表面淬火的组织与性能
表面淬火的金相组织
钢件经表面淬火后的金相组织与钢种，淬火前的原始组织及淬火加热时沿截面温度的分布有关。
最简单的是原始组织为退火状态的共析钢，设其在淬火冷却前沿截面的温度分布如图1a所示。淬火以后金相组织应分为三区，如图1b所示。
图1 共析钢表面淬火沿截面温度分布（a）及淬火后金相组织（b）
自表面向心部分别为马氏体区（M）（包括残余奥氏体）、马氏体加珠光体（M+P）及珠光体（P）区。
这里所以出现马氏体加珠光体区，因快速加热时奥氏体是在一个温度区间，并非在一个恒定温度形成的，其界限相当于沿截面温度曲线的奥氏体开始形成温度（Ac1s）及奥氏体形成终了温度（Ac1f）。在全马氏体区，自表面向里，由于温度的差别，在有些情况下也可以看到其差别，最表面温度高，马氏体较粗大，中间均匀细小，紧靠Ac1f温度区，由于其淬火前奥氏体成分不均匀，如腐蚀恰当，将能看到珠光体痕迹（“珠光体灵魂”）。在温度低于Ac1s区，由于原为退火组织，加热时不能发生组织变化，故为淬火前原始组织。
图2 45钢表面淬火沿截面温度分布（a）及淬火后的金相组织
若表面淬火前原始组织为正火状态的45钢，则表面淬火以后其金相组织沿截面变化将要复杂得多。如果采用的是淬火烈度很大的淬火介质，即只要加热温度高于临界点，凡是奥氏体区均能淬成马氏体，则表面淬火加热时沿截面温度分布如图2a所示，而自表面至心部的金相组织如图2b所示。
图3 45钢表面淬火后不同加热温度区的金相组织
（a）均匀马氏体（最表面）
（b）高碳（白区）低碳（黑区）马氏体混合组织区
（c）马氏体+铁素体
（d）马氏体+铁素体+珠光体
（e）原始组织
按其金相组织分为四区，表面马氏体区（M），往里相当于Ac3与Ac1f温度区为马氏体加铁素体（M+F），再往里相当于Ac1f与Ac1s温度区为马氏体加铁素体加珠光体区，中心相当于温度低于Ac1s区为淬火前原始组织，即珠光体加铁素体。在全马氏体区，金相组织也有明显区别，在紧靠相变点Ac3区，相当于原始组织铁素体部位为腐蚀颜色深的低碳马氏体区，相当于原来珠光体区为不易腐蚀的隐晶马氏体区，二者颜色深浅差别很大（如图3b）。由此移向淬火表面，低碳马氏体区逐渐扩大，颜色逐渐变深，而隐晶马氏体区颜色增深，靠近表面变成中碳马氏体（如图3a）。
图4 原始组织为调质状态的45钢表面淬火后沿截面硬度
若45钢表面淬火前原始组织为调质状态，由于回火索氏体为粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的均匀组织，因此表面淬火后不会出现由于上述那种碳浓度大体积不均性所造成的淬火组织的不均匀。
在截面上相当于Ac1与Ac3温度区的淬火组织中，未溶铁素体也分布得比较均匀。在淬火加热温度低于Ac1至相当于调质回火温度区，如图4中C区，由于其温度高于原调质回火温度而又低于临界点，因此将发生进一步回火现象。表面淬火将导致这一区域硬度降低（见图4）。这一部分的回火程度取决于参数M，其区域大小取决于表面淬火加热时沿截面的温度梯度。加热速度越快，沿截面的温度梯度越陡，该区域越小。由于加热速度快，加热时间短，参数M小，回火程度也减小。
表面淬火淬硬层深度一般计至半马氏体（50%M）区，宏观的测定方法是沿截面制取金相试样，用硝酸酒精腐蚀，根据淬硬区与未淬硬区的颜色差别来确定（淬硬区颜色浅）；也可借测定截面硬度来决定（仲裁法）。硬度法参考“GB/T 5617-2005钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定”
表面淬火后的性能
01
表面硬度
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快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。
例如激光加热淬火的45钢硬度比普通淬火的可高4个洛氏硬度单位；高频加热喷射淬火的，其表面硬度比普通加热淬火的硬度也高2-3个洛氏硬度单位。这种增加硬度现象与加热温度及加热速度有关。当加热速度一定，在某一温度范围内可以出现增加硬度的现象，如图5所示。
图5 在各种加热速度下表面硬度与淬火温度的关系（CrWMn钢）
提高加热速度，可使这一温度范围移向高温，这和快速加热时奥氏体成分不均匀性、奥氏体晶粒及亚结构细化有关。
02
耐磨性
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快速加热表面淬火后工件的耐磨性比普通淬火的高。
图6 高频淬火与普通淬火试样耐磨性的比较（荷重1471N）
如图6为同种材料高频淬火和普通淬火件的耐磨性比较。由图说明快速表面淬火的耐磨性优于普通淬火的，这也与其奥氏体晶粒细化、奥氏体成分不均匀、表面硬度较高及表面压应力状态等因素有关。
03
疲劳强度
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采用正确的表面淬火工艺，可以显著地提高零件的抗疲劳强度。
例如40Cr钢，调质加表面淬火（淬硬层深度0.9mm）的疲劳强度σ-1=324N/mm2，而调质处理的仅为235N/mm2。表面淬火还可显著地降低疲劳试验时的缺口敏感性。
表面淬火提高疲劳强度的原因，除了由于表层本身的强度增高外，主要是因为在表层形成很大的残余压应力，表面残余压应力越大，工件抗疲劳性能越高。
表面淬火淬硬层深度及分
布对工件承载能力的影响
虽然表面淬火有上述优点，但使用不当也会带来相反效果。例如淬硬层深度选择不当，当局部表面淬火硬化层分布不当，均可在局部地方引起应力集中而破坏。
01
表面淬火硬化层与工件
负载时应力分布的匹配
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设有一传动轴，承受扭矩，其界面上剪切应力如图7中直线1所示。设表面淬火强化后其沿截面各点强度如图7中曲线2所示。
图7 表面强化与承载应力匹配示意图
1-工件负载时应力分布
2-浅层淬火时沿截面各点屈服强度
3-深层淬火时沿截面各点屈服强度
则直线1与曲线2交于x和z点。曲线2的x y z线段位于直线1下方，即此处屈服强度低于该轴负载时所产生的应力，则此处将发生屈服。尤其在y点处，应力与材料强度差值很大，可能在此处发生破坏。如果淬硬层深度增加，如曲线3所示，此时材料各点强度均大于承载时应力值，故不会破坏。
因此表面淬火淬硬层深度必须与承载相匹配。
02
表面淬硬层深度与工
件内残余应力的关系
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表面淬火时由于仅表面加热，仅表面发生膨胀，故表面将承受压应力。淬火冷却时表面热应力为拉应力，而表面组织应力为压应力，二者叠加结果，表面残余应力为压应力，如图8所示。
图8 表面淬火时残余应力分布
这种内应力由于表面部分加热和冷却时的胀缩和组织转变时的比体积变化所致，显然其应力大小及分布与淬硬层深度有关。
试验表明，在工件直径一定的情况下，随着硬化层深度的增厚，表面残余压应力先增大，达到一定值后，若再继续增厚硬化层深度，表面残余压应力反而减小，如图9所示。
图9 不同钢材硬化层深度与最大残余压应力的关系
（中空试样，外径66mm，内径49mm）
1-45；2-18Cr2Ni4W
3-40CrMnMo;4-40CrNiMo
残余应力还与沿淬火层深度的硬度分布有关，即与马氏体层的深度、过渡区的宽度及工件截面尺寸之间的比例有关。如图10为淬硬层（图中之Xk）交界处硬度降落的陡峭程度（直接影响过渡区宽度）与残余应力分布关系示意图。
图10 残余应力与过渡区宽度的关系
由图可见，过渡区硬度降落越陡，表面压应力虽较大，但紧靠过渡区的张应力峰值也减小。张应力峰值过大，不仅可能引起残余变形，而且当工件承载时，与负载所引起的相同符合应力叠加后导致破坏。
残余应力的分布还和钢中含碳量有关，因为含碳量越高，马氏体比体积越大，组织应力越显著，在表面淬火条件下，残余压应力越大。
可见，对每一个具体零件来说，都有一个合适的淬硬层深度及过渡区宽度。这时在静载荷下，不至于有局部地区的屈服强度低于零件工作应力，表面有足够大的残余压应力，而有不至于有太靠近表面的过高张应力峰值。对高频表面淬火而言，中、小尺寸零件淬硬层深度为工件半径的10%-20%，而过渡区的宽度为淬硬层深度的25%-30%，实践证明较为合适。
03
硬化层分布对工件承载能力的影响
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当工件进行局部表面淬火时，存在着淬火区段与非淬火区段间的过渡温度。如图11为直径为65mm圆柱经局部表面淬火后的硬度和残余应力分布。
图11 局部淬火的圆柱形工件表面上的硬度和残余应力分布
由图可见，在离淬硬层一定距离外存在着拉应力峰值，若和外加载荷所产生的应力叠加，特别在截面突变区，很可能导致破坏。为了避免这种现象发生，要尽量避免在危险断面处出现淬硬层的过渡，如图12所示这两种淬硬层分布，正确者应采用图12b的淬硬层分布。
图12 轴径表面淬火后淬硬层及应力分布
结 束 语
表面淬火组织与性能
本期文章和大家分享了表面淬火组织、性能及硬化层深度的分布对工件承载能力的影响这几方面的内容。总的而言，对于理解表面淬火，这三部分缺一不可，理解了原理，再解释现象也就易如反掌了。
好的，本期文章到此就结束了，欲知后续精彩内容，且看下期分解。
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