鋼淬透性和淬硬性的教學實踐

程正翠

摘要：通過對淬透性和淬硬性這兩個概念進行對比、分析并歸納，就在教學過程中如何避免學生對這兩個概念混淆進行探討。通過案例教學，分析了淬透性和淬硬性在機械過程中材料選擇和熱處理工藝確定中的應用，提高了學生參與教學的積極性與求知興趣。

關鍵詞：淬透性；淬硬性；教學實踐

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）30-0155-02

淬火是鋼鐵熱處理重要的工藝環(huán)節(jié)，對保證機械零件的性能起到關鍵的作用，也是機械類專業(yè)學習的重要內(nèi)容之一。淬透性和淬硬性是評價鋼鐵材料淬火特性的重要指標，是機械設計過程中材料選擇及正確制定熱處理工藝的依據(jù)。對于初學者來說，淬透性和淬硬性兩個術語聽起來僅僅相差一個字，極易混淆，但兩者之間有本質(zhì)的區(qū)別。教學過程中將這兩個概念講好，對于學生的理解和將來工作中解決問題都非常必要。

一、淬透性和淬硬性比較

1.淬透性和淬硬性的內(nèi)涵。淬透性指鋼鐵材料經(jīng)高溫加熱發(fā)生相變而后快速冷卻過程中自表層計算，多少深度范圍能夠得到馬氏體組織，即鋼鐵材料的淬火時獲得馬氏體的能力的特性。淬透性主要與鋼鐵材料中過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關，或者說與鋼的臨界淬火冷卻速度有關。淬硬性指鋼鐵材料經(jīng)高溫加熱淬火后，相變形成馬氏體組織所得到的硬度，主要表征工件在橫截面上能獲得一定硬度值的能力。淬硬性表示鋼鐵材料在淬火時獲得硬度高低的能力，將不同材料的淬硬性進行比較時，只需對其獲得的最高硬度進行比較即可。因此，淬硬性指材料能夠獲得的最大硬度值，受工藝條件的影響，一般情況下不一定能夠達到最大硬度指標。

2.影響因素。淬透性主要受鋼的臨界淬火冷卻速度Vk的影響。對淬透性影響較大的是鋼中碳元素的含量，當C%小于0.77%時，隨著奧氏體中碳濃度的提高，顯著降低Vk，C曲線右移，鋼的淬透性增大；當C%大于0.77%時，鋼的Vk反而升高，C曲線左移，淬透性下降。合金鋼的淬透性一般高于相同碳含量的碳素鋼。奧氏體的實際晶粒度對鋼的淬透性有較大的影響，奧氏體晶粒粗大能使C曲線右移，降低鋼的Vk。在冷卻速度相同條件下，奧氏體成分越均勻，珠光體的形核率就越低，C曲線右移，降低Vk，鋼的淬透性越高。鋼的原始組織的粗細和分布對奧氏體的成分將有重大影響。

淬硬性主要與鋼中含碳量有關。馬氏體中碳含量越高，淬火后的馬氏體晶格畸變越嚴重；馬氏體硬度越高，淬硬性也就越高。

3.測試方法。淬透性一般可采用臨界直徑法和端淬法進行測試。一些鋼鐵材料的臨界直徑可以通過采用油中或水做淬火介質(zhì)，測定心部得到50%馬氏體組織的方法進行淬透性試驗評價。端淬法早在1938年就有人建議采用，國外經(jīng)常稱其為“Jominy”端淬法，是目前測定鋼的淬透性最常用的方法。我國國家標準《淬透性的末端淬火試驗方法》GB/T225-2006對這種方法有明確的要求。

淬硬性的測試一般采用形狀、尺寸相同的一批試樣，在不同的條件下淬火時，分別測試試樣的硬度數(shù)值，所測得的硬度值中的最高硬度值，即為此種鋼的淬硬性的指標?？蓞⒖嫉臉藴视小朵摰拇阌残詼y定方法》SAE J406-2009和《鋼淬硬性測定的標準試驗方法》ASTM A255-2007。

4.工程應用。淬透性是零件選材和熱處理工藝制定的主要依據(jù)。在機械設計中，依據(jù)淬透性曲線，可以求出獲得半馬氏體硬度對應的直徑，從而依據(jù)工件服役時承受的應力選擇合適的材料。在進行汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設計時，已知轉(zhuǎn)向節(jié)的直徑為60mm，技術要求淬火后表面硬度≥HRC50，距離表面1/4R處硬度≥HRC45，通過對各種鋼材的淬透性曲線，發(fā)現(xiàn)40CrMn鋼淬透性曲線能滿足要求。因此，選用40CrMn鋼作為該零件材料較為合理。根據(jù)淬透性資料，可以預測淬火后的硬度，選擇合適的淬火介質(zhì)，控制工件淬火過程中的冷卻。對于淬透性好的材料，在淬火時可采用比較緩和的淬火介質(zhì)，減少工件的變形及開裂傾向。對于截面尺寸大、形狀復雜的零件，要求零件的表面和心部機械性能一致，都應選用淬透性高的材料進行制作。對于承受彎曲或扭轉(zhuǎn)應力的工件，其應力集中于表面，心部受力小，應選用淬透性較低的鋼。對于淬透性高的鋼材在焊縫熱影響區(qū)容易產(chǎn)生馬氏體組織及淬火裂紋，焊接工件變形和開裂的風險增大，因此，在進行焊接工件設計時，應盡量選用淬透性低的材料。對于工件在服役過程中所受應力復雜，有時還會承受沖擊載荷，對其工作部分不要求完全淬透，可選用淬透性低的材料，降低工件在服役過程中失效的風險。

淬透性好的鋼，其淬硬性不一定高。如低碳合金鋼的淬透性相當好，但它的淬硬性卻不高，再如高碳工具鋼的淬透性較差，但其淬硬性高。在機械設計中，有時也會按淬硬性選擇材料。根據(jù)零件實際工作中的硬度要求，按含碳量的多少進行選材。對于承受磨損的工件如工具、量具和模具，因其工作時承受磨損，故工件淬火后要求具有高硬度，因而選用高碳鋼。淬硬性也是熱處理工藝評價的重要參考，用于檢驗淬火工藝是否合格。

在機械設計中，有時需要提示考慮淬透性和淬硬性。比如齒輪在服役過程中，齒面承受交變應力、沖擊載荷及磨損，要求具有高的硬度；而齒輪整體要求具有一定的強度和韌性。為滿足齒輪服役要求，一般選用20GrMnTi并進行滲碳處理，既保證整個零件的淬透性，又保證表面的淬硬性。

二、淬透性和淬硬性的教學

針對機械類專業(yè)學生的特點，在講授淬火工藝時，先講淬火工藝的重要性，引出淬透性和淬硬性的概念，對淬透性以及淬硬性相關的知識點加以歸納匯總，得到如下表格的形式來幫助學生進行有效理解，如表1所示。

在課程講授過程中，分析汽車主軸、高速鐵路用螺栓、齒輪在服役過程中的受力特點，使用性能要求，材料選擇和熱處理工藝制定依據(jù)，說明淬透性和淬硬性分別在機械設計中的應用，通過比較，使學生對這兩個概念有清晰的認識，理解淬透性和淬硬性在工程上的不同應用。

三、結(jié)語

綜上分析，通過對淬透性與淬硬性兩個術語的比較，明確了其在內(nèi)涵、影響因素、測試方法和工程應用方面的不同，設計了相互比較的表格，在教學過程中使學生易于理解與掌握。在教學過程中引入實際案例，提高了學生參與教學的積極性與求知興趣。

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