淬透性與淬硬性

淬透性與淬硬性是金屬材料熱處理領域中兩個關鍵性能指標，二者在定義、影響因素、表征方法及工程應用上存在顯著差異，以下為具體分析：

1. 定義與本質區別

• 淬透性（Hardenability）
  指材料在淬火時獲得馬氏體組織的能力，反映硬化層從表面向內部延伸的深度潛力。例如，直徑50mm的40CrNiMo合金鋼棒油淬后，心部仍能保持80%以上馬氏體組織，表明其淬透性優異。
  核心要素：硬化層深度，而非表面硬度。

• 淬硬性（Hardening Capacity）
  指材料在理想淬火條件下所能達到的最高硬度，反映鋼材的硬度上限。例如，T12工具鋼（含碳量1.2%）淬火后表面硬度可達66HRC，而20鋼（含碳量0.2%）僅約45HRC。
  核心要素：表面硬度值，與深度無關。

2. 影響因素對比

• 淬透性

  • 化學成分：合金元素（如Cr、Ni、Mo）顯著提升淬透性。例如，42CrMo鋼的淬透性比45鋼高3倍，因Mo元素延緩貝氏體轉變。

  • 奧氏體晶粒度：晶粒細化可提高淬透性，但過度粗化（如奧氏體化溫度過高）會降低淬透性。

  • 工件尺寸與冷卻介質：影響實際淬透效果，但淬透性本質由材料成分決定。

  
  

• 淬硬性

  • 含碳量：馬氏體硬度與碳含量呈線性關系（經驗公式：$HRC=20+60\times \sqrt{C\%}$）。例如，含碳量從0.2%增至1.2%，硬度可從45HRC提升至66HRC。

  • 合金元素：強碳化物形成元素（如V、W）對硬度提升貢獻較小（<0.5HRC/1%添加量），主要通過細化晶粒間接影響。

  
  

3. 表征方法

• 淬透性

  • 端淬試驗（Jominy Test）：按GB/T 225-2006標準，將φ25×100mm試樣一端噴水冷卻，每隔1.5mm測量硬度值，繪制硬度-距離曲線（淬透性曲線）。

  • 臨界淬火直徑：在特定介質中淬火后，心部獲得50%馬氏體時的最大直徑。

  
  

• 淬硬性

  • 洛氏硬度測試：按GB/T 230.1-2018標準，在試樣表面取3點測量，取平均值，誤差控制在±0.5HRC內。

  
  

4. 工程應用場景

• 高淬透性需求

  • 重型機械傳動軸（如船用曲軸）：需選用34CrNi3Mo等材料，確保直徑400mm截面上硬度落差<3HRC，保證整體強度與抗疲勞性能。

  • 汽車變速箱齒輪：采用20CrMnTi滲碳處理，硬化層深度達1.2-1.5mm，兼顧心部韌性與表面硬度。

  
  

• 高淬硬性需求

  • 切削刀具：選用W18Cr4V高速鋼，硬度達64-66HRC，保證刃口鋒利度與耐磨性。

  • 冷作模具：采用Cr12MoV，表面硬度>62HRC，可承受5000次/分鐘沖壓頻率。

  
  

5. 關聯與協同優化

• 選材策略：傳動部件側重淬透性（如曲軸），刃具類零件強調淬硬性（如刀具），精密模具需同時優化二者（如Cr12MoV模具鋼）。

• 工藝協同：深冷處理（-196℃液氮）可將GCr15軸承鋼（C%≈1.0%）的殘余奧氏體轉化率提升至95%以上，間接提升表觀淬透性。