地关闭最滑移面的组织内,创造一个非常硬而脆的材料。如果冷却速度不够快,碳会扩散的奥氏体相出来。钢然后变为珠光体,贝氏体,或者如果保持足够热长,铁素体。刚才所说的微结构都没有相同的强度回火后的马氏体,并且通常被视为不利于大多数应用。

钢的成功热处理取决于三个因素:

  1. 试样的尺寸和形状
  2. 所述钢的组成
  3. 淬火的方法

1.尺寸和试样的形状

在淬火过程中,热量必须被传递到样品的表面之前可以耗散到骤冷介质。因此,速率试样冷却时的内部是取决于其表面积与体积之比。较大的比例,更迅速的标本将冷却,并且因此越深硬化效果。例如,具有1英寸直径3英寸的圆柱棒将具有比具有1.5英寸的直径3英寸的条更高的淬透性。由于这一效应,更多的角部和边缘部分是更易于进行由比普通和圆的形状淬火硬化。图2是一个示例的时间 - 温度转变(TTT)油淬95毫米棒的冷却曲线的图。表面将变成100%的马氏体,而核心将含有一些贝氏体和因此具有较低的硬度。

图2:样品时间温度转变(TTT)图也被称为等温转变图

2.在钢的组合物

重要的是要记住,钢的不同合金含有不同的元素组成很重要。钢内相对于铁的量的这些元素的比例产生各种各样的机械性能。增加的碳含量使得钢硬,更强,但延展性较小。在铬的不锈钢的主要合金元素,这使金属其较强的耐腐蚀性。由于人类已与钢的组成超过一千年摆弄为,组合的数目是无限的。

因为有产生如此多的不同的机械性能,从而许多组合,标准化测试是用来帮助分类不同类型的钢。用于淬透性的常见测试是淬试验,在下面图3中所示。在该试验材料的一个标准块被加热直到它是100%的奥氏体。该块然后快速地移动到其被水淬的装置。表面上,或在与水接触的区域,立即冷却和冷却速度下降作为距离从表面的功能。然后,扁平被研磨到沿所述样品的长度的块。在各个点处的硬度沿着该平坦测量。然后,该数据与硬度为y轴和距离作为x轴的淬透性图表中绘出。

图3:一个端淬端淬火试样的图安装淬火(左)和后硬度测试过程中(右)

淬透性曲线从端淬试验的结果构成。一些钢合金曲线的实例显示在图4.具有减少冷却速率(在硬度在短距离内更陡的下降),更多的时间被允许用于碳扩散和较软的珠光体的更大比例的形成。这意味着更少的马氏体和下淬透性。,超过保留更高的硬度值相对长的距离的材料被认为是高度可硬化。此外,更大的两个端部之间的硬度差时,降低淬透性。这是典型的淬透性的曲线,随着从淬火端的距离增加,冷却速度降低。1040钢最初具有相同的硬度既4140和4340,但冷却时极其快速地在样品的长度。4140和4340以更平缓的速度钢凉爽,并因此具有较高的淬透性。4340具有相对于4140凉意的不太极端的速率和因此具有三人的最高淬透性。

图4:淬透性的图表为4140,1040和4340钢

淬透性的曲线依赖于碳含量。在钢中存在的碳的更大百分比将增加其硬度。应当指出的是,所有三种合金在图4中含有的碳(0.40%C)的相同的量。碳是不是可以对淬透性效果的唯一合金元素。在这三个钢淬透性之间的行为差​​异可以在其合金元素来解释。下面示出的表1中的每个的钢的合金含量的比较。1040是一个普通碳钢,并且因此具有最低的淬透性,因为有除了铁没有其它元件阻挡来自逸出基质中的碳原子。加入到4340镍允许相比4140马氏体以形成稍大量,赋予它这三种合金的淬透性最高。大多数金属的合金元素减慢珠光体,铁素体和贝氏体的生成,因此它们增加钢的淬透性。

表1:显示4340,4140和1040钢合金化内容

钢类型: 镍(重量%): 钼(重量%): 铬(重量%):
4340 1.85% 0.25% 0.80%
4140 0.00% 0.20% 1.00%
1040 0.00% 0.00% 0.00%

可以有一种材料组内的淬透性的变化。在工业生产的钢,有总是在元素组成和平均粒径从一个批次到另一个轻微不可避免的变化。大部分时间的材料的淬透性是通过设定为限制最大和最小曲线表示。

淬透性也随奥氏体晶粒尺寸增加。甲晶粒是在多晶金属的单个晶体。认为一个彩色玻璃窗口的(如一个如下所示),则有色玻璃而将焊接材料保持它完全将是晶界是谷物。奥氏体,铁素体,渗碳体都是不同类型的颗粒组成钢的不同的微观结构。它是在晶界的珠光体和贝氏体将形成。这是不利的硬化过程马氏体所需的微观结构,其它类型的在其成长的方式获得。从奥氏体晶粒及其转变过程的快速冷却马氏体形式仍不能很好地理解。随着晶粒尺寸,有更多的奥氏体晶粒和较少的晶粒边界。因此,也有像珠光体和贝氏体组织形式和更多的机会为马氏体形式的机会更少。

图5:五颜六色玻璃片表示奥氏体晶粒,其变换成在淬火马氏体可取。在颜色部分之间的黑色部分表示晶界。网站,珠光体或贝氏体将形成在淬火。

3.淬火的方法

如前所述,骤冷的类型会影响冷却速度。使用油,水,水性聚合物淬火剂,或空气将通过该工件的内部产生不同的硬度。这也转移淬透性曲线。水产生的最严重的淬火其次是石油,然后在空气。水性聚合物淬火剂提供那些的水和油之间的淬火速率,并且可以通过改变聚合物的浓度和温度适合于具体应用。搅拌的程度也影响散热的速度。横跨试样越快淬火介质移动时,淬火效果越大。油急冷通常用于当一个水骤冷可以用于处理后一类型的钢,因为它可能开裂或翘曲的太严重。

图6:辰淬火铸件在油浴中

切削淬硬钢:

应当选择用于选择用于在硬化后加工工件的处理工具的切割器的类型取决于几个不同的变量。不计算几何的要求具体到应用中,两个最重要的变量是材料硬度和淬透性。一些相对高应力应用需要在整个工件内部被产生的最小80%的马氏体的。通常情况下,中等应力零件只需要大约整个工件50%的马氏体。当加工淬火金属具有非常低的淬透性标准包衣固体硬质合金工具可能工作没有问题。这是因为工件的最难的部分被限制在其表面上。加工具有高的淬透性钢时,建议您使用切割机具有专门几何这是针对特定的应用程序。淬透性高会导致在工件中,是很难在其整个体积。哈维工具具有一些不同的切割机硬化钢整个目录,包括钻头,端铣刀,键槽切割器,和雕刻的。

摘要:

淬透性,其的铁基合金可以由马氏体的形成在其整个体积,表面到芯被硬化深度的度量。这是你选择的钢时必须考虑的,也是一个重要的物质属性切削工具的具体应用。任何钢的硬化取决于大小和部件的形状,使钢的分子组成,并且用于淬火方法的类型。

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