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Jominy淬火试验是测量钢淬火性的标准方法

作者:硬度计服务商创诚致佳
发布时间:2020-10-10
内容摘要:要选择合金钢和热处理的适当组合,以使不同尺寸的制造部件中的热应力和变形最小化,必须具备有关钢的淬透性的知识。Jominy淬火试验是测量钢的淬透性的标准方法。这描述了通过淬火深度硬化钢的能力。淬透性取决于钢的化学成分,还可能会受到先前加工条件(例如奥氏体化温度)的影响。不仅有必要了解测试提供的基本信息,而且...

要选择合金钢和热处理的适当组合,以使不同尺寸的制造部件中的热应力和变形最小化,必须具备有关钢的淬透性的知识。Jominy淬火试验是测量钢的淬透性的标准方法。这描述了通过淬火深度硬化钢的能力。淬透性取决于钢的化学成分,还可能会受到先前加工条件(例如奥氏体化温度)的影响。不仅有必要了解测试提供的基本信息,而且还需要确定如何从Jominy测试获得的信息可用于了解合金在钢中的作用和钢的显微组织

 

淬透性

淬透性是钢在高温下在给定条件下冷却时,在表面以下给定深度处从奥氏体部分或完全转变成马氏体的一部分的能力。淬火和回火热处理使用此相变来硬化钢。对马氏体组织进行回火可以使钢具有良好的强度和韧性组合。不回火,马氏体坚硬但易碎。端淬硬度计

为待热处理的部件选择钢时,重要的是要了解其淬透性。合金化和微观结构都会影响淬透性,因此可以选择正确的钢和淬火速率。钢材的预先加工也会影响组织,应予以考虑。

考虑到钢的奥氏体相在从高温冷却后可以转变成马氏体(图1a)或铁素体和珠光体的混合物(图1b),可以理解钢的硬化。

铁氧体/珠光体反应涉及扩散,这需要时间。但是,马氏体相变不涉及扩散并且基本上是瞬时的。这两个反应是竞争性的,如果冷却速度足够快以避免铁素体和珠光体的形成较慢,则会获得马氏体。在合金钢中,铁素体/珠光体的反应会进一步减慢,这允许使用较低的冷却速率获得马氏体。可以类似的方式理解到另一种可能相(贝氏体)的转变。

淬透性描述了钢在给定条件下深度硬化的能力。例如,在诸如油淬的相对缓慢的冷却下,高淬透性的钢可转变成高分数的马氏体至几毫米的深度。相比之下,即使在相当快速的冷却(例如水淬)下,低淬透性钢也只能形成高比例的马氏体,深度小于1mm。

需要具有高淬透性的钢来制造大型高强度组件(例如,用于聚合物注塑成型的大型挤出机螺杆,用于破碎锤的活塞,矿井支架和飞机底盘)以及小型,高精度组件(例如,铸造硬币的模具,钻头和压力机)。

可以用于高淬透性钢的较慢冷却速率可以减少热应力和变形。具有低淬透性的钢可用于较小的部件,例如凿子和剪切机,或用于表面淬硬的部件,例如齿轮,其中希望在芯部保持铁素体/珠光体的显微组织以提高韧性。Jominy淬火试验是测量钢的淬透性的标准方法。[1]

 

测试细节

测试样品是一个100毫米(4英寸)长x 25.4毫米(1英寸)直径的圆柱体(图2a)。对钢样品进行标准化处理(以消除由于先前的热加工而导致的微观结构差异),然后通常在800-925°C(1470-1700°F)的温度下进行奥氏体化。将测试样品迅速转移到测试夹具(图2b),该夹具通过将受控的水流喷射到样品的一端上来淬火钢(图2c)。冷却速率沿样品的长度变化,从淬火的一端(水撞击到样品的一端)非常快,到另一端的空气冷却等慢的速率。

然后将圆形样品沿其长度在相反的侧面上平整打磨到至少0.38毫米(0.015英寸)的深度,以除去脱碳材料。应当注意,研磨不会加热样品,因为这会引起回火,从而使钢变软。

在距淬火端的间隔处测量硬度,对于合金钢,通常间隔为1.5毫米(0.062英寸),对于碳素钢,间隔为0.75毫米(0.031英寸),并从尽可能接近淬火端开始。硬度随着距淬火端的距离而降低。高硬度发生在大量马氏体形成的地方。较低的硬度表明已转变为贝氏体或铁素体/珠光体微结构。

硬度的测量通常使用Rockwell或Vickers硬度测试仪进行。[1-3]如有必要,可以使用转换表来关联不同的硬度等级[4,5],但应注意为钢使用正确的表。洛氏硬度和维氏硬度测试使金属变形的方式有所不同,结果会受到加工硬化的影响。淬透性是通过钢的硬度曲线(图3)来描述的,或更常见的是参考距淬火端特定距离处的硬度值。

 

淬透性值的使用

Jominy淬火试验的数据可用于确定特定钢是否可以在不同的淬火介质中针对不同的截面直径充分硬化。例如,距淬火端10毫米(0.390英寸)的距离处的冷却速率等于油淬火的28毫米(1.1英寸)直径杆的中心处的冷却速率。在此位置,Jominy试样中的马氏体完全转变,表明直径28毫米的钢筋可以通过淬火(即通过其整个厚度进行淬火)。

大型组件的直通硬化需要很高的淬透性。该数据可以使用CCT(连续冷却转变)图表示,[6]用于选择钢以适合部件尺寸和淬火介质(图4)。与表面较快的冷却速度相比,较大零件的核心的冷却速度较慢。在图3的示例中,表面将转变为马氏体,但核心将具有带有一些马氏体的贝氏体结构。通常选择较低的淬火速度以减少零件的变形和残余应力。参考文献6包含有关钢的热处理和性能的更多信息。

 

合金化和微结构的影响

Jominy淬火试验测量了微观结构(如晶粒尺寸和合金化)对钢的淬透性的影响。影响淬透性的主要合金元素是碳。包括Cr,Mn,Mo,Si和Ni的一组元素;和硼。[7]参考文献7包含有关钢的显微组织和冶金学的更多信息。

 

碳控制马氏体的硬度;增加碳含量可将钢的硬度提高到大约

0.6重量%的碳。然而,在较高的碳含量下,将马氏体形成的临界温度降低到较低的温度。当钢淬火到室温时,从奥氏体到马氏体的转变可能不完全,这导致残留的奥氏体。马氏体和奥氏体的这种复合微观结构导致钢的硬度降低,尽管马氏体相本身的硬度仍然很高(图5)。

碳还可以通过阻止珠光体和铁素体的形成来提高钢的淬透性。减慢该反应会鼓励以较低的冷却速率形成马氏体。但是,效果太小而不能普遍用于控制淬透性。此外,高碳钢在热处理期间易于变形和开裂,并且可能难以在热处理之前的退火条件下进行机加工。更常见的是使用其他元素控制淬透性,并使用小于0.4 wt。%的碳含量。

 

其他合金元素

Cr,Mo,Mn,Si,Ni和V阻碍了从奥氏体到铁素体和珠光体的相变。最常用的元素是Cr,Mo和Mn。延迟是由于在从奥氏体到铁素体和珠光体的扩散相变过程中需要重新分配合金元素。元素的溶解度在不同的相之间变化,并且新的生长相之间的界面不能在没有缓慢移动的元素扩散的情况下移动。不同元素之间存在非常复杂的相互作用,这也影响相变温度和最终的微观结构。因此,有时用碳当量来描述合金钢的成分,碳当量描述了所有元素对淬透性的影响程度。

 

硼是一种非常有效的合金元素,通常需要0.002-0.003 wt。%才能具有0.5 wt。%Mo的等效作用。只要添加足够的硼,硼的作用就与硼的量无关。在较低的碳含量下,硼的影响最大,通常与低碳钢一起使用。

硼对氧和氮具有很强的亲和力,并与之形成化合物。因此,硼仅在固溶状态下才会影响钢的淬透性。这要求添加“吸气”元素(例如铝和钛),使其优先与钢中的氧和氮反应。

 

晶粒大小

奥氏体晶粒尺寸的增加会提高钢的淬透性。铁素体和珠光体的形核发生在异质位点,例如奥氏体晶界。因此,增加奥氏体晶粒尺寸会减少可用的形核部位,从而阻碍了铁素体/珠光体相变的速率(图6)。这种提高淬透性的方法很少使用,因为淬透性的显着提高需要大的奥氏体晶粒尺寸,这是通过高奥氏体化温度获得的。所得的微观结构非常粗糙,韧性和延展性降低。但是,奥氏体晶粒尺寸会受到钢加工过程中其他阶段的影响。因此,钢的淬透性还取决于其生产中使用的先前阶段。

端淬硬度计

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