钢淬透性和淬硬性的教学实践

2019-07-31程正翠

教育教学论坛 2019年30期

程正翠

摘要：通过对淬透性和淬硬性这两个概念进行对比、分析并归纳，就在教学过程中如何避免学生对这两个概念混淆进行探讨。通过案例教学，分析了淬透性和淬硬性在机械过程中材料选择和热处理工艺确定中的应用，提高了学生参与教学的积极性与求知兴趣。

关键词：淬透性；淬硬性；教学实践

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）30-0155-02

淬火是钢铁热处理重要的工艺环节，对保证机械零件的性能起到关键的作用，也是机械类专业学习的重要内容之一。淬透性和淬硬性是评价钢铁材料淬火特性的重要指标，是机械设计过程中材料选择及正确制定热处理工艺的依据。对于初学者来说，淬透性和淬硬性两个术语听起来仅仅相差一个字，极易混淆，但两者之间有本质的区别。教学过程中将这两个概念讲好，对于学生的理解和将来工作中解决问题都非常必要。

一、淬透性和淬硬性比较

1.淬透性和淬硬性的内涵。淬透性指钢铁材料经高温加热发生相变而后快速冷却过程中自表层计算，多少深度范围能够得到马氏体组织，即钢铁材料的淬火时获得马氏体的能力的特性。淬透性主要与钢铁材料中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。淬硬性指钢铁材料经高温加热淬火后，相变形成马氏体组织所得到的硬度，主要表征工件在横截面上能获得一定硬度值的能力。淬硬性表示钢铁材料在淬火时获得硬度高低的能力，将不同材料的淬硬性进行比较时，只需对其获得的最高硬度进行比较即可。因此，淬硬性指材料能够获得的最大硬度值，受工艺条件的影响，一般情况下不一定能够达到最大硬度指标。

2.影响因素。淬透性主要受钢的临界淬火冷却速度Vk的影响。对淬透性影响较大的是钢中碳元素的含量，当C%小于0.77%时，随着奥氏体中碳浓度的提高，显著降低Vk，C曲线右移，钢的淬透性增大；当C%大于0.77%时，钢的Vk反而升高，C曲线左移，淬透性下降。合金钢的淬透性一般高于相同碳含量的碳素钢。奥氏体的实际晶粒度对钢的淬透性有较大的影响，奥氏体晶粒粗大能使C曲线右移，降低钢的Vk。在冷却速度相同条件下，奥氏体成分越均匀，珠光体的形核率就越低，C曲线右移，降低Vk，钢的淬透性越高。钢的原始组织的粗细和分布对奥氏体的成分将有重大影响。

淬硬性主要与钢中含碳量有关。马氏体中碳含量越高，淬火后的马氏体晶格畸变越严重；马氏体硬度越高，淬硬性也就越高。

3.测试方法。淬透性一般可采用临界直径法和端淬法进行测试。一些钢铁材料的临界直径可以通过采用油中或水做淬火介质，测定心部得到50%马氏体组织的方法进行淬透性试验评价。端淬法早在1938年就有人建议采用，国外经常称其为“Jominy”端淬法，是目前测定钢的淬透性最常用的方法。我国国家标准《淬透性的末端淬火试验方法》GB/T225-2006对这种方法有明确的要求。

淬硬性的测试一般采用形状、尺寸相同的一批试样，在不同的条件下淬火时，分别测试试样的硬度数值，所测得的硬度值中的最高硬度值，即为此种钢的淬硬性的指标。可参考的标准有《钢的淬硬性测定方法》SAE J406-2009和《钢淬硬性测定的标准试验方法》ASTM A255-2007。

4.工程应用。淬透性是零件选材和热处理工艺制定的主要依据。在机械设计中，依据淬透性曲线，可以求出获得半马氏体硬度对应的直径，从而依据工件服役时承受的应力选择合适的材料。在进行汽车转向节设计时，已知转向节的直径为60mm，技术要求淬火后表面硬度≥HRC50，距离表面1/4R处硬度≥HRC45，通过对各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。根据淬透性资料，可以预测淬火后的硬度，选择合适的淬火介质，控制工件淬火过程中的冷却。对于淬透性好的材料，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。对于截面尺寸大、形状复杂的零件，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进行制作。对于承受弯曲或扭转应力的工件，其应力集中于表面，心部受力小，应选用淬透性较低的钢。对于淬透性高的钢材在焊缝热影响区容易产生马氏体组织及淬火裂纹，焊接工件变形和开裂的风险增大，因此，在进行焊接工件设计时，应尽量选用淬透性低的材料。对于工件在服役过程中所受应力复杂，有时还会承受冲击载荷，对其工作部分不要求完全淬透，可选用淬透性低的材料，降低工件在服役过程中失效的风险。

淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。如低碳合金钢的淬透性相当好，但它的淬硬性却不高，再如高碳工具钢的淬透性较差，但其淬硬性高。在机械设计中，有时也会按淬硬性选择材料。根据零件实际工作中的硬度要求，按含碳量的多少进行选材。对于承受磨损的工件如工具、量具和模具，因其工作时承受磨损，故工件淬火后要求具有高硬度，因而选用高碳钢。淬硬性也是热处理工艺评价的重要参考，用于检验淬火工艺是否合格。

在机械设计中，有时需要提示考虑淬透性和淬硬性。比如齿轮在服役过程中，齿面承受交变应力、冲击载荷及磨损，要求具有高的硬度；而齿轮整体要求具有一定的强度和韧性。为满足齿轮服役要求，一般选用20GrMnTi并进行渗碳处理，既保证整个零件的淬透性，又保证表面的淬硬性。

二、淬透性和淬硬性的教学

针对机械类专业学生的特点，在讲授淬火工艺时，先讲淬火工艺的重要性，引出淬透性和淬硬性的概念，对淬透性以及淬硬性相关的知识点加以归纳汇总，得到如下表格的形式来帮助学生进行有效理解，如表1所示。

在课程讲授过程中，分析汽车主轴、高速铁路用螺栓、齿轮在服役过程中的受力特点，使用性能要求，材料选择和热處理工艺制定依据，说明淬透性和淬硬性分别在机械设计中的应用，通过比较，使学生对这两个概念有清晰的认识，理解淬透性和淬硬性在工程上的不同应用。

三、结语

综上分析，通过对淬透性与淬硬性两个术语的比较，明确了其在内涵、影响因素、测试方法和工程应用方面的不同，设计了相互比较的表格，在教学过程中使学生易于理解与掌握。在教学过程中引入实际案例，提高了学生参与教学的积极性与求知兴趣。

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