三、 调质钢的零件尺寸与钢材的淬透性 同一种钢经相同条件热处理，随着零件尺寸增大，淬火后其断面上特别是心部会出现铁素体、珠光体或贝氏体等非马氏体组织，使高温回火后的各种性能降低。45Mn2钢经相同的热处理后不同断面的力学性能不同。当零件尺寸和热处理条件相同时，钢的淬透性能越好，淬火后在断面上特别是心部非马氏体组织越少，调质后各种力学性能指标也较高。 1． 结构钢淬透性能的测定方法与表示方法 测定结构钢淬透性能最普遍的方法是末端淬火法(GB225—63)。用淬透性能曲线(也称末端淬火曲线)表示钢材的淬透性能，或用J值表示，如J=30～45HRC，即距冷却端9mm处的硬度为30～45HRC。因为末端淬火试样淬火时的冷却条件是严格控制的，所以距端末不同距离处的各部位的冷却速度的数值是一定的，靠近水冷却端冷却速度最大，距冷却端越远，冷却速度越小，整个试样上冷却速度的变化范围约为2～230℃／s。这大致相当于直径100mm以下各种尺寸的圆棒淬水或油或其他冷却介质时,在不同部位的冷却速度的变化范围。因此可以在一个末端淬火试样上，得到圆棒在不同冷却条件下，距末端不同距离、不同部位和冷却速度之间的关系。如直径为50mm的圆棒淬水时，它表面和心部的冷却速度分别为272℃／s和18℃／s，这分别相当于距端末1．5mm和12．5mm处的冷却速度。 2． 一般机器零件淬透深度的确定 任何一种零件整个断面都完全淬透再高温回火。可以得到最好的综合力学性能，但是这意味着要使用含合金元素较多、淬透性能较好而且价格较贵的合金钢。事实上不是所有零件都要求完全淬透，因此必须根据零件的受力情况进行具体分析来确定其淬透深度。 (1)第一种情况是整个断面承受均匀的拉伸应或压缩应力的零件(如螺栓)，要求整个断面完全淬透，几乎为全部马氏体组织。一般的讲，硬度在500HB下，抗拉强度和硬度几乎成直线关系，整个断面完全淬透时，其屈服强度和硬度几乎也成直线关系。但是淬火时如果没有完全淬透(心部出现非马氏体组织)虽然可以用降低回火温度得到需要的硬度，但屈服强度将降低，这样就降低了零件的质量，如汽缸盖螺栓在装配时将达不到规定的扭矩而发生塑性变形，使螺栓拉长。因此，制造整个断面承受均匀分布应力的零件，钢材的淬透性应保证零件断面完全淬透。 (2)第二种情况是承受弯曲和扭转应力的零件，如空预器上端轴。受弯曲或扭转载荷时，零件表面应力最大，自外向里应力逐渐递减，至心部趋于零。这类零件不需要很深的淬透层，一般距表面1／4半径处淬火时能得到80％马氏体已足够。 淬硬深度适当时，淬火后零件表层还会产生残余压应力，从而抵消一部分由于弯曲或扭转载荷在表层形成的拉应力，提高了零件的疲劳性能。 (3)第三种情况是热处理后要求耐磨的零件。中碳钢热处理后表面硬度越高，耐磨性越好。对于这类零件选择钢材时，需注意钢的含碳量及其淬透性，保证零件淬火后能够获得规定的表面硬度和足够的淬硬深度。 3．淬透性能数据的应用 实践中常见两种情况：一是已知零件的硬度要求．需选用淬透性合适的钢材；另一是已知钢材的淬透性能曲线，需推算零件淬火后的硬度分布。 汽车零件转向节在工作时承受弯曲载荷，一般要求距表面1／4半径处得到80％马氏体，采用碳质量分数为O．37％～O．45％的合金钢，调质后的硬度要求为255～285HB，在毛坯状态下调质，水淬并高温回火后进行切削加工。 为确保零件质量，淬透性能需保证其淬火状态的硬度(组织)。碳质量分数为O．37％(按下限计)的钢材80％马氏体的硬度为45HRC，即在距表面1／4半径处要求淬火状态的硬度为45HRC，生产中一般是测定零件的表面硬度来控制淬火质量，一般要求淬火后表面硬度为488HB(50HRC)以上。知道了上述要求选择钢材。 选用的钢材如其淬透性曲线在距端末2mm及7．5mm(相当于距零件表面1／4半径处)处的硬度值，分别等于或大于50HRC和45HRC时，淬火后即可满足要求。

四、调质钢的力学性能 各种零件的工作条件和载荷情况不同，对钢材的力学性能的要求也不同。有些零件承受静载荷，不允许产生超过容许限度的永久变形，要求钢材有较高的屈服强度。有些零件必须有足够的刚度以抵抗承载时产生的弹性变形。刚度主要决定于零件的断面形状和材料的弹性模量。由于各种钢材的弹性模量变化不大，因此要增加零件的刚度必须增大零件的断面尺寸或改变零件的断面形状。 材料的疲劳强度、多次冲击抗力、磨损抗力是决定零件使用寿命的重要指标。承受交变载荷的零件经常是疲劳损坏的，材料的疲劳性能决定着这类零件的寿命。钢材的化学成分、金相组织、零件的尺寸及形状(它决定零件的应力集中情况)以及残余内应力的分布情况对疲劳性能都有影响，特别是零件的表面情况的影响更为显著，采用表面强化方法形成有利的残余压应力可以有效地提高零件的疲劳性能。承受小能量多次冲击的零件，要求采用较低回火温度(强度指标较高而塑性指标较低)，可以得到较高的多冲抗力。构成摩擦副的零件，磨损抗力是决定其寿命的主要因素，零件的表面情况、润滑情况、硬度，表面金相组织以及互相 摩擦的零件的性能差别等等，都影响磨损性能。 零件的塑性指标不能直接用于设计计算。塑性的实用意义是通过产生少量塑性变形使局部高应力重新分布，保证零件的安全使用。此外，材料的塑性保证了某些零件成形工艺(如冷冲、冷镦和冷挤压)的需要。材料的韧性用冲击值表示，只有在样品尺寸及缺口形状相同的情况下测得的冲击值才能互相比较。冲击值一般也不能直接用于设计计算。往往根据经验或实际零件的使用试验情况对一种零件提出能满足使用要求的冲击值指标。冲击试验是一种很敏感的试验方法，很多冶金缺陷(如白点)和热处理缺陷(如过烧)都能从冲击值的变化中反映出来，因此，在判定钢材或零件质量时常常需进行冲击试验。 1． 合金元素对力学性能的影响 淬透性能相同的钢调质到相同硬度时，抗拉强度基本相同，硬度与抗拉强度大致成直线关系。 各种成分的合金钢调质到各种硬度值时，硬度值为400HB(抗拉强度约为1400MPa)时，屈强比值最高，约为0．9，淬火状态的组织对屈强比有很大影响。图中左边的虚线表示淬火时未完全得到马氏体，右边的虚线表示得到完全马氏体组织。 屈强比与抗拉强度的关系 调整增加钢材淬透性的合金元素的含量，可以得到相同的淬透性能，得到相同的抗拉强度和屈服强度。因此，在选择合金元素时应优先选择增加淬透性能作用显著而价格较低的元素，如硼、锰、铬等。但是合金元素不同的钢要调质到相同的硬度所采用的回火温度各不相同，即各种钢的抗回火性能不同。 淬透性能相同的钢调质到相同硬度时，抗拉强度和屈服强度虽基本相同，但是脆性破坏倾向差别很大，低温冲击试验尤为明显。成分不同的钢调质后硬度与疲劳极限的关系不同。硬度在35HRC以下时疲劳极限和硬度成直线关系，疲劳极限的波动范围为130MPa。硬度超过35HRC时，疲劳极限的波动范围变宽。如硬度为55HRC时，疲劳极限的波动范围达380MPa。 2． 调质零件硬度的确定 零件的淬透情况相同时，调质后的硬度即可反映零件的屈服强度与抗拉强度，因此零件图纸和技术条件一般只规定硬度数值。只有很重要的零件才规定其他力学性能指标。 调质零件硬度的确定，必须考虑到制造工艺的要求和使用时的载荷条件。从制造工艺考虑，希望零件在毛坯状态调质，而后进行切削加工和装配。这样零件热处理时产生的变形和脱碳在以后的切削加工中加以消除。但是采用这种制造程序的零件，其硬度不能过高，一般不超过300HB，个别的不超过350HB，否则对切削加工不利。要求硬度更高的零件(如有的汽车半轴要求硬度为341～415HB)，只能先切削加工，然后再进行调质处理，这时零件加热时应防止脱碳和变形，有时热处理后要增加校直工序。小批量或单件生产的零件，切削加工所允许的硬度可以适当提高。 确定调质零件硬度时还必须考虑到生产的特点，小批单件生产的产品，不同零件可以选定不同的硬度，大批量流水生产的工厂希望大部分零件的硬度范围一致或固定在几个硬度范围内，这对组织热处理生产有很大的方便。 从零件使用角度考虑，确定调质零件的硬度时要注意到零件的工作条件和零件的形状。一般的讲，硬度值高，抗拉强度、屈服强度和光滑样品的疲劳强度都高，但是塑性指标降低，脆性破坏倾向和应力集中的敏感性增加，因此，当零件上有起应力集中作用的缺口(花键、槽或断面变化大)时，为使应力分布均匀、减少应力集中现象，这时较低的硬度反而可以获得较高的疲劳性能。 五、应用举例 近年来，调质钢在国华盘山电厂空预器上得到较为广泛的应用。空预器上端轴和上端轴紧固螺栓采用的材质均为锻件调质钢40CrMnMo，空预器经过解体检查上端轴和上端轴紧固螺栓没有发现任何异常，运行状况良好。

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